運用量子化學程序改進高中化學的教與學

王文勇 潘家永

摘 要：以量子化學程序為依托，將中學化學抽象的知識和概念形象、生動、立體的呈現(xiàn)出來，像科研工作者一樣著眼于化學本質(zhì)和規(guī)律的研究，讓師生在教與學的情景中感受獲取知識的快樂，提高科學探究與創(chuàng)新的能力，探索培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)的途徑。

關鍵詞：量子化學;化學核心素養(yǎng);中學教學

一、研究背景

量子化學[1]，簡單說來，就是利用量子力學基本原理研究原子、分子內(nèi)的電子運動狀況，從而為研究化學的本性以及化學反應中的變化提供理論和定量的依據(jù)。質(zhì)量極小的分子、原子、電子等微觀粒子的能量變化常常不像宏觀物理量那樣連續(xù)變化的，而是以某一最小的單位作跳躍式的增減，我們就稱它為“量子化”?！安贿B續(xù)性”或“量子化”是這些微觀粒子的重要特征。

量子化學軟件能夠很好的輔助科學研究，卻不能服務于中學師生，不能推動中學化學教育的發(fā)展是一種巨大的浪費。今年伊始，新型冠狀病毒來襲，給我國帶來了巨大災難。在這次抗擊新冠肺炎的戰(zhàn)斗中，我們更可以看到化學的重要作用，化學核心素養(yǎng)更是不可或缺[2，3]?；瘜W是一門理論性很強的學科，確又是一門非常實用的學科。中學化學又常常涉及很多抽象的化學知識和概念，比如原子、分子、離子、分子結(jié)構、分子軌道、共價鍵、離子鍵、晶體構型等等，都無法通過肉眼進行直接觀測，而且微觀結(jié)構難以用宏觀模型進行科學的描述。這些都會極大的增加學生負擔，他們無法形成宏觀辨識與微觀探析的能力，不能從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實際問題。這些枯燥、深奧、抽象的知識會使學生很快失去學習化學的興趣。對中學而言，化學的教與學不僅僅是知識的傳授與學習，更應該是師生在教與學的情景中感受獲取知識的快樂，感受知識背后更深層次的學科意義。

如果我們通過量子化學程序以及計算機的模擬，將抽象的化學知識和概念以一種形象、生動、立體的形式呈現(xiàn)出來[4]，使學生能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示化學現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，形成證據(jù)推理與模型認知的能力。教師和學生像科研工作者一樣不停地琢磨這些直觀的量子化學程序，激發(fā)了極大的探究熱情，從而提高了科學探究與創(chuàng)新能力。結(jié)合量子化學軟件，我們有理由相信，學生的化學核心素養(yǎng)和教師的職業(yè)能力會顯著的提升，將取得良好的教育教學效果。本文列舉了利用量子化學“Gaussian”程序及其圖形用戶界面“GaussView”形象、逼真的分析學生經(jīng)常糊涂的幾個化學知識點。

二、研究案列

1.分子結(jié)構

中學化學教學中，經(jīng)常演示許多有機分子，如醇、酚、醚、羧酸和氨基酸等。以往的教學中，化學式或結(jié)構簡式往往難以在學生頭腦中留下深刻的印象，“GaussView”通過顯示三維結(jié)構清晰的描繪出這些有機分子。“GaussView”中分子模型的默認形式是球棍和鍵線式的混合模型，既然已經(jīng)建立苯的分子模型，就順便解決一個一直困擾在學生心中的問題。即，苯分子的6個C-C鍵鍵長相等？這里需要知道一些基本的物質(zhì)結(jié)構知識，也就是苯分子為D6h點群。建好苯的分子模型后，要設置它的點群為D6h。所有的計算方法采用密度泛函理論下雜化密度泛函B3LYP方法和6-31G基組。優(yōu)化分子時，加入的命令是“#PB3LYP/6-31Gopt”。“Gaussian”程序計算完成后得到能量最低的苯分子結(jié)構。分別量取6個C-C鍵和C-H鍵，每個C-C鍵和C-H鍵的鍵長分別為1.40043?和1.08574?（碳碳單鍵一般為1.50?，碳碳雙鍵一般為1.35?之間），很明顯，苯的每個碳碳鍵相等且是一種介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的一種特殊的鍵。以上證實，苯分子中6個碳碳鍵為同一種鍵，至于苯分子的碳碳單鍵為什么會是同一種特殊的鍵（因為形成了6中心6電子大π鍵），教師可以待到學生學習分子雜化軌道理論時給予擴展。

2. 同分異構現(xiàn)象和構象異構現(xiàn)象

同分異構現(xiàn)象是高一必修二教材中非常重要的知識點。高一學生學習化學時間不長，空間想象能力欠缺，有些學生理解同分異構現(xiàn)象較為困難。圖3為乙醇和二甲醚的球棍模型，通過三維模型學生清楚的理解同分異構現(xiàn)象就是化學式相同結(jié)構不同的現(xiàn)象。

有些學生化學興趣特別強烈，參加化學競賽的學生經(jīng)常問到構象異構現(xiàn)象。通過“GaussView”程序查看環(huán)己烷的椅式和船式構型，學生直觀的掌握構象異構現(xiàn)象，有助于學生更深入的理解化學的本質(zhì)。

3. 成鍵方式

部分高中學生學習離子鍵和共價鍵時非常混亂。化學鍵本來就是人為定義的抽象概念，從實驗上也沒法直接觀測到“鍵”，這極大的加大了教學難度。如果通過一些方法圖形化“鍵”這個概念，非常有利于教學，電子定域化函數(shù)（Electron Localization Function）解決了這個問題。我們可以簡單的告訴學生電子定域化函數(shù)與電子密度分布類似。計算了NaCl離子（計算的為理想狀態(tài)，真實情況下NaCl為離子晶體，不可能只有一個Na+離子和Cl-離子）和Cl2分子的電子定域化函數(shù)。圖中的Cl原子周圍電子密度非常明顯（紅色和黃色區(qū)域），解釋了Cl原子周圍存在6個沒有成共價鍵的電子。在Cl2分子中，兩個Cl原子之間的電子密度非常明顯（黃色區(qū)域），證明Cl原子之間形成共價鍵，而Cl原子和Na原子之間的電子密度卻是缺失的，也就是說，Cl原子和Na原子之間形成離子鍵。學生如果掌握了這樣的方法，可以逐個驗證教科書上出現(xiàn)的離子和共價化合物，加強了學生學習化學的興趣，提高了研究化學的科學素養(yǎng)。

4.極性

在化學中，極性是指凈電荷分布的不均勻性。如果凈電荷分布得不均勻，則稱該分子為極性，如果均勻，則稱該分子為非極性。物質(zhì)的一些物理性質(zhì)（如溶解性、熔沸點等）與分子的極性相關。極性可以通過偶極矩衡量，因為偶極矩本質(zhì)上體現(xiàn)體系正電荷中心和負電荷中心的分離情況，數(shù)學表達式為μ=qd，q為正、負電荷中心間所帶的電荷量，d為正、負電荷中心的距離，它是一個矢量，方向規(guī)定為從正電中心指向負電中心。傳統(tǒng)上，偶極矩的單位一般用是D（德拜）表示。計算了8種分子的偶極矩，Cl2、CH3CH3、CH2=CH2、CO2偶極矩都為0D，都為非極性分子。分析CO2，氧原子的電負性比較強，共用電子對偏向氧原子，但兩個氧原子以碳原子中心對稱，兩個C=O極性共價鍵相互抵消，于是CO2分子為非極性分子。CH3OCH3、CH3CH2OH、HCl、NaCl偶極矩不為0，是極性分子。NaCl的偶極矩非常離譜，說明NaCl的正、負電荷中心分離明顯，進一步證實NaCl原子間形成的是離子鍵。

三、結(jié)語

與傳統(tǒng)的實驗化學比較，量子化學越來越體現(xiàn)出它的優(yōu)勢，它無毒、便宜、操作簡單、結(jié)果可靠、不受實驗場地限制，最重要的是它能夠從微觀角度去理解和預測宏觀化學現(xiàn)象。對于中學師生而言，只要有一臺計算機并且裝載相關的量子化學計算程序，就可以根據(jù)需求設計教學或者根據(jù)教學問題設計一系列研究課題，這樣的硬件要求任何一所中學都可以達到。文中列出了幾種問題探究，每一個問題都能輕松解決，計算速度快，幾分鐘便可輸出結(jié)果。總之，師生根據(jù)量子化學程序研究生活中遇到的化學問題，像科研工作者一樣著眼于化學的本質(zhì)和規(guī)律，這樣的教與學便不再是傳統(tǒng)意義上知識的傳授與獲取，而是一種培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)重要的途徑。

參考文獻

[1] EnricoClementi，GiorginaCorongiu.從原子到大分子體系的計算機模擬--計算化學50年[J].帥志剛，馬忠云，張?zhí)欤?，譯.化學進展，2011（9）：1795-1830.

[2] 吳星.高中化學核心素養(yǎng)的建構視角[J].化學教學，2017（2）：3-7.

[3] 胡先錦，胡天保.基于發(fā)展學科核心素養(yǎng)的高中化學教學實踐與思考[J].中學化學教學參考，2016（4）：4-7.

[4] 高修庫，趙瀏，楊曉琳，鄭克強.計算量子化學手段輔助高中化學素養(yǎng)教學——從“結(jié)構”視角淺析乙醇的化學性質(zhì)[J].中學化學教學參考，2019（11）：23-25.

本文為江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度課題階段性成果，立項編號：B-b/2020/02/36，課題狀態(tài)：重點自籌。