“模型法”在化學中的應用及教學啟示

陳廷俊

關鍵詞：模型法;化學模型;碰撞理論;自由基反應;原子結構;苯

化學模型可以幫助人們更好地從微觀視角認識宏觀物質，揭示物質結構和性質的內在聯系，實現物質的轉化和應用?？v觀化學發(fā)展歷程，正是化學家通過科學實驗和理論計算，持續(xù)不斷地建構與修正模型，才使得人們對物質形成與轉化的內在規(guī)律認識得越來越清晰，也越來越接近科學本質。

1模型法對化學研究非常重要

模型（model）的拉丁文——modulus，指“樣本、尺寸、標準”。吉爾伯特認為，除了物理模型之外，模型還包括思想、事件、概念、過程或系統(tǒng)等的表示”。?？茖W模型既是科學研究的產物，也是科學家賴以進行思維和探索未知的重要工具。從本體論來說模型是關于客觀世界實體或者思想的表征，它通過對客觀實體或思想的簡化、抽象和理想化，進行科學解釋和預測。從認識論來看，科學家不僅能夠根據模型發(fā)現研究對象和系統(tǒng)的屬性;而且還能把模型的相關知識轉化為目標系統(tǒng)的知識。

模型法對化學研究非常重要。首先，它是化學知識的重要組成部分。揭示物質結構、化學原理和反應機理的各種化學模型，本身就是化學知識本質特征的抽象與簡化，是人們認識和解釋化學問題的重要工具。其次，它為人們學習和研究化學提供了較好的認知方式。人們通過模型法可以更加形象地認識物質的結構、性質及其規(guī)律，讓復雜抽象的化學問題變得簡單直觀。第三，它促進了化學理論的形成與發(fā)展?；瘜W理論是化學家在分析客觀事實，猜想和假設基礎上建立的理論模型，然后通過科學實驗驗證。化學家在解釋客觀事實的過程中檢驗模型的科學性，并根據新的證據來加以修正與完善，使化學模型無限可能地接近原型?，F代化學研究越來越注重分子、原子等微觀層面的變化，這就更需要運用模型法來研究物質所存在的復雜系統(tǒng)中的微觀結構與變化規(guī)律。

2模型法在化學學科中的應用

2.1模擬與表征物質結構

經典化學結構模型是用元素符號和短線來表示物質的結構式，這種科學抽象的結構式通過原子價鍵來表現原子問的相互作用，比較直觀形象地反映了分子的本質屬性，成為代替分子原型來研究和預測物質性質非常適用的化學模型。然而，這種經典結構式在解釋共軛分子、分子立體結構、配位理論等方面卻遇到了困難，解決這些困難和挑戰(zhàn)促進了經典結構理論的發(fā)展。如，范霍夫提出碳的四面體結構模型并運用它成功發(fā)現對映異構體，從而打破了價鍵只能反映原子空間連接順序的局限性，成功地解釋了分子存在立體結構的微觀本質。

玻恩、朗德等人根據離子鍵模型計算出品格能的理論值與實驗值比較接近，計算結果很好地證明了離子晶體的化學鍵本質。劉易斯提出“八隅體狀態(tài)”，認為原子問通過共用電子對形成穩(wěn)定結構，并用電子式表示甲烷、乙烯、乙炔等有機化合物。朗繆爾通過共價鍵理論成功地解釋了含氧酸根中存在的配位鍵（特殊的共價鍵），并運用“等電子原理”解釋了N2、CO、CN-等的結構和性質。

運用量子力學對物質結構進行理論計算而發(fā)展起來的現代結構化學理論模型，在傳承經典結構模型和電子理論模型優(yōu)點的基礎上;利用價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論，很好地解釋了分子（晶體）的電子運動規(guī)律與分子（晶體）結構和性質之間的關系。如，使用價層電子對互斥模型（VSEPR）來預測共價分子CH4、NH3H20的空間構型：它們的中心原子是sp3雜化，但CH4的碳原子上沒有孤對電子，而NH，和H20的氮、氧原子上分別有1對和2對孤對電子，電子對問的排斥使得CH4、NH3、H20的分子結構分別呈正四面體、三角錐和V形。

可見，從經典化學結構模型一化學鍵電子理論模型一現代結構化學理論模型，人們通過不斷建立物質結構的理想化模型，讓那些難以觀察和描述的物質微觀結構變得直觀形象、通俗易懂，更好地揭示了微觀粒子的運動特征，理論模型越來越接近物質的真實結構。

2.2抽象與建立化學理論

用來解釋化學反應速率快慢的碰撞理論，以及揭示化學反應歷程的過渡態(tài)理論是化學動力學中非常經典的理論模型。前者是運用氣體分子運動論建立的，后者則是在量子力學與統(tǒng)計力學中發(fā)展形成的。碰撞理論認為，能夠發(fā)生反應的分子所具有的能量必須等于或高于該反應的活化能，即分子必須成為活化分子且采用合適的碰撞取向才能發(fā)生化學反應。碰撞理論模型的基本假設為：反應物分子是硬球，反應分子必須進行碰撞，具有足夠能量的分子取向合適才能發(fā)生有效碰撞，反應體系能量分布符合玻爾茲曼能量分布律。碰撞理論對于小分子反應的速率計算值與實驗值吻合度較好，但對于溶液中的反應與稍復雜的氣相反應則出現了偏差，需要引入校正偏差的經驗概率因子。

過渡態(tài)理論認為化學反應過程并不是反應物分子直接有效碰撞形成產物，而是反應物要先吸收能量形成能量較高的活化配合物;活化配合物具有更高的勢能，并且可以快速分解成新的低能量和更穩(wěn)定的產物。過渡態(tài)理論在碰撞理論的基礎上，運用活化能來解釋化學反應中化學鍵的斷裂和形成，提出化學反應速率不同是因為各種化學反應的活化能不同。如，反應NO：+CO=NO+CO2，CO和NO2首先吸收能量成為活化分子，再通過有效碰撞形成活化配合物[0-N…0…C-0];然后，斷裂部分N…0鍵，形成部分0…C鍵。當反應完成時，生成NO和CO2。具體過程表示如圖1。

反應NO2+CO=NO+CO：過渡態(tài)的能量變化表示如圖2，A代表CO與NO，的平均能量，B代表過渡態(tài)[0-N…0…C-0]的平均能量，c表示C02與NO的平均能量。當發(fā)生反應時，CO與NO，先吸收134kJ·mo的能量（正反應的活化能E2）變成過渡態(tài)的活化配合物，然后生成CO2與NO并放出368 kJ·molq的能量（逆反應的活化能E），整個反應過程中的AH=E-E=-234 kJ·mol。

2.3解釋與揭示化學反應機理

共價鍵斷裂和生成方式不同，是自由基反應、離子型反應和協(xié)同反應的本質區(qū)別。自由基反應包括“鏈引發(fā)、鏈轉移和鏈終止”三個階段。當化學鍵斷裂時，鍵合電子對均勻地分布到鍵合原子或基團，帶有孤電子的原子或基團（用黑點表示）是活性較強的中間體，它會攻擊其他分子，產生新的自由基，實現鏈轉移。如，在紫外光或熱（250-400℃）作用下，甲烷與氯氣反應得到CH3C]、CH2C12、CHC]3、CC]4和HCl的反應機理可以表示為：

引導學生沿著這樣的歷史足跡去探索原子結構，不僅能夠幫助學生認識原子模型的動態(tài)發(fā)展過程，而且還能幫助學生學會辯證地看待科學和科學發(fā)展。明白每一次修正后的原子模型，離原子的真實結構又進了一步。

3.3要努力提升學生的化學模型認知能力

模型法讓人們學會了建構模型來解決化學問題，不僅能夠讓抽象的微觀結構變得具體直觀，而且還訓練了人們解決問題的思維方法。因此，教師必須將學生的知識，經驗和認知規(guī)律與教學有機融合，以提高學生的化學模型認知能力。首先，要讓學生認識常見的化學模型，了解各種化學模型的內涵與功能，學會選擇合適的化學模型來解釋或解決化學問題。其次，指導學生辨析理論模型和研究對象之間的異同，厘清化學模型和原型的關系，準確把握模型的使用條件和適用范圍。第三，在學生正確理解、描述和表示常見化學模型的基礎上，引導學生運用理論模型解釋或推測物質的組成、結構、性質與變化。最后，幫助學生建構分析復雜化學問題的認知模型，并能通過探尋證據來完善和優(yōu)化模型。

如，按照“苯的科學史→猜測苯的結構和性質→實驗探究和推理”的思路來探究苯的分子結構，讓學生大膽猜想，搭建模型加以檢驗和解釋。學生活動任務：（1）根據法拉第的“氫的重碳化合物”，猜測并探究其密度、水溶性、可燃性、熔點、沸點等。（2）根據米希爾里希制苯原理與日拉爾測出的分子式（C6H6），猜測并探究苯分子中是否含有C=C、C=C，分子是環(huán)狀還是鏈狀？（3）凱庫勒基于苯和H：的加成反應、苯與液溴的取代反應等實驗事實，給出了單雙鍵交替環(huán)狀結構模型。學生設計實驗證實，根據苯不能使溴水和KMn04酸性溶液褪色等實驗現象，證明苯分子中不存在C=C，激發(fā)認知沖突。（4）凱庫勒發(fā)現苯的單雙鍵環(huán)狀結構存在問題，又提出了苯的“共振假說”來進行解釋。你如何評價？（5）實驗測得：只有一種鄰二溴苯，苯和H，能按物質量之比1：3加成。請你確定苯的結構式。（6）現代技術捕獲到苯的平面正六邊形結構和苯的環(huán)形圖像，對你認識有機物的結構有何啟發(fā)？

這樣，學生通過對苯的結構探究，不僅理解了苯的分子結構的本質，而且還能夠運用苯的分子模型解釋或推測苯的性質，建構了“分子式=結構式=性質”的有機物認知模型。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對物質微觀結構的認識越來越深入，已經建立的化學模型隨著人們認知能力的提升，有的被拋棄，有的在日臻完善。這就需要教師指導學生運用批判性思維去研究化學模型，深刻理解各種化學模型的功能和應用，不僅要正確運用化學模型來解決問題，而且還要通過不斷探尋證據來改造、優(yōu)化和深化已有的化學模型，讓化學模型能夠更形象、更直觀、更貼切地解釋原型。