關(guān)于葉綠素中配位鍵的教學(xué)思考

湖北 邢泰宇 許劍平

2009年版人教版化學(xué)選修3第43頁(yè)將卟啉配合物葉綠素的結(jié)構(gòu)表示為圖1。圖中上、下方的N原子與Mg原子以虛線(xiàn)相連，左、右方的N原子與Mg原子以實(shí)線(xiàn)相連。課本編寫(xiě)者想表示這4個(gè)N原子原子與Mg原子原子間的成鍵情況不盡相同，用虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)以示區(qū)別。那虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)到底哪個(gè)表示配位鍵，亦或是表示一般共價(jià)鍵？

圖1 葉綠素結(jié)構(gòu)1

一、葉綠素中鎂、氮原子的成鍵情況分析

1.虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)表示配位鍵和一般共價(jià)鍵

該問(wèn)題在中學(xué)化學(xué)界的爭(zhēng)論由來(lái)已久，2005年有文獻(xiàn)中闡述 ，虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)分別表示兩個(gè)配位鍵、兩個(gè)共價(jià)鍵。有的老師認(rèn)為，從中心離子Mg2+來(lái)看，一是鎂的電負(fù)性為1.2，金屬性較強(qiáng)，氮的電負(fù)性為3.0，非金屬性較強(qiáng)，二者電負(fù)性差異較大，一般不易通過(guò)共用電子對(duì)形成共價(jià)鍵；二則Mg2+帶有2個(gè)單位正電荷，電荷較高，利于形成較高配位數(shù)的配位單元，故此虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)都表示配位鍵。還有的老師從氮原子成鍵情況分析：以虛線(xiàn)與Mg原子相連的N原子已經(jīng)與C原子形成三個(gè)共價(jià)鍵，N原子上的三個(gè)成單電子均配對(duì)，形成八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，還有一對(duì)孤電子對(duì)可與Mg形成配位鍵；而以實(shí)線(xiàn)與Mg原子相連的N原子與C原子形成兩個(gè)共價(jià)鍵，N原子上的三個(gè)單電子配對(duì)兩個(gè)，還有一個(gè)單電子要與Mg原子配對(duì)，形成一般共價(jià)鍵。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)主要為N原子與Mg原子以實(shí)線(xiàn)相連的鍵是配位鍵還是一般共價(jià)鍵。

2.虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)均表示配位鍵

圖2 卟吩結(jié)構(gòu)

圖3 金屬卟啉骨架結(jié)構(gòu)

圖4 葉綠素結(jié)構(gòu)2

故此，圖1所示的2009年版人教版化學(xué)選修3第43頁(yè)卟啉配合物葉綠素的結(jié)構(gòu)中，N原子與Mg原子以虛線(xiàn)相連表示配位鍵，N原子與Mg原子以實(shí)線(xiàn)相連也表示配位鍵，該配位鍵同時(shí)也滿(mǎn)足電價(jià)，整個(gè)分子構(gòu)成中性分子內(nèi)配鹽。課本編寫(xiě)者的意思應(yīng)該是兩者成鍵情況不盡相同，用虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)以示區(qū)別，與圖4中用箭頭和沒(méi)有箭頭的短實(shí)線(xiàn)表示并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)然，圖4中N原子與Mg原子之間成鍵情況表達(dá)得更加規(guī)范和普遍。

2019年版化學(xué)選擇性必修2物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，已將葉綠素的結(jié)構(gòu)示意圖換成了圖5，教材的編寫(xiě)者可能是基于上述原因，為避免虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)帶來(lái)的爭(zhēng)論，N原子與Mg原子間統(tǒng)一用實(shí)線(xiàn)相連，既兼顧了學(xué)生的認(rèn)知水平，又與大學(xué)化學(xué)主流教材表達(dá)保持基本一致，更利于學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)和深造。

圖5 葉綠素結(jié)構(gòu)3

二、教學(xué)思考與啟示

1.重視配合物、配位鍵教學(xué)

自1798年法國(guó)化學(xué)家塔薩厄爾合成第一個(gè)配合物以來(lái)，目前已合成成千上萬(wàn)種配合物，配合物在化工生產(chǎn)、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。因此，讓學(xué)生了解配合物的相關(guān)知識(shí)能讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到化學(xué)對(duì)創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富、滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需求做出的重大貢獻(xiàn)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》)中關(guān)于配合物、配位鍵的要求如表1。

表1 《課程標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于配合物、配位鍵的要求

與《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》相比，《課程標(biāo)準(zhǔn)》適度強(qiáng)化了配合物的概念，還增設(shè)了學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)“簡(jiǎn)單配合物的制備”?；凇墩n程標(biāo)準(zhǔn)》命題的高考試題中關(guān)于配位鍵的考查如表2所示。

表2 2019年—2021年高考卷中關(guān)于配位鍵的考查

由表1、2的內(nèi)容可見(jiàn)，配位鍵與離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵等都是化學(xué)鍵的典型模型，是從微觀上認(rèn)識(shí)構(gòu)成物質(zhì)的微粒間相互作用的典型視角，高考試題中關(guān)于配合物、配位鍵的考查形式主要是：配位鍵名稱(chēng)、配位(鍵)數(shù)、配位原子、配合物的穩(wěn)定性等。因此，教學(xué)中適當(dāng)重視配合物、配位鍵的教學(xué)是很有必要的。

2.多角度認(rèn)識(shí)配位鍵

在教學(xué)中教師應(yīng)該教會(huì)學(xué)生從多角度認(rèn)識(shí)配位鍵，指導(dǎo)學(xué)生分析配位鍵時(shí)，可分析中心離(原)子的電負(fù)性、電荷及半徑，配原子的電負(fù)性及成鍵情況，還應(yīng)分析配體的結(jié)構(gòu)，如帶電情況、空間結(jié)構(gòu)等等。

例如(2021·湖北模擬·12節(jié)選)在堿性溶液中，Cu2+可以與縮二脲形成紫色配離子，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是

圖6 Cu2+的配離子

( )

B.該配離子中銅離子的配位數(shù)是4

3.審慎命制含配位鍵的試題