模型認知與推理視角下的“最簡單的有機物—甲烷”教學

張莉軍

摘要：選取人教版高中化學必修Ⅱ中的“最簡單的有機化合物—甲烷”，以甲烷結(jié)構(gòu)特點及取代反應(yīng)為載體，培養(yǎng)模型認知與推理素養(yǎng)，通過教學實踐活動，不斷研究與探索、提煉與總結(jié)，以期潛移默化地影響學生。

關(guān)鍵詞：模型認知與推理;邏輯關(guān)系;取代反應(yīng)

1 教材分析

以甲烷為例學習碳原子的成鍵特點，為學習乙烯、乙炔、苯微觀結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ);學習認識有機物的一般方法和思路，為學習官能團、碳原子飽和性和化學鍵的極性與有機物性質(zhì)的關(guān)系規(guī)律作準備;知道一定條件下有機化合物之間可以相互轉(zhuǎn)化。其中，學業(yè)水平要求能概括常見的有機化合物中碳原子的成鍵類型，能描述甲烷、乙烯、乙炔的分子結(jié)構(gòu)特征，能搭建甲烷和乙烷的立體模型?！按罱ㄇ蚬髂Ｐ?，認識有機化合物分子結(jié)構(gòu)的特點”是新課標要求的必修階段9個學生必做的實驗之一。所以，甲烷學習是開啟有機物學習的大門，讓學生知道宏觀現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、學習結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系[1]。

2 學情調(diào)查

認知瓶頸：學習“甲烷的結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”規(guī)律時，由于學生對“結(jié)構(gòu)具有空間構(gòu)型”了解太少，難以理解甲烷等烷烴分子的空間立體構(gòu)型，進而難以理解抽象的取代反應(yīng)—甲烷與氯氣反應(yīng)原理。

3 過程闡釋

具體模型推理操作步驟：

（1）根據(jù)所知與所見物質(zhì)的組成、變化和結(jié)構(gòu)提出假設(shè)，培養(yǎng)學生的證據(jù)意識。（2）通過觀察、實驗和分析對假設(shè)進行證實與證偽。（3）探索預(yù)測、證據(jù)、邏輯推理、結(jié)論之間的關(guān)系，建立模型。（4）運用模型解釋某些化學現(xiàn)象，解決實際問題。（5）完善并修改模型，拓寬解決問題的范圍。 3.1 環(huán)節(jié)1—新知熱身

根據(jù)所知與所見物質(zhì)的組成、變化和結(jié)構(gòu)提出假設(shè)，培養(yǎng)學生的證據(jù)意識。

引入課題：在日常生活中，甲烷廣泛存在，比如家用燃料的變遷和西氣東輸工程的實施。

提出問題：天然氣作為燃料，體現(xiàn)了甲烷的哪些性質(zhì)？能否寫出相關(guān)的方程式？天然氣通過管道從西部運送到東部，長達幾千米，體現(xiàn)了天然氣的什么性質(zhì)？如何用實驗驗證甲烷在常溫常壓下的性質(zhì)？選擇什么試劑來驗證？

設(shè)計意圖：使學生完成學習新知識前的熱身，并從生活情境出發(fā)認識甲烷。根據(jù)所知與所見物質(zhì)的組成、變化和結(jié)構(gòu)，學生不難提出假設(shè)：甲烷性質(zhì)穩(wěn)定，猜想甲烷可能與酸、氧氣、高錳酸鉀等物質(zhì)反應(yīng)，并設(shè)計實驗驗證甲烷的穩(wěn)定性。

3.2 環(huán)節(jié)2—感受甲烷的穩(wěn)定性

通過觀察、實驗和分析對假設(shè)進行證實與證偽?；顒犹骄浚杭淄槭欠衽c高錳酸鉀反應(yīng)？

實驗：將甲烷氣體抽入小針筒內(nèi)，在點滴板上滴入幾滴酸性高錳酸鉀溶液，然后將溶液抽入針筒，并將塞子塞上，輕輕晃動，觀察實驗現(xiàn)象（見圖1）。

設(shè)計意圖：學生猜想甲烷可能與強酸、強堿、強氧化劑反應(yīng)，所以選用高錳酸鉀作為代表物與甲烷反應(yīng)。若無現(xiàn)象產(chǎn)生，則與學生的實驗預(yù)測沖突，更能讓學生體會到甲烷的穩(wěn)定性，也為下節(jié)課討論乙烯的穩(wěn)定性作鋪墊。當無法得知更多甲烷的性質(zhì)時，采用宏觀與微觀相結(jié)合的思路，先學習甲烷的結(jié)構(gòu)，體會有機物學習的一般思路：通過碳骨架和價鍵理論確定有機物的空間結(jié)構(gòu)，官能團和碳原子的飽和性、化學鍵的極性對有機物的性質(zhì)具有決定作用[2]。

3.3 環(huán)節(jié)3—推理甲烷的取代反應(yīng)

探索預(yù)測、證據(jù)、邏輯推理、結(jié)論之間的關(guān)系，建立模型。

根據(jù)日常生活經(jīng)驗和初三已學知識，提出：甲烷既然可以和氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，也可能與氧化性更強的氯氣發(fā)生反應(yīng)（見圖2），設(shè)計實驗證實和證偽（見圖3）。注意反應(yīng)條件，觀察實驗現(xiàn)象，設(shè)計實驗驗證甲烷與氯氣的反應(yīng)條件并解釋相應(yīng)的實驗現(xiàn)象，猜測生成物。

“甲烷是否與氯氣反應(yīng)”實驗無明顯現(xiàn)象，“甲烷是否與氯氣反應(yīng)”對比實驗中黃綠色消失、管壁有油狀液滴、管內(nèi)產(chǎn)生白霧且液面上升、試紙變紅。關(guān)注實驗條件，根據(jù)元素守恒定律預(yù)測氯化氫的產(chǎn)生;對于管內(nèi)產(chǎn)生的白霧和油滴，根據(jù)老師提供的知識鏈接可知，有一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。

提出新的問題：甲烷與氯氣的反應(yīng)是什么類型？為什么產(chǎn)物有多種？

3.4 環(huán)節(jié)4—尋找甲烷的結(jié)構(gòu)模型，解釋甲烷與氯氣的反應(yīng)原理

活動探究一：寫出甲烷的電子式并拼插甲烷分子的球棍模型。

溫馨提示：（1）4個C—H鍵長度、強度相同;（2）H與C 之間的夾角相等;（3）二氯甲烷只有1種結(jié)構(gòu)。

第一步：讓學生根據(jù)前面所學的知識試寫出甲烷的分子式、電子式和結(jié)構(gòu)式，并提出問題：碳原子是以何種方式與氫原子結(jié)合的？學生回答：因為碳原子最外層有4個電子，所以要關(guān)注碳四價并且4個碳氫鍵都是相同的。接著讓學生用橡皮泥做的小球和小棍搭建甲烷模型，有的學生認為是平面型，碳氫鍵之間的夾角為90°;有的學生搭出了立體構(gòu)型。但是，學生無法確定哪一種是甲烷的真實模型。此時，教師將4個大小相同的氣球扎在一起，往空中一拋再一接，重復2～3次，發(fā)現(xiàn)氣球自發(fā)地排列成正四面體的空間狀態(tài)，學生立即明白了甲烷的4個碳氫鍵是以正四面體構(gòu)型均勻分布在碳原子周圍空間的，這樣斥力最小、能量最低、最穩(wěn)定。設(shè)計思路：提出猜想、證實或證偽、修改假設(shè)、修改甲烷分子模型。

19世紀初，許多科學家也認為甲烷是平面正方形，發(fā)現(xiàn)用這一模型無法解釋許多實驗事實。后來，第一屆諾貝爾化學獎獲得者—荷蘭化學家范霍夫提出了甲烷的正四面體構(gòu)型，才解開了甲烷分子結(jié)構(gòu)之謎，這也標志著立體化學的誕生。

運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

第二步：從有機物分子結(jié)構(gòu)模型的3個方面：碳四價、化學鍵、空間構(gòu)型進行描述，完成以下活動。

活動探究二：

Cl2+CH4=CH3Cl+HCl（反應(yīng)條件為光照）（1）

（1）用球棍模型模擬化學鍵的斷裂與形成過程。

（2）對比反應(yīng)前后有機物分子結(jié)構(gòu)的變化。

得出結(jié)論：有機物分子中的某些原子或原子團被其他原子或原子團替代的反應(yīng)叫取代反應(yīng)。

設(shè)計意圖：使學生發(fā)現(xiàn)甲烷反應(yīng)前后在結(jié)構(gòu)方面的變化：保持碳四價、空間構(gòu)型，部分化學鍵改變。這種局部替換就是取代反應(yīng)，如式（2）～（5）所示，反應(yīng)條件均為光照。

Cl2+CH4=CH3Cl+HCl???????????????????????????? （2）

CH3Cl+Cl2=CH2Cl2+HCl?????????????????????????? （3）

CH2Cl2+Cl2=CHCl3+HCl?????????? ??????????????? （4）

CHCl3+Cl2=CCl4+HCl???????????????????????????? （5）

4 教學反思

總結(jié)反思本節(jié)課的教學流程。

4.1 認知發(fā)展線

提出假設(shè)：甲烷具有穩(wěn)定性—設(shè)計實驗驗證—證據(jù)推理甲烷的性質(zhì)—類比提出新的問題：能否與氯氣反應(yīng)—應(yīng)用碳四價模型推理得出甲烷取代反應(yīng)的定義[3]。? 4.2 學生活動線

活動1：設(shè)計并驗證甲烷能否與高錳酸鉀反應(yīng)。

活動2：對比甲烷與氯氣的反應(yīng)條件，進行實驗推理?；顒?：用球棍搭建甲烷的空間結(jié)構(gòu)模型。

活動4：推理甲烷與氯氣反應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化，得出取代反應(yīng)的定義。

4.3 知識邏輯線

甲烷的穩(wěn)定性—甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)特點—取代反應(yīng)的三重表征。

4.4 化學核心素養(yǎng)

宏觀辨識與微觀探析—寫出甲烷的分子式與結(jié)構(gòu)式。

變化觀念與平衡思想—得出取代反應(yīng)的概念、反應(yīng)條件及其變化過程。

證據(jù)推理與模型認知—了解甲烷的空間結(jié)構(gòu)，通過建立模型、完善模型，提高動手能力，體會物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系。

采用上述培養(yǎng)思路，大大提高了課堂的有效性，在潛移默化中培養(yǎng)了學生宏觀與微觀相結(jié)合、證據(jù)推理與模型認知等科學素養(yǎng)。

[參考文獻]

[1]趙瀏，高修庫.基于化學核心素養(yǎng)發(fā)展的教學設(shè)計—以“有機化合物的結(jié)構(gòu)特點”教學為例[J ].中學化學教學參考，2018（19）：21-23.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]樓文暇，趙雷洪.新課標視野下高中化學教學設(shè)計的探索—以“甲烷”為例[J].化學教學，2018（10）：60-64.