運(yùn)用證據(jù)推理 修正認(rèn)知模型
——例析共價(jià)鍵鍵長與鍵能關(guān)系

吉林 王永波

共價(jià)鍵參數(shù)是衡量分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要指標(biāo)，該部分內(nèi)容位于2019人教版教材選擇性必修《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第二章第一節(jié)——共價(jià)鍵，包括共價(jià)鍵的鍵能、鍵長和鍵角三部分。筆者結(jié)合自己的教學(xué)心得總結(jié)如下幾個(gè)問題并逐一進(jìn)行梳理，以利于共同進(jìn)步和提升。

教師在共價(jià)鍵參數(shù)的教學(xué)過程中通常會(huì)建立如下思維模型幫助學(xué)生構(gòu)建知識體系。

該思維模型闡述了鍵長、鍵能和鍵角對分子穩(wěn)定性和分子立體構(gòu)型的影響。具體說來，一般原子半徑越小，由該原子形成的共價(jià)鍵鍵長越短，鍵能越大，由該鍵形成的分子越穩(wěn)定，因而鍵長和鍵能決定分子穩(wěn)定性。鍵角是指分子中兩個(gè)共價(jià)鍵之間的夾角，鍵長和鍵角決定分子的立體構(gòu)型。因此鍵能、鍵長和鍵角共同決定分子的性質(zhì)，這也是物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的體現(xiàn)。

問題1：證據(jù)推理與模型認(rèn)知——共價(jià)鍵鍵能與鍵長關(guān)系

表1列舉部分化學(xué)鍵的鍵長和鍵能數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)共價(jià)鍵鍵能與鍵長的關(guān)系：一般來說，鍵長越短，鍵能越大，推測由該鍵形成的分子越穩(wěn)定。

表1 部分共價(jià)鍵鍵能和鍵長數(shù)據(jù)

運(yùn)用此規(guī)律可以解決化學(xué)中的很多問題：如N2與H2在常溫下很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須在高溫下才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)2與H2在冷暗處就能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是舊鍵斷裂和新鍵生成，說明斷開N≡N比斷開F—F鍵困難。鹵化氫的穩(wěn)定性按照氟氯溴碘的順序逐漸減弱，也可由鍵長越短、鍵能越大、鍵越牢固這一規(guī)律來解釋，由于原子半徑FHCl>HBr>HI。同族簡單氣態(tài)氫化物穩(wěn)定性的判斷可以應(yīng)用該思維模型。

問題2：鹵素單質(zhì)(X—X)鍵能與鍵長的比較

表2列舉了鹵素單質(zhì)(X—X)鍵能和鍵長數(shù)據(jù)，分析表中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)X—X鍵的鍵能不符合鍵長越短，鍵能越大的規(guī)律，數(shù)據(jù)表明較為特殊的是F2，難道是結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)這一規(guī)律不適用了嗎？不，這恰恰是結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的最好詮釋。在教學(xué)過程中教師要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這一矛盾，運(yùn)用原子結(jié)構(gòu)知識解釋其中的原因，引導(dǎo)學(xué)生通過討論能夠得出F—F鍵鍵能反常的原因：氟原子的半徑很小，因此其鍵長很短，正是由于鍵長短，兩氟原子形成共價(jià)鍵時(shí)，原子核之間的距離很近，排斥力很大，因此鍵能不大，F(xiàn)2的穩(wěn)定性差，很容易與其他物質(zhì)反應(yīng)，這也是F2極其活潑的原因。

表2 鹵素單質(zhì)(X—X)鍵能與鍵長數(shù)據(jù)

問題3：碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳三鍵鍵能與鍵長的比較

觀察表3數(shù)據(jù)可知碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳三鍵的鍵長逐漸減小，鍵能逐漸增大。根據(jù)鍵長越短，鍵能越大，由該鍵形成的分子越穩(wěn)定的原理，碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳三鍵的穩(wěn)定性應(yīng)該逐漸增大，而事實(shí)上乙烯和乙炔的化學(xué)性質(zhì)比乙烷活潑得多，難道這又違背了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律嗎？教師引導(dǎo)學(xué)生從碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳三鍵中共價(jià)鍵的成分進(jìn)行分析可知，碳碳單鍵為σ鍵，碳碳雙鍵一個(gè)是σ鍵、一個(gè)是π鍵，碳碳三鍵一個(gè)是σ鍵、兩個(gè)是π鍵，而σ鍵比π鍵穩(wěn)定性強(qiáng)，因此碳碳雙鍵和碳碳三鍵因π鍵的存在而容易發(fā)生加成反應(yīng)和氧化反應(yīng)。從表3數(shù)據(jù)來看，碳碳雙鍵的鍵能比碳碳單鍵鍵能的一倍大，比其二倍小，碳碳三鍵的鍵能也不等于碳碳單鍵和碳碳雙鍵鍵能之和，正是π鍵的鍵能比σ鍵的鍵能小而導(dǎo)致的。經(jīng)過這樣的分析，學(xué)生就會(huì)清楚地知道，不能把所有分子中鍵能按照從大到小排序，進(jìn)而確定分子穩(wěn)定性。

表3 碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳三鍵鍵能和鍵長數(shù)據(jù)

問題4：氮氮單鍵、氮氮雙鍵、氮氮三鍵鍵能的比較

分析表4數(shù)據(jù)可知氮氮單鍵、氮氮雙鍵、氮氮三鍵鍵能逐漸增大，且氮氮雙鍵的鍵能大于氮氮單鍵鍵能的二倍，氮氮三鍵的鍵能大于氮氮單鍵鍵能的三倍。這與碳碳鍵的鍵能關(guān)系相矛盾，而氮氮單鍵依然是σ鍵，氮氮雙鍵中一個(gè)是σ鍵、一個(gè)是π鍵，氮氮三鍵一個(gè)是σ鍵、兩個(gè)是π鍵。難道在氮氮雙鍵和氮氮三鍵中的π鍵比σ鍵更穩(wěn)定？顯然答案是肯定的。可這又是為什么呢？

表4 氮氮單鍵、氮氮雙鍵、氮氮三鍵的鍵能和鍵長數(shù)據(jù)

換個(gè)角度，我們還可以從分子軌道理論加以解釋。

在第二周期的8種元素中，只有O2和F2分子成鍵的2s和2p原子軌道能量差較大，不用考慮2s和2p原子軌道的相互作用，其分子軌道按圖1排列，此時(shí)，E(π2p)>E(σ2p)。其他雙原子分子如C2、N2等，由于其2s和2p原子軌道能量差小，當(dāng)原子相互靠近時(shí)，不僅會(huì)發(fā)生s—s重疊和p—p重疊，而且會(huì)發(fā)生s—p重疊，以至改變能級次序，如圖2所示，此時(shí)，E(π2p)

圖1 圖2

問題5：氧氧單鍵、氧氧雙鍵鍵能的比較

分析表5數(shù)據(jù)可知氧氧雙鍵的鍵長短、鍵能大，但氧氧雙鍵的鍵能大于氧氧單鍵鍵能的二倍。通過問題4的分析我們知道這種情況與氮氮單鍵、氮氮雙鍵、氮氮三鍵鍵能變化原理不同，氧氧單鍵是σ鍵，氧氧雙鍵中一個(gè)是σ鍵、一個(gè)是π鍵，如果不是氧氧雙鍵中的π鍵比σ鍵更穩(wěn)定，那又是為什么呢？

表5 氧氧單鍵、氧氧雙鍵的鍵長和鍵能數(shù)據(jù)

圖3

圖4

誠然，問題4和問題5已經(jīng)涉及大學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)容，在具體教學(xué)實(shí)施過程中，教師可視本校學(xué)生能力水平酌情處理，也可以引導(dǎo)學(xué)有余力的同學(xué)自行研究，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)及能力培養(yǎng)搭建平臺(tái)。

在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生初步建立思維模型，運(yùn)用客觀事實(shí)制造認(rèn)知沖突，自然能發(fā)現(xiàn)一些不符合一般思維模型的問題，在教學(xué)過程中教師不應(yīng)該回避這樣的問題，而是在引領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建思維模型的同時(shí)，提出可以深度思考的問題，引導(dǎo)學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)行小組討論或是項(xiàng)目研究，用已有知識解決問題，修正模型，以達(dá)到對知識深度理解的程度。這不僅是學(xué)習(xí)知識的一般過程，更是做學(xué)問和搞科研的思維過程。這樣的教學(xué)模式恰恰迎合高考命題主旨：注重服務(wù)選才，科學(xué)引導(dǎo)教學(xué)。早在2014年公布的《關(guān)于深化考試招生制度改革的實(shí)施意見》中，就明確規(guī)定了高考內(nèi)容改革的方向是“依據(jù)高校人才選拔要求和國家課程標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)計(jì)命題內(nèi)容，增強(qiáng)基礎(chǔ)性、綜合性，著重考查學(xué)生獨(dú)立思考和運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力?！边@一要求在近三年的高考試題中表現(xiàn)得尤為明顯。試題命制不再是單純檢驗(yàn)學(xué)生高中三年的學(xué)習(xí)成果，而是為選拔適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的高素質(zhì)、高質(zhì)量人才服務(wù)。當(dāng)考題越接近生活，越有深度有難度，就會(huì)有一批實(shí)力強(qiáng)，知識儲(chǔ)備頗多的人才被選出，有利于社會(huì)的發(fā)展。在教學(xué)過程中教師要適當(dāng)挖掘源于教材卻高于教材的知識，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，具備這種能力的同學(xué)可以游刃有余地駕馭高考試題。