碳元素教學(xué)中化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)之宏微關(guān)聯(lián)與變化平衡思想*

袁 焜，陳冬梅，崔雅琴，劉艷芝

(天水師范學(xué)院化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001)

碳元素是自然界中最常見(jiàn)的非金屬元素，它不僅是有機(jī)化合物分子的主要組成元素和主體骨架元素，也是生命的重要組成物質(zhì)，且碳元素與生命的起源密切相關(guān)，在恒星演化過(guò)程中，碳元素是氦元素發(fā)生聚變的產(chǎn)物，廣泛存在于宇宙之中，所以碳元素成為了生命的基礎(chǔ)元素?？梢哉f(shuō)沒(méi)有碳元素，就沒(méi)有地球上的生命體。當(dāng)碳元素作為單質(zhì)存在時(shí)，它具有多種同素異形體。因此，碳元素被譽(yù)為自然界中最為神奇的物質(zhì)之一。對(duì)化學(xué)物質(zhì)和分子的認(rèn)識(shí)，碳元素及其構(gòu)成的物質(zhì)分子是無(wú)法繞開(kāi)的內(nèi)容之一，其實(shí)在中學(xué)化學(xué)和大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)課程中就編入了碳的同素異形體相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

有關(guān)碳元素的知識(shí)體系還在不斷的發(fā)展和豐富中，未來(lái)一定會(huì)有新形式的碳物質(zhì)與分子不斷被發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，對(duì)這些新的碳物質(zhì)的研究也必將帶來(lái)相關(guān)化學(xué)與分子科學(xué)理論的發(fā)展。其實(shí)，人類(lèi)對(duì)碳元素及其材料與分子的不斷深入研究和理解的過(guò)程，基本可以完美體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的各個(gè)方面。目前，化學(xué)教育界公認(rèn)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的具體內(nèi)容應(yīng)該包括證據(jù)推理與模型認(rèn)知、宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任、科學(xué)探究與創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí)等5個(gè)方面(圖1)[1]。作為中學(xué)化學(xué)教育工作者，在教學(xué)中要善于通過(guò)化學(xué)與物質(zhì)元素知識(shí)的教學(xué)內(nèi)容為載體，潛移默化、潤(rùn)物無(wú)聲的去培養(yǎng)初學(xué)化學(xué)的中學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，碳元素恰好可以作為這種學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的理想載體。本文將通過(guò)對(duì)金剛石與石墨的宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)聯(lián)的討論，以闡釋化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的宏觀辨識(shí)與微觀探析；此外，通過(guò)對(duì)石墨烯在高壓這一極端物理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)化為鉆石烯這一新穎碳納米結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)過(guò)程特征及化學(xué)史的剖析，以闡釋化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的變化觀念與平衡思想，以期為教師培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)具有啟發(fā)和指導(dǎo)價(jià)值。

圖1 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)組成

1 碳元素與宏微關(guān)聯(lián)及變化平衡思想學(xué)科素養(yǎng)

1.1 宏觀辨識(shí)與微觀探析

碳的同素異形體，有的晶瑩剔透、有的則完全吸收可見(jiàn)光，有的堅(jiān)硬、有的柔韌，它們從宏觀上表現(xiàn)出巨大的差異，具有顯著地感官可辨識(shí)性。當(dāng)然，也有其中的一些碳的同素異形體，宏觀上很難通過(guò)人的感官去辨識(shí)，比如納米金剛石和碳量子點(diǎn)、富勒烯和碳納米管等。生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，宏觀上可顯著辨識(shí)的物質(zhì)，必然在微觀結(jié)構(gòu)上具有顯著的差異；宏觀上不可顯著辨識(shí)的物質(zhì)，在微觀結(jié)構(gòu)與組成上也極有可能存在本質(zhì)的不同。但是，經(jīng)驗(yàn)永遠(yuǎn)無(wú)法代替科學(xué)的微觀探析。宏觀辨識(shí)與微觀探析的學(xué)科素養(yǎng)就是要求化學(xué)學(xué)習(xí)者能通過(guò)識(shí)察一定條件下物質(zhì)的外在變化的宏觀現(xiàn)象，掌握物質(zhì)及其變化的類(lèi)別，從微觀層面理解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

我們知道，金剛石和石墨是最早被發(fā)現(xiàn)和使用的兩種碳的同素異形體。金剛石“璀璨奪目，受人青睞”，而石墨則“漆黑一片，默默無(wú)聞”，如果沒(méi)有化學(xué)科學(xué)家的微觀探析，人們或許無(wú)從得知這兩種物質(zhì)具有共同的本源。 1772年，化學(xué)之父拉瓦錫在空氣中用凸透鏡聚光加熱金剛石至火紅，象征永恒的寶石之王金剛石竟然消失得無(wú)影無(wú)蹤，并證明產(chǎn)生了無(wú)色無(wú)味的二氧化碳?xì)怏w(圖2)[2]，而換做其他寶石，無(wú)論是紅寶石或藍(lán)寶石都能耐高溫，完全不會(huì)有宏觀的變化。鉆石之王似乎有著致命弱點(diǎn)。宏觀上的感官可及之處，或許也是微觀探析的驅(qū)動(dòng)力。拉瓦錫又在真空中加熱鉆石，鉆石依然不耐高溫，但這回沒(méi)有消失，而是變成了黑乎乎的一小堆石墨。從而說(shuō)明金剛石與石墨同屬于碳元素的同素異形體。此后化學(xué)家長(zhǎng)期認(rèn)為，碳的同素異形體包括金剛石、石墨和無(wú)定形碳3 種。然而，正是宏觀辨識(shí)與微觀探析的素養(yǎng)和精神，并沒(méi)有使得人類(lèi)把對(duì)碳元素的認(rèn)識(shí)僅僅停留在金剛石、石墨和無(wú)定形碳這三種碳的同素異形體上。拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)幾乎不需要復(fù)雜的儀器和設(shè)備，就做到了科學(xué)的微觀探析，充分展現(xiàn)了科學(xué)思想的重要與實(shí)驗(yàn)的巧妙，其實(shí)驗(yàn)結(jié)論也足以顛覆當(dāng)時(shí)人們的常規(guī)認(rèn)識(shí)。時(shí)至今日，拉瓦錫的這個(gè)實(shí)驗(yàn)和他的微觀探究的思想依然價(jià)值不滅，如“寶石之永恒”。也許拉瓦錫燒掉的兩顆鉆石“價(jià)值連城”，但從實(shí)驗(yàn)中貢獻(xiàn)給人類(lèi)的知識(shí)“永恒閃耀”，這是追求科學(xué)真理的精神，也是化學(xué)核心素養(yǎng)的力量。

圖2 金剛石與石墨的宏觀外在辨識(shí)與微觀組成元素探析

1.2 變化觀念與平衡思想

變化與平衡是自然規(guī)律核心思想的重要特征，化學(xué)學(xué)科與科學(xué)研究尤可體現(xiàn)這一特征。接受化學(xué)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)的化學(xué)教育，就要求學(xué)生能認(rèn)識(shí)到物質(zhì)在一定的條件下是不斷運(yùn)動(dòng)變化的，物質(zhì)的化學(xué)變化由內(nèi)因和外因共同驅(qū)動(dòng)，量變和質(zhì)變相互伴生；能從不同角度對(duì)復(fù)雜的化學(xué)變化及其特征與規(guī)律進(jìn)行分類(lèi)研究；能用對(duì)立統(tǒng)一、聯(lián)系發(fā)展和動(dòng)態(tài)平衡的觀點(diǎn)剖析和預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)與變化規(guī)律。

物理化學(xué)理論告訴我們，298.15 K 下，石墨的吉布斯自由能為 -1.71 kJ/mol，而金剛石的為 1.19 kJ/mol，所以石墨比金剛石更穩(wěn)定，理論上講，金剛石是有可能自發(fā)的轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，但是這個(gè)轉(zhuǎn)變達(dá)到平衡所需要的時(shí)間是目前人類(lèi)文明難以企及的量級(jí)。雖然石墨比金剛石穩(wěn)定，但是由石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的反應(yīng)焓變并不大(約 40 kJ/mol)，似乎這種轉(zhuǎn)變較容易進(jìn)行。然而，這種轉(zhuǎn)變所需的活化能非常高，一般的轉(zhuǎn)化方法難以達(dá)到超高的活化能。但是如果使用催化的方法，這種轉(zhuǎn)變就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。十八世紀(jì)后期，人們開(kāi)始尋找石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的途徑，直至上世紀(jì)中葉，羅西尼通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算[3]，奠定了合成金剛石的理論基礎(chǔ)，要使石墨變成金剛石，至少需要1.5×104個(gè)大氣壓和 1500 ℃ 的高溫物理環(huán)境。二十世紀(jì)50～60年代，能產(chǎn)生上述條件的儀器裝置得以建成。石墨在5～6萬(wàn)大氣壓(5～6×103MPa)及攝氏1000至2000度高溫下，同時(shí)用第Ⅷ族金屬Fe、Co、Ni或副族金屬Cr、Mn、Ta等做催化劑[4]，可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。目前世界上已有包括中國(guó)在內(nèi)十幾個(gè)國(guó)家人工合成出了金剛石，但人造金剛石的顆粒的“長(zhǎng)大”技術(shù)還有待發(fā)展。

石墨不但可以轉(zhuǎn)化為金剛石，它還可以轉(zhuǎn)變?yōu)?D鉆石(鉆石烯，金剛烯，2D金剛石)。我們知道，石墨烯是一種只有一個(gè)碳原子厚度的二維薄膜。長(zhǎng)期以來(lái)，材料與物理化學(xué)家們?cè)诓粩鄧L試用碳原子做出類(lèi)似的2D鉆石薄膜[5]。巴西米納斯吉拉斯聯(lián)邦大學(xué)的物理學(xué)家 L.G.Cancado 等[6]將兩片石墨烯片置于數(shù)萬(wàn)倍地球標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境下壓縮，其晶體結(jié)構(gòu)便會(huì)從石墨變成鉆石烯。在高壓作用下，通過(guò)水中的氫原子(藍(lán))和氧原子(紅)將壓力傳導(dǎo)到石墨烯上，兩片石墨烯合并成了一片鉆石烯(圖3)。莫斯科國(guó)家科學(xué)技術(shù)大學(xué)的理論物理學(xué)家P.Sorokin 表示，“這是目前世界上最薄的鉆石。鉆石一直以它的堅(jiān)硬之極和難以改變而聞名，但現(xiàn)在我們終于可以在納米領(lǐng)域運(yùn)用鉆石的各種驚人的屬性了”。由于其磁性，2D鉆石烯可能會(huì)在自旋電子領(lǐng)域派上用場(chǎng)，真可謂“不壓不成材”。這種一定條件下碳素物質(zhì)的轉(zhuǎn)化是化學(xué)中的普遍規(guī)律，更是化學(xué)學(xué)科思想與核心素養(yǎng)最重要的方面。

圖3 石墨烯在高壓下合并成2D鉆石

2 總結(jié)

有關(guān)碳元素的知識(shí)體系還在不斷的發(fā)展和豐富中，未來(lái)一定會(huì)有新形式的碳物質(zhì)與分子不斷被發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，對(duì)這些新的碳物質(zhì)的研究也必將帶來(lái)相關(guān)化學(xué)與分子科學(xué)理論的發(fā)展。其實(shí)，人類(lèi)對(duì)碳元素及其材料與分子的不斷深入研究和理解的過(guò)程，基本可以完美體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的各個(gè)方面。本文通過(guò)對(duì)金剛石與石墨的宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)聯(lián)的討論，闡釋了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的宏觀辨識(shí)與微觀探析；通過(guò)對(duì)石墨烯在極端物理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)化為鉆石烯的物理化學(xué)過(guò)程特征及化學(xué)史的剖析，剖析了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的變化觀念與平衡思想，以期為教師在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)提供啟發(fā)和指導(dǎo)價(jià)值。