基于科學探究思維發(fā)展的配合物教學實踐
——以“配位鍵和配合物”為例

韓建豐 高凌蕊

北京市廣渠門中學(100062) 北京市首都師范大學第二附屬中學(100037)

1 教學主題及思路

1.1 以實驗探究為教學抓手

Sidgwick和Pauling共同提出配位共價鍵模型,形成了以中心離子(原子)提供軌道而配位體提供孤電子對為核心的配合物價鍵理論[1],在此之后,化學家對配合物的探索從未止步。配位化合物是一類有特征化學結(jié)構(gòu)的化合物,該部分教學內(nèi)容豐富,難點頗多,如中心離子雜化、強弱配體、同分異構(gòu)體、晶體場理論等,但高中化學課程安排1～2課時很難觸及高位理論。因配合物的組成復雜、應(yīng)用廣泛且在現(xiàn)代化學的各個領(lǐng)域都有涉及,我國高中階段化學課程非常重視其為學生發(fā)展科學探究思維的價值,將“配位鍵和配合物”放置于“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊進行學習。

實驗教學中應(yīng)對課本探究實驗素材進行整合與拓展,將知識的發(fā)現(xiàn)和研究融入科學探究實驗中,減少“視頻播實驗”“黑板畫實驗”“耳朵聽實驗”“考前背實驗”,著力于發(fā)展學生科學探究思維,結(jié)合配合物核心概念開發(fā)實驗探究情境,讓學生感受“提出問題→作出猜想→設(shè)計方案→得出結(jié)論→反思評價”的科學研究過程,引導學生多問自己“怎樣做”“為何這樣做”“還可如何做”,切實提升學生學習效率,提升化學學科核心素養(yǎng)。

1.2 將知識能力和方法融入實驗探究過程

高中化學課程目標之一是學生能形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),性質(zhì)決定應(yīng)用”的觀念,能根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)預測物質(zhì)在特定條件下可能具有的性質(zhì)和發(fā)生的變化,并能解釋其原因。化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展依托于真實問題情境,體驗探究實驗過程是學生形成必備知識、關(guān)鍵能力和正確價值觀的重要途徑。

化學學科核心素養(yǎng)中的“科學探究與創(chuàng)新意識”著重在實踐中激發(fā)學生深度學習,以“溶液中銅離子”顯藍色的質(zhì)疑探究→“濃氯化銅溶液顯綠色”的對比探究→“銅氨離子”發(fā)現(xiàn)探究→“四水合銅離子與四氨合銅離子穩(wěn)定性”分析探究→“CO中毒”原理分析等層層推進的探究實驗和科學嚴謹?shù)耐评碚撟C,助力學生掌握配位鍵和配合物核心概念,建構(gòu)配合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)聯(lián)認知,實現(xiàn)宏微結(jié)合和定性定量結(jié)合的系統(tǒng)化知識結(jié)構(gòu)[2]。

1.3 學習目標

①能從中心離子(原子)與配體的空間排布及其相互作用(配位鍵)角度對生產(chǎn)、生活、科學研究中的配合物應(yīng)用案例進行分析和解釋,認識配合物對社會發(fā)展和科技進步的巨大作用,形成社會責任感;②能用結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、化學平衡等重要化學觀念多角度認識化學反應(yīng),預測配合物可能發(fā)生的化學變化,發(fā)展對化學學科本質(zhì)的認識,具有證據(jù)推理與模型認知的科學思維;③能發(fā)現(xiàn)和提出具有探究價值的問題,能依據(jù)探究目的設(shè)計并優(yōu)化實驗方案,較好地完成實驗操作并推理得出實驗結(jié)論,形成獨立思考、敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的科學精神。

1.4 教學結(jié)構(gòu)

“配位鍵和配合物”一課時細化為5個環(huán)節(jié),教學結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 教學結(jié)構(gòu)圖

1.5 教學預備

教師準備:依據(jù)教學需要,預設(shè)學生可能得出的實驗設(shè)計,提前準備好探究實驗需要用到的化學藥品與器材,見表1。

表1 探究實驗所需藥品及器材

學生準備:4人一組。設(shè)置組長1人,負責組織實驗探究活動;發(fā)言人1人,負責本組實驗現(xiàn)象及結(jié)論的匯報總結(jié);設(shè)計師1人,負責本組實驗設(shè)計規(guī)劃;實踐者1人,負責組內(nèi)探究實驗分工安排與過程中的協(xié)調(diào)。

信息化設(shè)備準備:每組1臺iPad(具備查詢資料與制作海報能力)。

2 教學實錄

2.1 初探藍色之謎

教師:請回憶硫酸銅溶液和硫酸銅固體的顏色。

學生:在高一階段學習硫及其化合物濃硫酸時完成了“銅和濃硫酸反應(yīng)”實驗,觀察到產(chǎn)生白色固體,預測為無水硫酸銅,檢驗方法為將反應(yīng)后混合體系緩慢加入裝有水的燒杯中并不斷攪拌,現(xiàn)象為白色固體溶解,溶液變?yōu)樗{色。

探究1:硫酸銅溶液是同學們非常熟悉的物質(zhì),它呈現(xiàn)漂亮的天藍色,可是無水硫酸銅固體又為白色。

學生:小組內(nèi)依據(jù)教師提供的藥品設(shè)計探究實驗思路。提出假設(shè):銅離子顯色或硫酸根顯色。

明確思路:結(jié)合控制變量和空白對照實驗思想,確定實驗流程后開展班級內(nèi)匯報交流。

教師:組織交流,歸納整理出合理實驗設(shè)計,確定探究實驗1最終方案,見圖2。

圖2 探究實驗1設(shè)計

學生實踐1:完成探究并依據(jù)實驗證據(jù)推理得到初步實驗結(jié)論。實驗匯報整合:試管1和2對比,試管1溶液為無色、試管2溶液為藍色,排除硫酸根使溶液變藍的可能;試管2和3對比,發(fā)現(xiàn)試管2和3溶液均為藍色,說明銅離子是硫酸銅溶液顯藍色的原因。但留有疑問,試管4溶液為綠色,說明氯離子參與了顏色的呈現(xiàn)。

學生:提出疑問:固體中的銅離子不會顯藍色,而溶液中的銅離子會顯藍色,說明銅離子和水分子一定有相互作用,到底是什么呢?

2.2 配位鍵的理解

教師:請推測銅離子和水分子如何成鍵。這種鍵是一種“特殊”的共價鍵,可以結(jié)合共價鍵概念進行思考。

學生:共價鍵的本質(zhì)是共用電子對作用力,其中“共用電子對是關(guān)鍵”,由此可推測水分子單獨提供自己的孤電子對作為“共用電子對”填入銅離子的空軌道中。

教師:這種“電子對給予(配體)→電子對接受(中心離子或原子)”的特殊共價鍵即為共價鍵,我們得到的藍色溶液即為銅離子和水分子形成的配合物:硫酸四水合銅(II)。

探究2:在探究1的試管4中我們觀察到了“綠色”,說明溶液中不只為四水合銅(II)配離子。請設(shè)計實驗證明還有其他配離子的存在,并解釋溶液顯綠色的原因。

學生:氯離子可以確定參與了新的配合物的生成,怎么證明呢?因銅離子為中心離子,氯離子為配體,那需要關(guān)注氯離子濃度,增加新配合物的量。

教師:各小組匯報,整理提出的可能性假設(shè)和初步方案,和學生共同確定探究實驗2設(shè)計,見圖3。

圖3 探究實驗2設(shè)計

學生實踐2:完成實驗后記錄實驗現(xiàn)象,得出初步實驗結(jié)論。試管1和2對比,試管2中氯化銅濃度升高,綠色逐漸變黃,說明新配合物與銅離子或氯離子濃度升高有關(guān)。試管3和4對比,試管3溶液由綠色轉(zhuǎn)向藍色,試管4溶液顏色由綠色轉(zhuǎn)向黃色,說明藍色的四水合銅(II)離子仍舊存在,且能夠隨著氯離子濃度升高生成了新配離子,配體為氯離子。

教師:配合物的形成中同樣存在化學平衡。顏色轉(zhuǎn)化是否存在配合物的轉(zhuǎn)化呢?試著用平衡原理解釋顏色的轉(zhuǎn)化。

學生:小組討論探究2實驗結(jié)果,見圖4。綠色是藍色和黃色的混合色,氯離子濃度降低,平衡逆向移動,反之平衡正向移動。

圖4 探究2實驗結(jié)果

學生:提出疑問,結(jié)合化學平衡原理分析實驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)四氯合銅(II)配離子穩(wěn)定性強于四水合銅(II)配離子,配合物的穩(wěn)定性又是由什么決定的呢?如何預測與分析呢?

2.3 再探藍色之謎

教師:配合物穩(wěn)定性可以從配位鍵的形成入手,配原子的孤電子對更易給出的更易形成穩(wěn)定配合物。

探究3:請結(jié)合“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊相關(guān)知識預測、設(shè)計、解釋四氨合銅(II)離子穩(wěn)定性強于四水合銅(II)離子。

學生:分析實驗目的可知,需要設(shè)計實驗使四水合銅(II)離子通過化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化為四氨合銅(II)離子,根據(jù)提供的藥品可以設(shè)計向硫酸銅溶液中加入氨水觀察實驗現(xiàn)象獲取證據(jù)。

學生實踐3:小組協(xié)作完成實驗,解釋探究3實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,結(jié)果見圖5。

圖5 探究3實驗結(jié)果

由實驗現(xiàn)象分析,四水合銅離子的穩(wěn)定性小于氫氧化銅,氫氧化銅穩(wěn)定性小于四氨合銅離子。原理解釋:電負性O(shè)大于N,故給出電子對能力O小于N,形成配位鍵的強度O小于N,四氨合銅離子穩(wěn)定性強于四水合銅離子。

學生:從以上實驗中知道了配離子穩(wěn)定性有差別,但整個配離子穩(wěn)定性普遍較好。溶液中除配離子肯定還存在其他離子,整體形成了配合物。配合物有什么性質(zhì)呢?

2.4 配合物的認知

教師:配合物從結(jié)構(gòu)上可以分為內(nèi)界和外界,內(nèi)界的中心離子與配體以配位鍵連接,因配離子穩(wěn)定性較高很難發(fā)生反應(yīng),而外界離子是能夠電離的。

探究4:向探究3中得到的深藍色溶液加入95 %乙醇,會有什么現(xiàn)象?我們得到了什么物質(zhì),請設(shè)計實驗證明。

學生:依據(jù)物質(zhì)性質(zhì)進行預測:乙醇因存在—C2H5為誘導效應(yīng)推電子基團,導致O—H鍵的極性減小,乙醇分子極性小于水分子。加入乙醇后溶液體系的極性降低,溶解在水中的物質(zhì)溶解度下降會析出晶體,故推測晶體為 [Cu(NH3)4](OH)2或[Cu(NH3)4]SO4。要證明是哪一種物質(zhì),可借助硫酸根的檢驗方法。證明氨氣作為配體是否通過配位鍵與銅離子穩(wěn)定配合,可借助氨氣的檢驗方法。

教師:歸納各小組實驗思路,組織學生開展探究。

學生實踐4:將95%乙醇加入到含有四氨合銅配離子溶液中,析出藍色沉淀。過濾,取少量深藍色晶體于試管中,加水溶解溶液為深藍色,先加入鹽酸酸化再加入氯化鋇溶液,產(chǎn)生白色沉淀。從而確定深藍色晶體是[Cu(NH3)4]SO4,且能夠電離出硫酸根離子。同時另取少量深藍色晶體,加水溶解后加熱,在試管口處放置濕潤的紅色石蕊試紙,不變藍,證明氨氣和銅離子配合較好,配離子整體比較穩(wěn)定。

教師:配合物分為內(nèi)界和外界,配合物電離時生成配離子和外界離子。配離子中含有提供空軌道的中心離子、提供孤電子對的配體,兩者通過配位鍵結(jié)合較為穩(wěn)定。

教師:探究4實驗結(jié)果見圖6。

圖6 探究4實驗結(jié)果

學生:通過探究學習了解到配位鍵和配合物的相關(guān)知識,感覺很有趣。配合物知識在化工生產(chǎn)和生活中有哪些實際應(yīng)用呢?

2.5 解決實際問題

教師:配合物應(yīng)用廣泛,在生命體中也有很多應(yīng)用實例。例如,我們在初三化學中學習過CO中毒的相關(guān)知識,請小組協(xié)作制作一張相關(guān)海報。

學生:課內(nèi)查詢資料,結(jié)合血紅蛋白輸送氧氣確定血紅素與氧氣也是配合物。再結(jié)合探究3的結(jié)論發(fā)現(xiàn)一氧化碳做配體時碳原子電負性小,比氧原子更易給出孤電子對。因而CO濃度達到一定閾值時會替代氧氣與血紅素中心的Fe2+結(jié)合,導致中毒。

學生:小組內(nèi)利用iPad制作海報說明CO中毒原理,班級內(nèi)展示交流。學生匯報要素見圖7。

圖7 學生匯報要素

教師:至此,我們在探究中完成了配位鍵和配合物關(guān)鍵問題的學習,希望同學們逐步提升科學探究能力,在未來的學習中提出更多的問題,并去研究、解決它們,為個人成長和科技、社會的發(fā)展貢獻力量。有關(guān)配合物的高位理論知識還有很多,感興趣的同學可以繼續(xù)開展學習與研究。

3 反思提升

3.1 延續(xù)科學發(fā)展典范,讓科學探究推動深度學習

化學史乃至科學史上有很多以科學探究為動力的科學發(fā)展范例,例如“原子結(jié)構(gòu)”模型,探究實驗如“陰極射線”“α粒子散射實驗”“原子光譜”等大力推動了科學發(fā)展。可見化學作為一門實驗為基礎(chǔ)的自然科學,科學探究是必不可少的化學研究思路與方法。“配位鍵和配合物”的教學中以探究實驗設(shè)置驅(qū)動問題,創(chuàng)設(shè)學生易于入手的熟悉情境,引導學生在探究中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,教師適時提出相應(yīng)概念回應(yīng)學生的質(zhì)疑、困惑,幫助學生深度學習。

3.2 培養(yǎng)學生主體意識,讓學生在探究中學以致用

高中階段化學學科的科學探究主要為對化學物質(zhì)組成、性質(zhì)及化學變化的探究。新理念教學中學生是課堂主體,同樣應(yīng)是科學探究的主體,應(yīng)該讓學生從目的、設(shè)計、實踐、反思、改進等全流程中發(fā)現(xiàn)探究實驗的真諦,激發(fā)主動性和創(chuàng)新意識,形成科學實驗嚴謹?shù)钠犯?發(fā)展智力、培養(yǎng)能力。以課堂和實驗“主人”的心態(tài)逐步掌握“去偽存真、由此及彼、由表及里、遷移運用”的科學方法,通過宏觀現(xiàn)象認識到微觀世界的本質(zhì),形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學觀念,培養(yǎng)科學態(tài)度與科學思維并樂于參與科學研究和社會建設(shè),達到“學以致用”的效果。

3.3 創(chuàng)設(shè)真實問題情意發(fā)展科學探究思維與創(chuàng)新意識

教師應(yīng)充分重視探究實驗的價值,幫助學生沁潤在具有探究實驗情境的化學課堂,以自主、深入的探究行為發(fā)展學生必備知識、關(guān)鍵能力和正確價值觀。新時代教育呼喚創(chuàng)新型人才,創(chuàng)新型人才具有“靈活、開放、好奇”的個性,具有精力充沛、堅持不懈、注意力集中、想象力豐富以及富于冒險精神等特征[3]。實驗教學是國家課程方案和課程標準規(guī)定的重要教學內(nèi)容,是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑[4]?；A(chǔ)教育階段主張更加關(guān)注學生的學習過程、學習經(jīng)驗以及學習效果,有效激發(fā)學生創(chuàng)新意識與發(fā)展?jié)撃?。而?chuàng)設(shè)真實的問題情境引導學生質(zhì)疑并提出問題的探究實驗學習過程,契合對學生批判性思維的科學態(tài)度、探究思維、核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求。