在有機化學教學中滲透人文教育

李靖靖,盧艷霞,董彩霞,楊聯芝,王宇飛

(1.中州大學化工食品學院,鄭州 450044;2.鄭州師范學院化學系,鄭州 450044)

隨著科技的飛速發展和社會的急劇變革,教育目標、教學內容、教育方法等都在發生巨大的變化。高校師生之間已經不再是單一的授受關系,可能是同伴關系、幫助者與被幫助者、服務與接受服務的關系等,在日常教學活動中盡可能地滲透一些社會價值觀、人生觀等人文教育對于學生日后走向社會有極大益處。本文從最常見的元素“碳”說起,論述了角色定位、和諧共處等社會常識,將人文教育滲透在有機化學專業課程中。

1.從“碳”的常識談及其在地球生命中的重要性

1.1 碳是一切生命的基礎

有機化學知識與日常生活密切相關,可以說幾乎滲透到生活的每一個領域,在理論課講授的同時,適當和日常生活相聯系,使學生對該課程抱有新鮮感、神秘感,有利于激發學生對有機化學的學習興趣。

眾所周知,“碳”是一切生命的基礎,而有機化學則是研究“碳”的化學。在學生入門階段,充分講解“碳”的常識及其重要性,對于今后的學習有百利而無一害,能夠激發學生對于本門課程極大的好奇心和極強的求知欲。從貴重的金剛石、灰色的石墨、黑色的煤炭這三種東西在自然界里形狀不同,實質卻是同一種化學元素“碳”講起,說明碳在地球上所組成的物質種類繁多,形態各異,在地球化學中所起的作用非常大,可以說沒有碳就沒有生命。

碳的生命史上第一個階段是融化的巖漿。該融化物在地下深處和在巖脈里冷卻成各種巖石,碳在這些巖石中聚成片狀或球狀的石墨,有些則形成貴重的金剛石晶體,大部分的碳在巖體凝固的時候跑掉:有的形成容易飛散的烴類化合物和碳化物,從巖脈升上來,聚集成石墨,有的同氧化合成二氧化碳,升到地面上來。火成巖會把二氧化碳截留在巖石的縫隙里,留在空隙里的二氧化碳是大氣中的五六倍。二氧化碳有時會從地下噴到地面上來,有些和易于散逸的化合物在一起聚成氣流,或者和水混在一起形成碳酸礦泉,人們利用這種泉水醫病,因為二氧化碳在這種水里是過飽和的,水面上經常有二氧化碳的氣泡冒出來仿佛水在沸騰。

在所有化學元素中只有碳元素能夠和氧、氫、氮等元素結合生成多種多樣的化合物,這類化合物叫做有機化合物,有機化合物能生成復雜而多樣的蛋白質、脂肪、糖、維生素等含在生物體組織和細胞里。由于碳生成無數的化合物,就能產生極其繁多的動植物品種,世界上的動植物至少有幾百萬種。碳在自然界的循環是非常奇妙的:動物呼吸時要呼出二氧化碳,植物光合作用時吸收二氧化碳,產生淀粉、糖類、纖維素等供動物利用,而植物體本身最后腐爛變成石油和煤為動物提供能源。從地球化學的效果來看,地球上再也沒有比碳元素更重要的元素了。如此重要的元素在與其他元素合作時“能屈能伸”,非常平易近人,正因為如此,“碳”才顯得異常重要。

1.2 “碳”在自然界中的循環,從而服務于地球生命

空氣和陽光是生命存在的必要條件,生命存在必要條件是外部能量以及保證能量轉化的環境。眾所周知,從幾億年前地球上就有了生命在生活、繁衍,無數動物一刻不停地消耗著氧氣,釋放著二氧化碳,地球上的氧氣沒被耗盡,大氣中的二氧化碳含量沒有大幅度增加,是由太陽、植物和水把含碳物質循環轉化,使得地球生命生生不息。據統計地球上所有植物的葉子加在一起,其表面積是地球表面積的幾十倍,龐大的植物體系是生物養料化工廠,該工廠利用的原料就是二氧化碳,15畝樹林每天要消耗 1噸二氧化碳,放出 730千克氧氣,也就是說地球上的綠色植物每年制造 4860億噸氧氣,吸收 6657億噸二氧化碳,產生的葡萄糖和淀粉不盡其數。

“碳”在生命的存續中功不可沒。所有的生命消耗了含碳的養料,產生了含碳的廢物,該廢物又被植物等利用再生成養料。如此周而復始使得地球生命生生不息,“碳”是生命的載體。

2.從“碳”的雜化軌道談及個人的社會角色定位

有機化合物較之無機物有大得多的分子量,有機化合物有更復雜的結構。同分異構體的發現,啟示化學家去探索有機物質的內部結構──分子中原子的排布和組合方式,推動了有機化學的發展。

2.1 雜化軌道理論

①碳原子的 sp3雜化軌道:從碳原子的正四面體結構入手談到 sp3雜化理論。

甲烷是最簡單的烷烴,其分子式為 CH4。實驗證明甲烷是正四面體結構,要進一步了解烷烴的結構,必須用碳原子的雜化軌道理論加以解釋。碳原子在基態時電子的構型為1s22s22px12py1,其中 2p軌道的兩個電子是未成對的,按照這樣的電子層結構,碳原子應是兩價的。事實證明,碳原子在絕大多數有機化合物中都是四價。按照雜化軌道理論,在形成甲烷分子時 ,首先碳原子的 2s軌道上被激發一個電子到 2pz軌道上去。然后由一個 2s軌道和三個 2p軌道雜化形成四個能量相等的 sp3雜化軌道 (圖 2-2)。這四個雜化軌道是完全相等的,每一個 sp3雜化軌道含有 1/4s成分和 3/4p成分,sp3雜化軌道是有方向性的,一頭大,一頭小 (圖 2-3),大的一頭表示電子云偏向這一邊,成鍵時交蓋的程度比沒有雜化的 s軌道和 p軌道都大,所以 sp3雜化軌道所形成的鍵比較牢固。四個 sp3雜化軌道對稱地排布在碳原子周圍,它們的對稱軸之間的夾角為 109.5°,這樣的排布可以使四個軌道彼此在空間的距離最遠,電子之間相互斥力最小,體系最穩定 (圖 2-4)。

②sp2雜化:所謂 sp2雜化是指激發態的碳原子以一個2s軌道和兩個 2p軌道進行雜化形成三個處于同一平面上的三個 sp2雜化軌道,這三個 sp2雜化軌道間的夾角為 120°,沒有參與雜化的 p軌道垂直于三個 sp2雜化軌道所形成的平面見圖 3-1。

在形成乙烯分子時,兩個碳原子各以一個 sp2雜化軌道以“頭碰頭”的方式重疊,形成 C-Cδ鍵,每個碳原子上的另兩個 sp2雜化軌道分別于氫原子的 1s軌道重疊形成 C-Hδ鍵,兩個碳原子上沒有參與雜化的 p軌道以“肩并肩”的方式重疊形成π鍵,乙烯分子中的雙鍵是由一個δ鍵和一個π鍵組成的。其鍵長、鍵角見圖 3-2。

由于形成π鍵的原子軌道的重疊程度小于δ鍵,因此其穩定性也小于δ鍵,容易斷裂,而且π電子流動性較大易發生極化。

③sp雜化:乙炔是最簡單的炔烴,分子式為 C2H2,碳原子采取 sp雜化,碳原子外層四個價電子以一個 2s軌道與一個 2p軌道雜化,形成 2個 sp雜化軌道。形成乙炔分子時,兩個碳原子各以一個 sp雜化軌道以“頭碰頭”的方式重疊形成C-Cδ鍵,另一個 sp雜化軌道分別與氫的 1s軌道重疊形成C-Hδ鍵。乙炔分子的 C、H原子在一條直線上,互成 180°的夾角 (圖 3-3)。其三鍵為直線型。

每個碳原子上還有兩個沒有參與雜化的 p軌道,這兩個p軌道互相垂直 (圖 3-4),它們以“肩并肩”的方式重疊形成兩個互相垂直的π鍵 (圖 3-5)。因此乙炔的叁鍵是由一個δ鍵和兩個互相垂直的π鍵組成的。乙炔的兩個電子云圍繞 C-Cδ鍵形成一個圓筒狀 (圖 3-6)。

2.2 從碳的雜化軌道談到人生在社會中的角色分配及角色融合

作為教師,為學生做人生輔導有著得天獨厚的條件,在課堂中隨時插入一些社會常識,培養學生的價值觀、人生觀是舉手之勞,當然教師要充分考慮所涉及的內容。大學生在家庭是小皇帝,在學校常以自我為中心。讓同學們弄懂“碳”在自然界之所以那么重要,主要在于其合作精神,為了能夠盡可能地與其他元素配合,為了使體系更穩定,便讓自己的軌道重新分配組合。影射到同學們身上,要學習“碳”的雜化軌道方法,認識自己在各種場合的角色,在不同場合對自己的角色進行整合定位,取長補短,形成結構穩定、抗力增強的新生有機體。注重引導、培養同學們的社會角色意識和社會歸屬感,在專業理論課堂中培養學生確立自己的社會角色,培養學生的社會責任感。如果同學們能真正體會到“碳”的角色融合精神,將來步入社會組建自己的事業團隊一定會牢不可破,事業會蒸蒸日上。

3.從共軛效應談到和諧社會

3.1 共軛二烯烴

1,3-丁二烯是共軛二烯烴中最簡單的一種,其成鍵的碳原子均為 sp2雜化,每一個碳原子的 sp2雜化軌道互相重疊或與氫的 1s軌道重疊形成 C-Cδ鍵或 C-Hδ鍵,這些δ鍵處在同一平面上,鍵角接近 120°(圖 3-7)。每個碳原子上沒有參與雜化的 p軌道都垂直于δ鍵所在的平面,因此,除 C1與 C2、C3與 C4可以“肩并肩”的方式重疊形成π鍵外,C2與 C3之間的電子云也可部分重疊 (圖 3-8),從而減弱了C1與 C2、C3與 C4之間的成鍵能力 ,故 C1與 C2、C3與 C4所形成的價鍵的鍵長增長,而 C2與 C3所形成的價鍵的鍵長縮短,使鍵長趨于平均化。形成了四個碳原子在內的四個 p軌道為一體的大π鍵,其結果是 C1-C2或 C3-C4的π電子并不只局限在兩個碳原子核周圍 (電子的定域),而是可以擴展到四個碳原子核的周圍,這種現象稱電子的離域。在 1,3-丁二烯中,發生了π電子的離域。凡是能發生電子離域的分子結構稱為共軛體系。由于電子離域所形成的大π鍵叫做離域鍵。電子的離域使共軛體系的內能降低,降低的數值稱為離域能。這種由于分子內原子間的相互影響,引起電子云密度平均化的現象,叫共軛效應。共軛體系有以下特點:①共軛體系中所有的原子處在同一平面上,形成大π鍵的 p軌道都垂直于這個平面;②共軛體系內的單、雙鍵鍵長趨于平均化,即單鍵的鍵長縮短,雙鍵的鍵長增長,且共軛鏈越長,單、雙鍵的平均化程度越大;③電子效應沿共軛鏈傳遞時,在共軛鏈上出現正、負交替現象。并且電子效應沿共軛鏈傳遞時,不隨鏈的增長而減弱。④共軛體系由于π電子離域,體系內能降低。

圖 3-7 1,3-丁二烯的鍵長、鍵角

圖 3-8 1,3-丁二烯 p軌道重疊示意圖

3.2 從共軛效應講到人與人之間的和諧相處、共同發展

共軛效應強調相互配合,相互制約。配合和制約都要遵循有機體的結構規律,“共軛”必須在一定的結構模式和結構規則下才能發揮最大效應。從共軛效應的四個特點可以引申到人際交往的時間和空間越大,人的精神生活就越豐富。古人云:獨學而無友,則孤陋寡聞。現代社會具有信息性、開放性和整體互動性的特點,科技越發展,分工越細,越需要溝通和整合,這樣才能充分發揮整體效益,孤軍奮戰的時代已成為過去,個人的才干只有在團隊合作中才能夠得以體現,只有團隊的發展壯大,個人的才能將會得到社會的承認,將會贏得社會的尊重。

對大學生人文教育既要注重“以德教化”,也要注重“以法規范”,培養出知法守法、依法做人的合格公民。

總之,基于碳元素的種種優點,在自然界中的重要性才會被表現的淋漓盡致,所到之處充滿了和諧與關愛,使得整個世界因“碳”而精彩。

21世紀是知識經濟時代,知識經濟要求的人才必須是人文素質與科學素養相結合的人才。在世界教育發展目標由應試教育向素質教育轉變的今天,致力于提高國民素質為目的的教育思想是社會可持續性發展理論的重要組成部分。教師與學生接觸最多,影響最大,適當地把人文素質教育滲透進專業理論課堂可謂是一舉兩得,既加深了學生對專業理論課的理解,又提高了人文道德素養。新的教育形勢要求教師在教育教學能力、知識理論水平以及實踐研究能力等方面的不斷發展與提高,教改必將帶來課堂教學面貌的全新變化,從而以高質量的課堂教學推動教育教學的改革和發展。

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