碳化學的中心教學法在大學普通化學教學中的運用*

徐偉明 俞敏強 章鵬飛

(杭州師范大學材料與化學化工學院 浙江杭州 310036)

有關碳單質同素異形體的研究一直備受關注。從最初C60的興起及納米碳管的偶然發現，到近幾年對石墨烯的研究，碳化學相關領域不斷取得進展。筆者認為結合這些前沿研究進展以及碳化學的實際應用前景，可以把碳化學演繹成一個結構完整的知識框架，以便學生掌握。

在普通化學教材中，有關碳化學的知識點分布于不同章節，如何把這些知識點組成一個有機的整體，筆者認為中心教學法[1]比較適合。中心教學法產生于20世紀90年代初，理論要點是要抓住相關知識的主要矛盾，確立一個中心知識點來帶動其他有關內容。中心教學法的關鍵點在于如何準確確定教學內容中最重要、最關鍵并最能帶動整體的知識點作為總中心，然后再確立圍繞總中心而展開獨立的一級知識點，也作為一個分支中心，以此類推下去，直到覆蓋整個知識內容。這樣就在各中心之間構成一種層次分明、樹狀結構的形式,從而達到高的教學效率。按照這個原理，本文以碳元素為中心，提出3個方面的思考方向，即碳單質各種同素異形體的發現歷程、碳原子量引發的問題以及碳碳鍵的選擇性斷裂和形成。再依次對其進行詮釋，通過以點帶面的教學手段達到好的教學效果。

1 碳單質的發現歷程

1.1 由金剛石和石墨引發的思考

如何闡述碳單質的發現歷史呢？以中學所學的知識為基點，金剛石和石墨是中學生最早知道的單質碳的兩種基本結構型式。金剛石是由純碳組成的礦物，是自然界中最堅硬的物質；而石墨則是柔軟滑膩的。為什么同樣是碳，一個那么硬而另一個卻那么軟呢？聯系高中知識，金剛石是由共價鍵構成的，而石墨的片層結構是由于層與層之間的范德華力作用，所以使兩者具有不同的物理性質。這引發了科學家的研究熱情，石墨的片層結構層與層之間的范德華力較小，是否可以克服這種分子間力形成單層，得到二維的碳原子結構的物質？它的性質又會是怎樣的？這一系列問題是人們最初研究碳單質的原因。

1.2 各種碳單質的相繼發現

比較一下二維的碳原子結構與金剛石結構的標準生成自由能，就可發現具有多重鍵的卷曲或者彎曲型結構具有更高的熱力學穩定性。隨著實驗方法的改善，各種新型碳單質的同素異形體的發現經歷了以下過程。

1985年，美國Rice大學H.W.Kroto和R.E.Smalley等人用激光照射石墨，通過質譜法檢測出C60分子[2]。后來他們用多邊形紙片拼合成多面體分子模型，發現C60分子外形像足球，稱它為足球烯[3-4]。此后許多試驗也相繼發現C44、C50、C70、C80、C84、C120、C180等純碳組成的分子。這些分子都呈現封閉的由多面體組成的圓球形或橢球形, 像建筑師富勒設計建造的圓屋頂，因此又命名這類分子為富勒烯[5]。同時我們也可以把C60分子看成一個球形的單層石墨分子，只是它是一個卷曲的結構。

既然可以存在卷曲的C60分子，那么是否存在直接彎曲的結構呢？僅時隔6年，1991年日本電鏡學家飯島教授通過高分辨電鏡發現了納米碳管[6-7]，它是碳材料家族的又一個新成員，為黑色粉末狀，是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管，每層的碳是sp2雜化。正因為納米碳管是石墨片直接彎曲的結構，所以可通過剖開納米碳管法來制備單層石墨。

2010年10月5日，瑞典皇家科學院宣布將2010年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究[8]。石墨烯是一種全新的、最薄而又強度最大的物質；作為一種電導體，它的導電能力可以和銅相提并論；作為一種熱導體，它的性能超出了任何其他已知材料。科學家在相繼發現富勒烯和納米碳管之后，終于由石墨研制得到了單層石墨，實現了研究者的最初想象，同時石墨烯的優良性質也讓研究者對其應用有著美好的憧憬。

通過以上分析，可以進一步認識各種單質碳之間的相互聯系。它們的相繼發現有偶然性，其實更是一種必然性。

2 為什么碳的相對原子質量為12.011

當我們去查化學元素周期表時會發現碳的相對原子質量為12.011。同樣我們也會馬上聯系到中學所學的相關知識，質量數=質子數+中子數，那么肯定存在質量數大于12的碳元素，從而引出碳元素有多種同位素。筆者希望通過這樣一條線再來介紹碳同位素各自的作用。

2.1 作為計量標準的12C

12C是質子和中子數都為6的碳原子，它是碳元素的一種同位素，在世界現存碳元素中豐度為98.89%，是最常見的碳同位素。將各種原子(或分子、離子)的質量與12C質量的十二分之一的比值定義為該原子的相對原子質量，它的單位為1。12C原子被用來作為阿伏伽德羅常數的標準：12克12C所含原子的個數被定義為阿伏伽德羅常數(6.02×1023)。

2.2 作為有機化學檢測基礎的13C

當質量數和原子序數不同時為偶數時，原子核存在非零自旋。簡單地說，處于一個靜磁場中的核子(質子和中子)，會由于與磁場的作用而處于不同的能量狀態。當一個外界的電磁波來擾動處于“平衡”狀態的核子時，吸收了能量的核子就會在不同的能級之間躍遷，并在此過程中釋放出能量。而放出的能量被檢測后，經過分析和計算就可以得到有機物內部原子的結構信息。像12C是沒有核磁共振現象的(質量數和原子序數都為偶數)，不能用于鑒定有機物，而13C則可以用于研究，并用于結構解析。所以13CNMR是有機物檢測的一個重要手段[9]。

2.3 用于考古的14C

考古學中經常涉及文物年代的鑒定。以前判斷文物真偽主要是靠觀察，現代考古界普遍采用的鑒定方法是14C測定年代法。

14C是碳的一種具有放射性的同位素，于1940年首次被發現。它是通過宇宙射線撞擊空氣中的氮原子所產生，其半衰期約為5730年，發生β衰變，轉變為氮原子。由于碳是有機物中最常見的元素之一，生物在存活時，，其體內的14C含量大致不變，生物死后，其體內的14C開始減少，因此人們可通過測一件古物中14C的含量，來計算它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。例如，我國考古工作者用放射性同位素鑒年法對馬王堆一號漢墓外槨蓋板衫木進行測量，結果表明該墓距今有2130年左右。通過歷史文獻考證，該古墓的年代為西漢早期，約在2100年前，兩者符合得很好。通過以上分析，由碳的原子量為12.011可以聯系到碳的3種同位素，并且每種同位素都有其各自的作用，從而擴展了知識。

3 碳碳鍵形成的炫彩世界

3.1 2010諾貝爾化學獎——鈀催化的交叉偶聯反應[10]

不論是金剛石，還是石墨烯中的碳碳鍵均很牢固(鍵能大)，所以碳碳鍵的斷裂和重組是不容易的，但它同時又是構成自然界中豐富多彩的各種有機物的基礎。那么科學工作者怎么用化學的方法去合成其中對人們有用的物質呢？2010年諾貝爾化學獎的3位得主為解決以上問題提供了可能性。在有機化學中，最主要的反應就是碳原子之間的化學鍵的形成和斷裂。碳原子的不同組合能夠形成結構非常復雜、性質各不相同的分子。但由于碳碳鍵的鍵能很大，所以涉及碳碳鍵形成的化學反應通常需要對特定碳碳鍵進行活化或極化(讓碳碳鍵的一端帶部分正電荷，另一端帶部分負電荷)。美國化學家理查德·赫克(Richard Heck)發現在金屬鈀的作用下，碳原子實現了相連，并且反應條件溫和，反應速度也更快，簡稱鈀催化的交叉偶聯反應。日本化學家根岸英一和鈴木章在赫克之后進一步探索了鈀催化交叉偶聯，他們改變溫度、酸堿性、溶劑等反應條件，成功做出了其他化合物中的碳原子的連接。3人均有以自己名字命名的反應。

3.2 碳氫鍵活化的新進展

同樣，碳氫鍵的直接官能團反應對于研究者在合成中有著很大的挑戰性，吸引了很多科學家的關注。在過去的十幾年中，經典的貴金屬催化的碳氫鍵活化取得了很大進展，但是有毒有害的重金屬殘留以及成本高一直是難以解決的困難。最近以廉價易得的普通過渡金屬催化的碳氫鍵活化反應，甚至是無過渡金屬催化的碳氫鍵活化反應代表了該領域未來的發展方向。北京大學化學與分子工程學院施章杰教授課題組在對普通過渡金屬催化的芳基碳氫鍵活化與芳基鹵化物的偶聯反應進行了系統的研究，取得了很好的成果[11]。

根據碳化學的上述3根主線，中心教學方法能幫助學者更快地建立自己的知識體系，達到事倍功半的效果。這種以點帶面的教學方法可以更好地擴展相關內容，讓教材變得更加豐富，使學生學得更加生動和有趣。

參 考 文 獻

[1] 王園朝.大學化學,2010,25(3):16

[2] Kroto H W,Heath J R O,Brien S C,etal.Nature,1985,318:162

[3] 劉育亭,曹玲華.大學化學,1989,4(6):29

[4] 周公度.大學化學,1992,7(4):29

[5] 顧鎮南,張澤瑩.大學化學,1992,7(2):1

[6] Iijima S.Nature,1993,363:603

[7] 楊占紅,李新海,李晶.大學化學,1998,13(4):30

[8] 吳江濱.物理通報,2010(11):2

[9] 王乃興.核磁共振譜學:在有機化學中的應用.北京:化學工業出版社,2010

[10] 肖唐鑫,劉立,強琚莉,等.ChinJNature,2010,32(6):332

[11] 孫長亮,李必杰,施章杰.ChemRev,2011,111:1293