如何培養學生在化學中的空間思維能力

張則申

摘 要： 高中化學知識更微觀，更復雜。高考對化學中的空間思維力的考查主要有有機物分子中原子共平面、共直線問題；分子的空間構型；晶體結構中的原子數、密度、化學鍵數、空間利用率等計算問題。化學中與空間相關的問題，一直是學生學習的難點，幫助學生建立空間立體結構映像，培養學生在化學中的空間思維能力就很重要。

關鍵詞： 晶體結構 空間思維 化學式 高中化學教學

高中化學知識更微觀、更復雜。高考對化學中的空間思維力的考查主要有有機物分子中原子共平面、共直線問題；分子的空間構型；晶體結構中的原子數、密度、化學鍵數、空間利用率等計算問題。化學中與空間相關的問題，一直是學生學習的一個難點，幫助學生建立空間立體結構映像，培養學生在化學中的空間思維能力尤為重要。

立體幾何知識主要是解決三維空間的問題，實物直觀模型主要是幫助學生理解并建立幾何模型，從而讓學生深刻理解微觀粒子的空間結構。還可借助圖片、多媒體培養學生的空間思維能力，讓學生動手做模型，感知物質的空間構型。

1.利用立體幾何知識與實物直觀模型，幫助學生建立空間概念。

把化合物分子放在學生比較熟悉的一些立體幾何模型中觀察，可以培養學生在化學中的空間思維能力。例如甲烷，可以借助對甲烷的球棍模型和比例模型的觀察，幫學生建立空間概念。再把甲烷分子結構放在正方體中與球棍模型對比觀察，這樣從整體上幫助學生對正四面體結構的認識。甲烷的空間結構為：碳原子位于正四面體的中心位置，氫原子占據正四面體的頂點位置，四個氫原子是等同關系。對甲烷的二氯代物的結構只有一種、甲基的三個氫原子和碳原子不在同一平面上的問題就能理解。

2.尋找原型，進行類比遷移，幫助學生理解有機物的共線、共面問題。

通過展示甲烷、乙烯、乙炔、苯的實物模型，幫助學生對乙烯、乙炔、苯等平面型分子的空間結構的理解后，再進行綜合知識的應用。在試題中常出現這些典型分子衍變成較復雜的空間結構問題，解題時充分利用典型物質原型進行類比遷移。方法是典型原型分子中某氫原子被其他原子或原子團取代時，該代替原子的共面問題，可將它看做是原來氫原子的位置，同時注意共價單鍵可以旋轉，而雙鍵、三鍵不能旋轉。

例1：如圖，分子中最多有？搖？搖 ？搖？搖個碳原子在同一平面上？

分析：本題以甲烷和苯環為基本模型。中心碳原子位于一個正四面體的中心，它連接的四個碳原子與其共面的只能是其中的兩個，若兩個苯環均通過C-C單鍵旋轉到該面內，此時共面的碳原子數最多，共有13個。

A.所有碳原子有可能都在同一平面上

B.最多只可能有9個碳原子在同一平面上

C.有7個碳原子可能在同一條直線上

D.只可能有5個碳原子在同一直線上

分析：本題以乙烯、乙炔、苯為基本模型。若通過C-C單鍵旋轉使乙烯和苯環兩個平面重合，則所有碳原子有可能都在同一平面上，如上圖所示；由于碳碳雙鍵和苯環的鍵角都為120°，使得共線的碳原子只能是HC≡C-中的兩個碳原子、苯環對位上的兩個碳原子及雙鍵左端的一個碳原子，共計5個。故答案為A、D。

3.利用多媒體動畫與圖片，培養學生在化學中的空間思維能力。

高中化學學習中有很多微觀、抽象的知識，學生難以想象和理解。若在教學中使用精心編制的多媒體課件，則可以讓抽象變為具體，讓微觀世界變成宏觀世界。如在講《化學鍵》這一節內容時，可通過多媒體技術的運用，制作生動形象的flash動畫，模擬出NaCl、HCl的形成過程，從而解釋微觀粒子之間是怎么形成化學鍵的，以及離子鍵與共價鍵的本質與區別。又如在講金屬晶體結構時，可充分利用多媒體動畫播放三維空間的兩種非密置堆積方式和兩種密置堆積方式的疊放層次，讓學生感知了簡單立方、體心立方、最緊密堆積六方（鎂型）與面心立方緊密堆積（銅型）。

這樣，學生對晶體結構的計算題如空間利用率、晶胞的化學式、鍵長、密度等不會感到那么難了。

4.利用動手建立實物模型，讓學生感知物質的空間結構，從而培養學生的空間思維能力

動手組裝實物模型，花的時間較多，只有利用業余時間用球棍工具組裝。在講SiO的結構時，我讓學生用球棍工具組裝的空間結構模型；在講有機物時，讓學生用球棍組裝烷烴、烯烴、炔烴等；在講晶體結構時，如原子晶體中，金剛石、石墨的模型也讓學生拼湊；在講金屬晶體結構時，我讓學生用乒乓球模擬原子的堆積方式，學生非常直觀地感知到金屬原子在二維空間（平面）上有兩種排列方式，即原子的非密置堆積和密置堆積，學生在二維的原子的堆積方式，很容易看到非密置堆積和密置堆積中原子的配位數分別是4和6；還堆積了三維空間的兩種非密置堆積方式和兩種密置堆積方式的疊放層次，讓學生感知了簡單立方、體心立方、最緊密堆積六方（鎂型）與面心立方緊密堆積（銅型）。

總之，要解決好化學中空間立體問題，先要讓學生的認知建立在理解基礎上，學生的空間思維想象能力可以通過模型展現、實物操作、動畫模擬培養，也可以借助立體幾何知識加以鍛煉。要準確做好化學空間結構的題型，除了要有空間想象力外，還要具有嚴密的邏輯思維能力和扎實的立體幾何知識，把化學問題抽象成數學模型，利用數學工具加以計算和推理，從而提高解決化學問題的能力。

參考文獻：

[1]張國安，蔡云波.立體幾何與物質結構[J].中學化學教學參考，2000（3）.

[2]王麗華，蘇殿釗.物質結構空間思維的基礎—立體幾何在化學中的應用[J].