普通高中化學(xué)課程中“σ鍵與π鍵”的教材分析及教學(xué)建議

儲開桂

摘要：“σ鍵與π鍵”是高中化學(xué)《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊部分的重要內(nèi)容，通過對不同版本教材中相關(guān)內(nèi)容的對比分析，提出適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)建議。

關(guān)鍵詞：共價鍵;σ鍵與π鍵;教材分析;教學(xué)建議

文章編號：1008-0546（2020）03-0081-03

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.03.022

一、課程標(biāo)準(zhǔn)中“σ鍵與π鍵”的教學(xué)要求

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》和《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》都對高中學(xué)生學(xué)習(xí)共價鍵有明確的要求：認識原子間通過原子軌道重疊形成共價鍵，知道根據(jù)原子軌道重疊方式，共價鍵可以分為“σ鍵與π鍵”等類型。從共價鍵鍵參數(shù)（鍵能、鍵長、鍵角）描述鍵的強弱和分子的空間結(jié)構(gòu)。學(xué)好“σ鍵與π鍵”有助于學(xué)生認識和理解共價鍵的特征和本質(zhì)，也是學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》和《有機化學(xué)基礎(chǔ)》兩個模塊知識的必備學(xué)科基礎(chǔ)知識。

二、“σ鍵與π鍵”的教材分析

《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊中大部分學(xué)習(xí)內(nèi)容比較抽象，旨在讓學(xué)生體會物質(zhì)構(gòu)成的奧秘，并用所學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識增強一些解決化學(xué)問題的能力。現(xiàn)行高中教材江蘇鳳凰教育出版社（以下簡稱蘇教版）和人民教育出版社（以下簡稱人教版）圍繞“σ鍵與π鍵”的編排精選案例、采用豐富生動的圖像呈現(xiàn)“σ鍵與π鍵”的形成過程、選擇不同層次的問題解決內(nèi)容幫助學(xué)生理解和掌握“σ鍵與π鍵”，但兩本教材呈現(xiàn)方式上有明顯差異，中學(xué)化學(xué)教師在教學(xué)過程中應(yīng)根據(jù)學(xué)生已有的認知水平靈活處理教材，“用好”高中化學(xué)教材而不是“教好”高中化學(xué)教材。

1.蘇教版教材中“σ鍵與π鍵”的編排特點

蘇教版教材在介紹“σ鍵與π鍵”概念時選擇的例子是氮氣分子。其優(yōu)點在于氮氣分子是一個典型的既含有σ又含有π鍵的分子，同時基于學(xué)生對氮原子的原子軌道及原子核外電子排布已經(jīng)有了充分的認識和理解，在教學(xué)過程中借助于氮氣分子的結(jié)構(gòu)模型，引導(dǎo)學(xué)生分析和發(fā)現(xiàn)氮原子結(jié)合成分子的過程，很容易理解原子軌道重疊方式的不同（“頭碰頭”、“肩并肩”）會形成兩種不同的類型的化學(xué)鍵即“σ鍵與π鍵”。

教材在介紹“σ鍵與π鍵”概念及差異的基礎(chǔ)上設(shè)置了“問題解決”，引導(dǎo)學(xué)生運用“σ鍵與π鍵”的有關(guān)知識，從結(jié)構(gòu)的角度深入討論在必修2中所學(xué)的乙烷、乙烯和乙炔分子中的化學(xué)鍵的成鍵情況，讓學(xué)生學(xué)會從“σ鍵與π鍵”的穩(wěn)定性差異的角度分析乙烷、乙烯和乙炔三種物質(zhì)特征反應(yīng)的差異，與必修2學(xué)過的知識相關(guān)聯(lián)。

教材最后在“拓展視野”欄目中選擇了苯，分析了苯分子中的σ鍵與大π鍵，一方面是對必修2教材中苯分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的呼應(yīng)，讓學(xué)生逐步形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)學(xué)科思想;另一方面是對π鍵相關(guān)知識的延伸（離域π鍵），為后面的學(xué)習(xí)打好鋪墊。

雖然蘇教版教材在介紹“σ鍵與π鍵”概念時選擇了典型的例子氮氣分子，但也正是這個典型的例子給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了困惑。困惑在于學(xué)生很難理解同樣都存在π鍵，為什么乙烯、乙炔中的π鍵不牢固而氮氣分子中的π鍵反而特別穩(wěn)定，教材上對此差異并未提供很好的解釋和說明，不利于學(xué)生的認知發(fā)展。

2.人教版教材中“σ鍵與π鍵”編排特點

人教版教材在介紹“σ鍵與π鍵”概念時更加著重基礎(chǔ)，循序漸進引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。先從最簡單的H2分子人手，從1s軌道與1s軌道的重疊過程分析得出σ鍵的特征（軸對稱）。σ鍵可以繞兩原子核連線為軸自由旋轉(zhuǎn)。

然后再以學(xué)生熟悉的HCl分子和Cl2分子為例介紹了s-pσ鍵和p-pσ鍵的形成，這樣有充足的例子讓學(xué)生更充分認識σ鍵的形成，加深對通過原子軌道重疊形成化學(xué)鍵本質(zhì)的認識。

在介紹p-pσ鍵形成的基礎(chǔ)上引入了p電子與p電子除了以“頭碰頭”的形式成鍵還可以以“肩并肩”的形式成鍵即π鍵。通過圖像對比了“σ鍵與π鍵”的差別，π鍵不能繞原子核連線自由旋轉(zhuǎn)，π鍵的特征表現(xiàn)為“鏡像對稱”。

從原子軌道重疊程度不同分析得出π鍵不如σ鍵牢固，比較容易斷裂。教材同樣以乙烷乙烯為例，從化學(xué)鍵形成的不同角度說明它們性質(zhì)的差異。從正文內(nèi)容的編排角度，人教版的編排更符合學(xué)生的認知規(guī)律，學(xué)生更容易理解和接受。

與蘇教版教材的設(shè)置相比，人教版教材對于氮氣分子中氮氮三鍵的處理更合理一些。首先是教材是在介紹了“σ鍵與π鍵”的概念和特征之后讓學(xué)生嘗試去分析氮氣中的成鍵情況，這更符合學(xué)生的認知規(guī)律，也有利于學(xué)生鞏固對該節(jié)知識的掌握和應(yīng)用，問題的設(shè)置并沒有要求學(xué)生去探討氮氣分子中“σ鍵與π鍵”的穩(wěn)定性差異，在普通高中的學(xué)習(xí)過程中讓學(xué)生了解氮氮三鍵的牢固性比了解“σ鍵與π鍵”的穩(wěn)定性差異更有價值和教學(xué)意義。值得肯定的是，為了化解學(xué)生的困惑，人教版教材在課后習(xí)題P36第5題中通過給出N-N、N=N、N=N鍵能之比為1：2.17：4.90，而C-C、C=C、C≡C鍵能之比為1：1.77：2.34，引導(dǎo)學(xué)生得出氮氣穩(wěn)定而碳碳雙鍵和碳碳三建不穩(wěn)定的結(jié)論。這種基于數(shù)據(jù)證據(jù)的結(jié)論獲取正是新課程所提倡的教學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向，也能幫助學(xué)生消除這個部分學(xué)習(xí)可能產(chǎn)生的疑慮，巧妙回避了“σ鍵與π鍵”誰更穩(wěn)定的問題。

三、教學(xué)建議

基于中學(xué)化學(xué)的教學(xué)要求，需要讓學(xué)生弄清“σ鍵與π鍵”的差異源于原子軌道的重疊方式的差異，在這個方面選取氮氣還是氯氣并無本質(zhì)區(qū)別，但如若要求從化學(xué)鍵形成的本質(zhì)差異去分析“σ鍵與π鍵”的穩(wěn)定性要注意選擇不同的例子會帶來截然不同的教學(xué)效果。當(dāng)然作為教師自身，應(yīng)該嘗試理清這其中的差異。一線教師需要搞清“σ鍵與π鍵”的穩(wěn)定性是有復(fù)雜性的。

σ鍵的成鍵方式為電子云“頭碰頭”重疊，π鍵的成鍵方式為電子云“肩并肩”重疊。從價鍵理論的角度，共價鍵的強度與鍵能及鍵長有關(guān)，共價鍵鍵長越短，鍵能越大。例如，碳碳單鍵的鍵能為356kj/mol，碳碳雙鍵的鍵能為615kj/mol，由此可推出碳碳σ鍵鍵能為356kj/mol，碳碳π鍵鍵能為259kj/mol。通常情況，“頭碰頭”相比“肩并肩”電子云具有更好的重疊，因此碳碳σ鍵比碳碳π鍵更穩(wěn)定。這一結(jié)論也與碳碳共價鍵鍵能的實驗測定結(jié)果相符合。

然而，從“乙烯及乙烷分別通人溴水，乙烯可以使溴水變色”說明碳碳σ鍵比碳碳π鍵更穩(wěn)定是不全面的。反例：光照條件下乙烯與乙烷分別與溴蒸汽混合，乙烷體系中可檢測到一溴甲烷這一碳碳σ鍵斷裂的產(chǎn)物，而乙烯體系中很難檢測到1，2一二溴乙烷這一碳碳π鍵斷裂的產(chǎn)物。通過相同的邏輯得出“碳碳σ鍵不如碳碳π鍵穩(wěn)定”這一結(jié)論顯然是矛盾的。其原因在于“共價鍵的強度”為熱力學(xué)概念，而化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生為熱力學(xué)與動力學(xué)共同作用的結(jié)果。水溶液這一反應(yīng)條件更有利于乙烯的親電加成反應(yīng)，光照這一條件更有利于乙烷的自由基反應(yīng)。因此，化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生與否與共價鍵的強度并無直接關(guān)系。只有特殊情況下，才能通過化學(xué)反應(yīng)判斷共價鍵的強度，例如由于氫鹵共價鍵強度的遞減，相同濃度HCl、HBr、HI水溶液的酸性遞增（HF水溶液存在分子間氫鍵不在此討論）。

碳碳σ鍵比碳碳π鍵更穩(wěn)定，然而，σ鍵并不始終比π鍵更穩(wěn)定。例如，氮氮單鍵的鍵能為159kj/mol，氮氮雙鍵的鍵能為419kj/mol。由此可得，氮氮σ鍵的鍵能為159kj/mol，氮氮π鍵的鍵能為260kJ/mol。這一現(xiàn)象的解釋需要通過分子軌道理論，兩個氮原子原子軌道線性組合構(gòu)成氮氣分子的分子軌道。隨后通過對其分子軌道能量進行計算可得氮氣分子能級圖如圖6。每個氮原子的2p軌道上各有3個成單電子，6個2p軌道組合形成3個成鍵軌道和3個反鍵軌道，其中兩個π2p成鍵軌道的能量要比σ2p成鍵軌道的能量低，所以在氮氣分子中的π2p鍵反而比σ2p鍵更穩(wěn)定。用分子軌道理論分析氮分子還可以發(fā)現(xiàn)其2p軌道上的電子全部填充在成鍵軌道上，這也更好地解釋了氮氣的穩(wěn)定性。

通過對教材的對比分析，期望能對廣大同行的教學(xué)起到一點幫助，也希望中學(xué)教科書的編寫專家能多采納廣大一線教師的建議，為更好地開展中學(xué)化學(xué)教學(xué)而共同努力。

參考文獻

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[4] 中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗稿），人民教育出版社，2003

[5] 中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版），人民教育出版社，2018