“模型法”在化學中的應用及教學啟示

陳廷俊

關(guān)鍵詞：模型法;化學模型;碰撞理論;自由基反應;原子結(jié)構(gòu);苯

化學模型可以幫助人們更好地從微觀視角認識宏觀物質(zhì)，揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和應用。縱觀化學發(fā)展歷程，正是化學家通過科學實驗和理論計算，持續(xù)不斷地建構(gòu)與修正模型，才使得人們對物質(zhì)形成與轉(zhuǎn)化的內(nèi)在規(guī)律認識得越來越清晰，也越來越接近科學本質(zhì)。

1模型法對化學研究非常重要

模型（model）的拉丁文——modulus，指“樣本、尺寸、標準”。吉爾伯特認為，除了物理模型之外，模型還包括思想、事件、概念、過程或系統(tǒng)等的表示”。。科學模型既是科學研究的產(chǎn)物，也是科學家賴以進行思維和探索未知的重要工具。從本體論來說模型是關(guān)于客觀世界實體或者思想的表征，它通過對客觀實體或思想的簡化、抽象和理想化，進行科學解釋和預測。從認識論來看，科學家不僅能夠根據(jù)模型發(fā)現(xiàn)研究對象和系統(tǒng)的屬性;而且還能把模型的相關(guān)知識轉(zhuǎn)化為目標系統(tǒng)的知識。

模型法對化學研究非常重要。首先，它是化學知識的重要組成部分。揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學原理和反應機理的各種化學模型，本身就是化學知識本質(zhì)特征的抽象與簡化，是人們認識和解釋化學問題的重要工具。其次，它為人們學習和研究化學提供了較好的認知方式。人們通過模型法可以更加形象地認識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其規(guī)律，讓復雜抽象的化學問題變得簡單直觀。第三，它促進了化學理論的形成與發(fā)展。化學理論是化學家在分析客觀事實，猜想和假設基礎(chǔ)上建立的理論模型，然后通過科學實驗驗證。化學家在解釋客觀事實的過程中檢驗模型的科學性，并根據(jù)新的證據(jù)來加以修正與完善，使化學模型無限可能地接近原型。現(xiàn)代化學研究越來越注重分子、原子等微觀層面的變化，這就更需要運用模型法來研究物質(zhì)所存在的復雜系統(tǒng)中的微觀結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律。

2模型法在化學學科中的應用

2.1模擬與表征物質(zhì)結(jié)構(gòu)

經(jīng)典化學結(jié)構(gòu)模型是用元素符號和短線來表示物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式，這種科學抽象的結(jié)構(gòu)式通過原子價鍵來表現(xiàn)原子問的相互作用，比較直觀形象地反映了分子的本質(zhì)屬性，成為代替分子原型來研究和預測物質(zhì)性質(zhì)非常適用的化學模型。然而，這種經(jīng)典結(jié)構(gòu)式在解釋共軛分子、分子立體結(jié)構(gòu)、配位理論等方面卻遇到了困難，解決這些困難和挑戰(zhàn)促進了經(jīng)典結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展。如，范霍夫提出碳的四面體結(jié)構(gòu)模型并運用它成功發(fā)現(xiàn)對映異構(gòu)體，從而打破了價鍵只能反映原子空間連接順序的局限性，成功地解釋了分子存在立體結(jié)構(gòu)的微觀本質(zhì)。

玻恩、朗德等人根據(jù)離子鍵模型計算出品格能的理論值與實驗值比較接近，計算結(jié)果很好地證明了離子晶體的化學鍵本質(zhì)。劉易斯提出“八隅體狀態(tài)”，認為原子問通過共用電子對形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并用電子式表示甲烷、乙烯、乙炔等有機化合物。朗繆爾通過共價鍵理論成功地解釋了含氧酸根中存在的配位鍵（特殊的共價鍵），并運用“等電子原理”解釋了N2、CO、CN-等的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

運用量子力學對物質(zhì)結(jié)構(gòu)進行理論計算而發(fā)展起來的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學理論模型，在傳承經(jīng)典結(jié)構(gòu)模型和電子理論模型優(yōu)點的基礎(chǔ)上;利用價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論，很好地解釋了分子（晶體）的電子運動規(guī)律與分子（晶體）結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系。如，使用價層電子對互斥模型（VSEPR）來預測共價分子CH4、NH3H20的空間構(gòu)型：它們的中心原子是sp3雜化，但CH4的碳原子上沒有孤對電子，而NH，和H20的氮、氧原子上分別有1對和2對孤對電子，電子對問的排斥使得CH4、NH3、H20的分子結(jié)構(gòu)分別呈正四面體、三角錐和V形。

可見，從經(jīng)典化學結(jié)構(gòu)模型一化學鍵電子理論模型一現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學理論模型，人們通過不斷建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理想化模型，讓那些難以觀察和描述的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變得直觀形象、通俗易懂，更好地揭示了微觀粒子的運動特征，理論模型越來越接近物質(zhì)的真實結(jié)構(gòu)。

2.2抽象與建立化學理論

用來解釋化學反應速率快慢的碰撞理論，以及揭示化學反應歷程的過渡態(tài)理論是化學動力學中非常經(jīng)典的理論模型。前者是運用氣體分子運動論建立的，后者則是在量子力學與統(tǒng)計力學中發(fā)展形成的。碰撞理論認為，能夠發(fā)生反應的分子所具有的能量必須等于或高于該反應的活化能，即分子必須成為活化分子且采用合適的碰撞取向才能發(fā)生化學反應。碰撞理論模型的基本假設為：反應物分子是硬球，反應分子必須進行碰撞，具有足夠能量的分子取向合適才能發(fā)生有效碰撞，反應體系能量分布符合玻爾茲曼能量分布律。碰撞理論對于小分子反應的速率計算值與實驗值吻合度較好，但對于溶液中的反應與稍復雜的氣相反應則出現(xiàn)了偏差，需要引入校正偏差的經(jīng)驗概率因子。

過渡態(tài)理論認為化學反應過程并不是反應物分子直接有效碰撞形成產(chǎn)物，而是反應物要先吸收能量形成能量較高的活化配合物;活化配合物具有更高的勢能，并且可以快速分解成新的低能量和更穩(wěn)定的產(chǎn)物。過渡態(tài)理論在碰撞理論的基礎(chǔ)上，運用活化能來解釋化學反應中化學鍵的斷裂和形成，提出化學反應速率不同是因為各種化學反應的活化能不同。如，反應NO：+CO=NO+CO2，CO和NO2首先吸收能量成為活化分子，再通過有效碰撞形成活化配合物[0-N…0…C-0];然后，斷裂部分N…0鍵，形成部分0…C鍵。當反應完成時，生成NO和CO2。具體過程表示如圖1。

反應NO2+CO=NO+CO：過渡態(tài)的能量變化表示如圖2，A代表CO與NO，的平均能量，B代表過渡態(tài)[0-N…0…C-0]的平均能量，c表示C02與NO的平均能量。當發(fā)生反應時，CO與NO，先吸收134kJ·mo的能量（正反應的活化能E2）變成過渡態(tài)的活化配合物，然后生成CO2與NO并放出368 kJ·molq的能量（逆反應的活化能E），整個反應過程中的AH=E-E=-234 kJ·mol。

2.3解釋與揭示化學反應機理

共價鍵斷裂和生成方式不同，是自由基反應、離子型反應和協(xié)同反應的本質(zhì)區(qū)別。自由基反應包括“鏈引發(fā)、鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止”三個階段。當化學鍵斷裂時，鍵合電子對均勻地分布到鍵合原子或基團，帶有孤電子的原子或基團（用黑點表示）是活性較強的中間體，它會攻擊其他分子，產(chǎn)生新的自由基，實現(xiàn)鏈轉(zhuǎn)移。如，在紫外光或熱（250-400℃）作用下，甲烷與氯氣反應得到CH3C]、CH2C12、CHC]3、CC]4和HCl的反應機理可以表示為：

引導學生沿著這樣的歷史足跡去探索原子結(jié)構(gòu)，不僅能夠幫助學生認識原子模型的動態(tài)發(fā)展過程，而且還能幫助學生學會辯證地看待科學和科學發(fā)展。明白每一次修正后的原子模型，離原子的真實結(jié)構(gòu)又進了一步。

3.3要努力提升學生的化學模型認知能力

模型法讓人們學會了建構(gòu)模型來解決化學問題，不僅能夠讓抽象的微觀結(jié)構(gòu)變得具體直觀，而且還訓練了人們解決問題的思維方法。因此，教師必須將學生的知識，經(jīng)驗和認知規(guī)律與教學有機融合，以提高學生的化學模型認知能力。首先，要讓學生認識常見的化學模型，了解各種化學模型的內(nèi)涵與功能，學會選擇合適的化學模型來解釋或解決化學問題。其次，指導學生辨析理論模型和研究對象之間的異同，厘清化學模型和原型的關(guān)系，準確把握模型的使用條件和適用范圍。第三，在學生正確理解、描述和表示常見化學模型的基礎(chǔ)上，引導學生運用理論模型解釋或推測物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化。最后，幫助學生建構(gòu)分析復雜化學問題的認知模型，并能通過探尋證據(jù)來完善和優(yōu)化模型。

如，按照“苯的科學史→猜測苯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)→實驗探究和推理”的思路來探究苯的分子結(jié)構(gòu)，讓學生大膽猜想，搭建模型加以檢驗和解釋。學生活動任務：（1）根據(jù)法拉第的“氫的重碳化合物”，猜測并探究其密度、水溶性、可燃性、熔點、沸點等。（2）根據(jù)米希爾里希制苯原理與日拉爾測出的分子式（C6H6），猜測并探究苯分子中是否含有C=C、C=C，分子是環(huán)狀還是鏈狀？（3）凱庫勒基于苯和H：的加成反應、苯與液溴的取代反應等實驗事實，給出了單雙鍵交替環(huán)狀結(jié)構(gòu)模型。學生設計實驗證實，根據(jù)苯不能使溴水和KMn04酸性溶液褪色等實驗現(xiàn)象，證明苯分子中不存在C=C，激發(fā)認知沖突。（4）凱庫勒發(fā)現(xiàn)苯的單雙鍵環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在問題，又提出了苯的“共振假說”來進行解釋。你如何評價？（5）實驗測得：只有一種鄰二溴苯，苯和H，能按物質(zhì)量之比1：3加成。請你確定苯的結(jié)構(gòu)式。（6）現(xiàn)代技術(shù)捕獲到苯的平面正六邊形結(jié)構(gòu)和苯的環(huán)形圖像，對你認識有機物的結(jié)構(gòu)有何啟發(fā)？

這樣，學生通過對苯的結(jié)構(gòu)探究，不僅理解了苯的分子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，而且還能夠運用苯的分子模型解釋或推測苯的性質(zhì)，建構(gòu)了“分子式=結(jié)構(gòu)式=性質(zhì)”的有機物認知模型。

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認識越來越深入，已經(jīng)建立的化學模型隨著人們認知能力的提升，有的被拋棄，有的在日臻完善。這就需要教師指導學生運用批判性思維去研究化學模型，深刻理解各種化學模型的功能和應用，不僅要正確運用化學模型來解決問題，而且還要通過不斷探尋證據(jù)來改造、優(yōu)化和深化已有的化學模型，讓化學模型能夠更形象、更直觀、更貼切地解釋原型。