高中化學教學中宏觀微觀聯系與模型認知的運用
——以堿金屬密度變化和甲烷鍵角計算為例

徐音辰

(上海外國語大學尚陽外國語學校 上海 200333)

高中化學學習中，涉及到物質微觀結構的部分，例如分子空間構型，物理性質變化規律等，學生想理解透徹往往比較困難，部分學生只能采取死記硬背的方法。這樣的學習模式不利于化學學科核心素養的培養和落實。高中化學核心素養中與物質結構學習相關的素養為“宏觀辨識與微觀探析”和“證據推理與模型認知”。[1]

前者是化學學科解決問題的重要思維視角，“宏觀”指的是物質的性質及存在狀態，這些表現具有肉眼可觀察或儀器能展現，“微觀”指基本粒子層面探究和分析物質的組成、結構、性質。[2]

后者則要求“建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象本質和規律”。教師應深入理解并挖掘教材文本中蘊含的核心素養的培養目標，并指導課堂教學。教師應重視課堂中實物模型、思維模型、數學模型的功能與價值。[3]

下面以筆者教學過程中與“物質結構”相關的兩個案例為例，具體分析一下知識背后如何體現核心素養。

1.堿金屬的密度并沒有嚴格遞變，其中鉀是反常的

一堂組內年輕教師的習題講評課中，針對一道例題中學生提出的質疑，在課后教師討論中引出了堿金屬密度并非嚴格遞增，鉀比鈉略小,詳見表1。筆者以前講周期律的時候都不會太在意密度的遞變規律，覺得大趨勢是密度變大的就行了唄。而且這也不算一個常規“考點”。但研討過程中教師們都認為：既然問題被發現了，而且教材中明確給出了密度的數據，教師就應該根據宏觀現象推測微觀結構尋求滿意的解釋。

表1 堿金屬的主要性質

圖1 堿金屬的堆積方式及晶胞參數

由于堿金屬都是一種堆積方式，所以z不變，同樣不變的常數一并約去，就得到密度ρ正比于M/r3的結論。可見，堿金屬的密度受其摩爾質量和半徑的共同影響。下面就以鋰、鈉、鉀分別計算。

Li∝7/0.1523Na∝23/0.1863K∝39/0.2273

觀察后發現，從鋰到鈉，表達式中分子擴大3倍多，分母只擴大了大約1.83倍；而從鈉到鉀，分子擴大了約1.7倍，分母擴大了約1.8倍。這樣就從微觀角度，構建幾何模型解釋出鉀密度的“反常”現象了。

2.甲烷的鍵角為什么是109°28′？

學習有機化學中，接觸到最簡單的有機物甲烷，學生都容易說出其空間結構為正四面體，鍵角為109°28′。那么為什么這種結構和鍵角呢？其實這并不難推出，利用中學幾何知識，建立好數學模型，完全就能解答。

我們先從雜化軌道開始說起。碳的價電子為4，但是4個電子分別處于2s和2p軌道上，且2s上的為成對電子。我們知道當兩個原子都有未成對電子時就能形成一對共用電子對，也就形成了共價鍵。所以要形成CH4，按碳原有的軌道“安排”與氫原子成鍵就不太妥當。為了解釋成鍵，美國化學家鮑林提出了雜化軌道理論，s和p軌道以一定方式形成雜化軌道來成鍵，這種成鍵是更穩定的。甲烷形成的是sp3雜化軌道，其軌道形狀是正四面體。與碳成鍵的其他原子相同時，按照最大重疊原理所形成的分子結構也是正四面體，所以甲烷分子中，碳原子位于體心，四個氫原子位于頂點。

圖2 正四面體外接正方體

以斜切面AA1CC1為觀察視角，再利用一次勾股定理，體對角線為所以正四面體體心到頂點距離(其實R也可以理解為正四面體外接圓的半徑)

圖3 構建模型中的θ相當于甲烷分子鍵角

聯系幾何中角度制60分為一度，所以109.47°=109°28′(當然兩者都只保留了5位有效數字)

以上兩個例子中都是教師教學過程中容易忽略的問題，教師和學生可能就參與簡單記憶的手段，并沒有深入挖掘成因。筆者在求解過程中充分利用了宏觀辨析與微觀探析和證據推理與模型認知的素養，而運用到的基礎知識中學生也是具備的，教師完全可以給學生解釋，并在教學中培養和提升學生的思維能力。