碳元素教學中化學學科素養之宏微關聯與變化平衡思想*

袁 焜，陳冬梅，崔雅琴，劉艷芝

(天水師范學院化學工程與技術學院，甘肅 天水 741001)

碳元素是自然界中最常見的非金屬元素，它不僅是有機化合物分子的主要組成元素和主體骨架元素，也是生命的重要組成物質，且碳元素與生命的起源密切相關，在恒星演化過程中，碳元素是氦元素發生聚變的產物，廣泛存在于宇宙之中，所以碳元素成為了生命的基礎元素。可以說沒有碳元素，就沒有地球上的生命體。當碳元素作為單質存在時，它具有多種同素異形體。因此，碳元素被譽為自然界中最為神奇的物質之一。對化學物質和分子的認識，碳元素及其構成的物質分子是無法繞開的內容之一，其實在中學化學和大學無機化學課程中就編入了碳的同素異形體相關的學習內容。

有關碳元素的知識體系還在不斷的發展和豐富中，未來一定會有新形式的碳物質與分子不斷被發現和創造，對這些新的碳物質的研究也必將帶來相關化學與分子科學理論的發展。其實，人類對碳元素及其材料與分子的不斷深入研究和理解的過程，基本可以完美體現了化學學科核心素養的各個方面。目前，化學教育界公認的化學學科核心素養的具體內容應該包括證據推理與模型認知、宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、科學態度與社會責任、科學探究與創新創造意識等5個方面(圖1)[1]。作為中學化學教育工作者，在教學中要善于通過化學與物質元素知識的教學內容為載體，潛移默化、潤物無聲的去培養初學化學的中學生的學科核心素養，碳元素恰好可以作為這種學科核心素養培養的理想載體。本文將通過對金剛石與石墨的宏觀性質與微觀結構的邏輯關聯的討論，以闡釋化學學科核心素養中的宏觀辨識與微觀探析；此外，通過對石墨烯在高壓這一極端物理條件下轉化為鉆石烯這一新穎碳納米結構的物理化學過程特征及化學史的剖析，以闡釋化學學科核心素養中的變化觀念與平衡思想，以期為教師培養學生化學學科素養具有啟發和指導價值。

圖1 化學學科核心素養組成

1 碳元素與宏微關聯及變化平衡思想學科素養

1.1 宏觀辨識與微觀探析

碳的同素異形體，有的晶瑩剔透、有的則完全吸收可見光，有的堅硬、有的柔韌，它們從宏觀上表現出巨大的差異，具有顯著地感官可辨識性。當然，也有其中的一些碳的同素異形體，宏觀上很難通過人的感官去辨識，比如納米金剛石和碳量子點、富勒烯和碳納米管等。生活經驗告訴我們，宏觀上可顯著辨識的物質，必然在微觀結構上具有顯著的差異；宏觀上不可顯著辨識的物質，在微觀結構與組成上也極有可能存在本質的不同。但是，經驗永遠無法代替科學的微觀探析。宏觀辨識與微觀探析的學科素養就是要求化學學習者能通過識察一定條件下物質的外在變化的宏觀現象，掌握物質及其變化的類別，從微觀層面理解物質的結構、組成和性質的內在關聯。

我們知道，金剛石和石墨是最早被發現和使用的兩種碳的同素異形體。金剛石“璀璨奪目，受人青睞”，而石墨則“漆黑一片，默默無聞”，如果沒有化學科學家的微觀探析，人們或許無從得知這兩種物質具有共同的本源。 1772年，化學之父拉瓦錫在空氣中用凸透鏡聚光加熱金剛石至火紅，象征永恒的寶石之王金剛石竟然消失得無影無蹤，并證明產生了無色無味的二氧化碳氣體(圖2)[2]，而換做其他寶石，無論是紅寶石或藍寶石都能耐高溫，完全不會有宏觀的變化。鉆石之王似乎有著致命弱點。宏觀上的感官可及之處，或許也是微觀探析的驅動力。拉瓦錫又在真空中加熱鉆石，鉆石依然不耐高溫，但這回沒有消失，而是變成了黑乎乎的一小堆石墨。從而說明金剛石與石墨同屬于碳元素的同素異形體。此后化學家長期認為，碳的同素異形體包括金剛石、石墨和無定形碳3 種。然而，正是宏觀辨識與微觀探析的素養和精神，并沒有使得人類把對碳元素的認識僅僅停留在金剛石、石墨和無定形碳這三種碳的同素異形體上。拉瓦錫的實驗幾乎不需要復雜的儀器和設備，就做到了科學的微觀探析，充分展現了科學思想的重要與實驗的巧妙，其實驗結論也足以顛覆當時人們的常規認識。時至今日，拉瓦錫的這個實驗和他的微觀探究的思想依然價值不滅，如“寶石之永恒”。也許拉瓦錫燒掉的兩顆鉆石“價值連城”，但從實驗中貢獻給人類的知識“永恒閃耀”，這是追求科學真理的精神，也是化學核心素養的力量。

圖2 金剛石與石墨的宏觀外在辨識與微觀組成元素探析

1.2 變化觀念與平衡思想

變化與平衡是自然規律核心思想的重要特征，化學學科與科學研究尤可體現這一特征。接受化學知識和專業的化學教育，就要求學生能認識到物質在一定的條件下是不斷運動變化的，物質的化學變化由內因和外因共同驅動，量變和質變相互伴生；能從不同角度對復雜的化學變化及其特征與規律進行分類研究；能用對立統一、聯系發展和動態平衡的觀點剖析和預測化學反應與變化規律。

物理化學理論告訴我們，298.15 K 下，石墨的吉布斯自由能為 -1.71 kJ/mol，而金剛石的為 1.19 kJ/mol，所以石墨比金剛石更穩定，理論上講，金剛石是有可能自發的轉變為石墨的，但是這個轉變達到平衡所需要的時間是目前人類文明難以企及的量級。雖然石墨比金剛石穩定，但是由石墨轉化為金剛石的反應焓變并不大(約 40 kJ/mol)，似乎這種轉變較容易進行。然而，這種轉變所需的活化能非常高，一般的轉化方法難以達到超高的活化能。但是如果使用催化的方法，這種轉變就會成為現實。十八世紀后期，人們開始尋找石墨轉化為金剛石的途徑，直至上世紀中葉，羅西尼通過熱力學計算[3]，奠定了合成金剛石的理論基礎，要使石墨變成金剛石，至少需要1.5×104個大氣壓和 1500 ℃ 的高溫物理環境。二十世紀50～60年代，能產生上述條件的儀器裝置得以建成。石墨在5～6萬大氣壓(5～6×103MPa)及攝氏1000至2000度高溫下，同時用第Ⅷ族金屬Fe、Co、Ni或副族金屬Cr、Mn、Ta等做催化劑[4]，可使石墨轉變成金剛石。目前世界上已有包括中國在內十幾個國家人工合成出了金剛石，但人造金剛石的顆粒的“長大”技術還有待發展。

石墨不但可以轉化為金剛石，它還可以轉變為2D鉆石(鉆石烯，金剛烯，2D金剛石)。我們知道，石墨烯是一種只有一個碳原子厚度的二維薄膜。長期以來，材料與物理化學家們在不斷嘗試用碳原子做出類似的2D鉆石薄膜[5]。巴西米納斯吉拉斯聯邦大學的物理學家 L.G.Cancado 等[6]將兩片石墨烯片置于數萬倍地球標準大氣壓的環境下壓縮，其晶體結構便會從石墨變成鉆石烯。在高壓作用下，通過水中的氫原子(藍)和氧原子(紅)將壓力傳導到石墨烯上，兩片石墨烯合并成了一片鉆石烯(圖3)。莫斯科國家科學技術大學的理論物理學家P.Sorokin 表示，“這是目前世界上最薄的鉆石。鉆石一直以它的堅硬之極和難以改變而聞名，但現在我們終于可以在納米領域運用鉆石的各種驚人的屬性了”。由于其磁性，2D鉆石烯可能會在自旋電子領域派上用場，真可謂“不壓不成材”。這種一定條件下碳素物質的轉化是化學中的普遍規律，更是化學學科思想與核心素養最重要的方面。

圖3 石墨烯在高壓下合并成2D鉆石

2 總結

有關碳元素的知識體系還在不斷的發展和豐富中，未來一定會有新形式的碳物質與分子不斷被發現和創造，對這些新的碳物質的研究也必將帶來相關化學與分子科學理論的發展。其實，人類對碳元素及其材料與分子的不斷深入研究和理解的過程，基本可以完美體現了化學學科核心素養的各個方面。本文通過對金剛石與石墨的宏觀性質與微觀結構的邏輯關聯的討論，闡釋了化學學科核心素養中的宏觀辨識與微觀探析；通過對石墨烯在極端物理條件下轉化為鉆石烯的物理化學過程特征及化學史的剖析，剖析了化學學科核心素養中的變化觀念與平衡思想，以期為教師在教學過程中培養學生化學學科素養提供啟發和指導價值。