增進化學學科理解提升教學駕馭能力

張建海

摘要：新課程的實施，對物質結構、反應原理以及無機物、有機物的教學提出了新的教學要求，碎片化的知識與教學內容給很多教師的教學造成了困惑。本文基于學科概念“大π鍵”，運用“相應說明與示例”探討模塊關聯教學的策略，整合碎片化的知識與教學內容，闡述了教師增進學科理解，提升教學駕馭能力的意義。

關鍵詞：學科思維；大π鍵；關聯教學

文章編號：1008-0546（2023）12-0078-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.017

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《2020修訂版課標》）明確了“核心素養”的教育理念，要求發展學生的化學學科核心素養，其本質是優化學生的學科思維，需要讓學生像學科專家一樣思考，學習像學科專家一樣理解和運用學科知識。那么，如何優化學生的學科思維呢？

《2020修訂版課標》在教學建議中同時提出“增進化學學科理解”的要求?；瘜W學科理解是指教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結構化的認識，它不僅僅是對化學知識的理解，還包括對具有化學學科特質的思維方式和方法的理解。［1］增進教師學科理解與優化學生的學科思維之間又有怎樣的關聯呢？

筆者認為，“學科理解、教學行為、教學目標”三者之間有著如圖1所示的關系，如果我們把培養學生的“核心素養”、優化學生的“學科思維”作為教學目標，那么教師對于“學科理解”的深度與廣度必然決定著“教學行為”的優與劣，從而決定了教學目標的達成度。

教師的教學行為，不能只讓學生通過“識記”與“解題”來掌握學科事實，更應該將基本的學科觀念及其相互之間的聯系呈現出來，［2］通過合適的教學活動來促進學生理解學科觀念，發展學科思維，從而養成學科素養。

本文以中學化學教學過程中的學科概念“大π鍵”為載體，以具體的示例關聯結構、原理、有機與無機模塊的教學，將碎片化的知識進行整合，強調教師應該增進學科理解，基于學情精準落實，進一步優化教師的教學行為。

一、大π鍵的“緣起”

人教版必修2關于苯分子的結構描述為，“苯分子具有平面正六邊形結構，相鄰碳原子之間的鍵完全相同，其鍵長介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵的鍵長之間”。人教版選擇性必修3關于苯分子的結構進一步描述為“每個碳原子采取sp2雜化，分別與氫原子及相鄰碳原子以σ鍵結合，每個碳原子余下的p軌道垂直于碳、氫原子構成的平面，相互平行重疊形成大π鍵”。相對σ鍵與π鍵，大π鍵（或稱離域π鍵，以下統一稱大π鍵）是學生比較陌生的一個概念，但是涉及大π鍵的物質還是很常見的，教師必須清楚大π鍵是如何形成的，對物質性質的影響有哪些方面，如何在教學中合理地通過大π鍵，將相應模塊進行關聯教學。

二、大π鍵的“緣分”

1.大π鍵的形成條件

從微觀結構看，分子或離子形成大π鍵的要求一般有如下兩點：

（1）參與形成大π鍵的原子都能提供一個相互平行的p軌道，相應的每個原子必須共面或者共線，其本質原因是為了保證p軌道間能最大程度地重疊。

（2）形成大π鍵的 p 電子總數小于 p 軌道數的兩倍。如果用πm（n）（m指形成大π鍵的原子數或者p軌道數，n指p 電子總數）來表示，則n<2m。這個條件是為了保證在形成大π鍵時，成鍵分子軌道中電子數大于反鍵軌道中的電子數，及整個大π鍵的鍵級大于零。

2.大π鍵的關聯教學

（1）大π鍵與一些物質的物理性質的關聯

①關于石墨烯的導電性與導熱性的解釋

理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣，可以看作是被剝離的單層石墨，每個碳原子均為 sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性和導熱性。

②關于酚酞在酸堿滴定時變色的解釋

電子吸收可見光的能量進而在不同軌道間發生躍遷，是物質顯色的根本原因之一。電子的躍遷有多種類型，有機化合物的顯色主要是離域體系中的π→π*的躍遷引起的。一般離域體系越大，π→π*之間的能量差越小，吸收的可見光能量變小，可觀察到顏色往往變深。

酚酞是一種有機弱酸，分子式為 C20H14O4，其在不同pH 時的結構和顏色如表1所示。隨著pH 由低到高的變化，酚酞中三個苯環所聯中心碳原子的雜化方式從sp2到sp3，再到sp2，最后又變為sp3，從而造成分子中的共軛體系（即大π鍵所包含的原子數）由大到小，再變大，最后又變小，酚酞相應變色。

類似的苯無色，而溴苯，硝基苯顯黃色（其相關結構如圖2所示），原因在于 Br 的3p軌道可以參與形成大π鍵，硝基中的氮原子與氧原子的2p軌道都可以參與形成大π鍵，離域體系的增大造成顏色的加深。

③氯乙烷與氯乙烯分子的鍵能、鍵長以及偶極矩的解釋

兩種分子的相關數據如表2所示，［3］其差別原因在于除了C原子的雜化方式不同外，更主要的是CH2= CH-Cl分子中Cl原子的3p軌道可以與碳原子的2p軌道形成π3（4）的大π鍵，使得分子中的電子云趨于平均化，C-Cl 鍵的極性降低，進而造成分子偶極矩變小， C-Cl鍵的鍵級變大，鍵能變大。

（2）大π鍵與一些物質的化學性質的關聯

①關于物質穩定性的解釋

Ⅰ.已知C（s，石墨）C（s，金剛石）Δ H=+1.9kJ·mol-1，可見石墨具有更低的能量，熱力學穩定性更好，原因在于石墨片層結構上的碳原子形成了大π鍵，其離域能很大。

Ⅱ.通過觀察以下幾種烯烴的氫化熱數據，我們可以發現1，3-丁二烯的氫化熱數據明顯偏高，顯然也是由于其中存在離域大π鍵的緣故。

CH3CH2CH=CH2+H2 Pt CH3CH2CH2CH3

ΔH=-127 kJ ·mol-1 CH2=CHCH2CH=CH2+2H2 Pt CH3（CH2）3CH3

ΔH=-254 kJ ·mol-1 CH2=CHCH2CH2CH=CH2+2H2 Pt CH3（CH2）4CH3

ΔH=-253 kJ ·mol-1 CH2=CHCH=CH2+2H2 Pt CH3CH2CH2CH3

ΔH=-239 kJ ·mol-1

Ⅲ. BCl3與AlCl3屬于等電子體，在氣態或者有機溶劑中BCl3以穩定的單體形式存在，而AlCl3更多以二聚體的形式存在。原因在于 B 與 Cl原子半徑差別不大，兩者的p 軌道能較好地匹配形成π4（6）大π鍵，而Al原子半徑較大，與 Cl 的p 軌道不能很好地匹配，所以往往以二聚體的形式存在，以滿足 Al 和 Cl 的價層都達到8電子的穩定結構。

②關于物質酸堿性的解釋

Ⅰ.苯酚的酸性為何比乙醇強？原因在于苯酚電離出H+之后，O上的孤對電子可以與苯環形成π7（8）大π鍵，苯酚根相對更穩定。類似的乙酸酸性強于乙醇，同樣是電離出 H+之后，乙酸根中存在π3（4）的大π鍵，相對更穩定。

Ⅱ.為何苯胺的路易斯堿性低于烷基胺？原因在于苯胺中N原子上的孤對電子與苯環形成π7（8）大π鍵，降低了 N原子上的孤對電子與 H+的結合能力。類似地，為何 BF3路易斯酸性比 BCl3的更弱？通過吸電子的誘導效應分析，理應 BF3中 B 原子比 BCl3中的 B 原子更缺電子，具有更強的路易斯酸性。實際情況是兩者結構中都存在大π鍵，體現路易斯酸性的過程會破壞大π鍵，所以大π鍵的穩定性是決定其酸性的主要因素，從圖3中不難發現 F原子與 B原子的半徑差別不大，兩者的 p 軌道匹配性較好，能形成較強的大π鍵，而Cl原子與B原子的半徑差別較大，兩者p軌道匹配性較差，形成的大π鍵較弱，所以路易斯酸性BF3比 BCl3更弱。

③關于物質反應性的解釋

Ⅰ. NO2為何容易雙聚？原因在NO2分子中，除了兩個氮氧σ鍵之外，還有一個π3（4）的大π鍵，該結構導致氮原子最外層還剩余一個單電子，該單電子導致其容易二聚形成N2O4，相關結構及反應如圖4。

Ⅱ.氯苯為何比氯乙烷更難與AgNO3發生取代反應？原因在于 Cl原子的3p軌道能與苯環中 C原子的2p軌道形成更大的π鍵，增強了 C-Cl鍵的鍵能，并降低了 C-Cl鍵的極性，所以 C-Cl鍵無論是均裂還是異裂都不容易，相應地與AgNO3更難發生取代反應。

Ⅲ.苯環是個富電子體系（圖5），具有高度的不飽和性，為何不易發生加成反應，而易發生取代反應？苯的取代反應從大π鍵的變化角度來看，其反應機理（如圖6）一般可以分為兩步：第一步，親電加成生成σ絡合物中間體，該步反應在熱力學上是不利的，C-E 鍵的形成在苯環上生成了一個 sp3雜化的碳，破壞了苯環的大π鍵，是個吸熱過程；第二步，sp3雜化的碳原子脫去H+，重新生成苯環，是個放熱過程，這個過程比被負離子進攻（對應于加成反應）有利得多。整個過程為放熱的，反應歷程如圖7。［5］

Ⅳ.為何甲苯、苯酚的取代活性強于苯，而鹵苯、硝基苯的取代活性低于苯？從上述苯的取代反應機理不難看出，反應的決速步驟是第一步，苯環上的大π鍵的電子密度的高低，顯然會影響苯環與親電試劑E+的結合。當苯環上的取代基對于苯環來說是給予電子的，則會增強苯環上大π鍵的電子密度，如甲基和羥基等，從而增強苯環的取代反應活性；反之，減弱反應活性。

④物質的毒性的解釋

CO與CO2的組成元素差別不大，為何毒性差別很大？一種觀點認為，除了元素的種類、元素的價態等因素外，有時分子中的π鍵情況也是影響物質毒性的因素之一。［3］從CO到CO2（結構如圖8所示），分子中的π鍵由定域變成離域，隨著π鍵的離域范圍增大，分子的穩定性增強，其毒性相應降低。HgCl2（升汞）有劇毒，而 Hg2Cl2（甘汞）幾乎無毒，原因也與上述情況類似。

需要強調的是，大π鍵的概念（包括本文中其他的一些概念和知識）在中學范圍不是必備知識點，教師在關聯教學時需要設置好梯度，給予足夠的情境，根據學生情況做合理的選擇。

三、大π鍵的“緣落”

關于學科大概念“大π鍵”，概念大到什么程度合適？概念可以串聯哪些模塊的教學？教師只有在學科理解的基礎上才能準確地認識、理解和回答這些問題。從《2020修訂版課標》所給出的“化學學科理解”定義，不難發現學科理解的載體是學科知識，因此教師對“大π鍵”知識的本源應有足夠精準的把握，要認識其靜態本質和動態規律，基于學科特質的思維方式和方法，形成具有學科特質的認識視角和認識思路，才能將學科知識關聯起來，并最終形成有機整體。［5］

下面談談“大π鍵”概念理解時可能出現的一些錯誤和不足。

（1）大π鍵的泛化

1，3-丁二烯中是否存在典型的大π鍵呢？

我們從圖9中可以發現，1，3-丁二烯中間的碳碳鍵的鍵長大于兩邊的碳碳鍵，［5］通過中間碳碳鍵的旋轉，1，3-丁二烯存在兩種極限構象（圖10），［5］顯然這與苯環中的大π鍵使得碳原子共面，碳碳鍵長均等有所背離。

基于上述證據，1，3-丁二烯的結構不應該簡單理解為大π鍵，或者說大π鍵不一定都是平均化的。更深入的理解需要從分子軌道理論來分析。圖11是1，3-丁二烯的四個碳原子的 p 軌道線性組合成分子軌道的示意圖，［5］從中不難看出，4個π電子填充了能量低的兩個成鍵分子軌道，能量最低的分子軌道表示中間兩個碳碳之間存在共軛作用，使得中間碳碳鍵比普通碳碳鍵鍵長要短；能量次低的分子軌道中間兩個碳原子間存在節面，使得中間的碳碳鍵鍵級低于兩邊，造成鍵長比兩邊的長，所以，中間的碳碳鍵在適當的能量下能夠被破壞，使得分子發生轉動，造成不同的構象。

再比如臭氧，我們在學習了SO2的結構之后，通過等電子體概念的衍生，很容易會把 O3的結構與SO2聯系起來，然后畫出 O3的分子結構（圖12），說明其中存在π3（4）大π鍵，這在一定程度上能很好地解釋臭氧的非極性，但是對于 O3分子的順磁性（只有分子中存在單電子，分子才能順磁性），卻不能很好地解釋，所以有人建議用圖13表示O3分子的結構。當然該結構也還是存在問題的，更深層次的討論這里不再涉及。

（2）大π鍵的局限

在有機化學的教學過程中，關于取代苯的定位效應往往是不可回避的。我們知道，甲苯、苯酚、鹵代苯等對于后續基團的定位效應為鄰對位，而硝基苯、苯甲醛等對于后續基團的定位效應為間位。作為教師不能僅僅停留在信息給予的結論層面，更應深入理解其反應機理，精準把握選擇性的本質。從大π鍵變化的角度來看，其反應機理仍然分為兩步，我們還是考察第一步決速步，其鄰、間、對位取代機理如圖14所示（用 G代表原有取代基）。如果只是這樣來表述反應機理，顯然不同的基團對于后續基團的定位效應是無法解釋的。

這里需要結合路易斯結構式和共振論來進行理解。如圖15所示，當G為給電子基團或者能提供p軌道與C+離子形成共軛體系時，能夠很好地穩定或分散與 G 直接相鄰的正電荷（+ E（H）和+），從而顯示出鄰、對位的定位效應。相反地，當G為吸電子基團時，G應與正電荷盡量遠離，顯示出間位的定位效應。

通過上述幾個實例，我們可以以大π鍵為載體，將結構、無機、有機以及原理進行關聯教學，教師應該清楚地知道，物質結構理論始終處于發展中，不同的結構理論可以適用不同的場景，教師要加強學習，增強學科理解，盡量用更接近客觀規律的結構知識和事實說明問題。

四、關于學科理解與關聯性教學的幾點建議

1.聚焦思維，教學目的深一度

對于教師而言，課堂教學的關鍵是教什么和怎么教的問題。教什么可以是多視角、多層面的，比如：學科視角、思政視角、審美視角等，但在學科課堂教學中，其他視角都應滲透、融合進入學科教學中，學科視角是其核心、主軸，在一定程度上會影響怎么教。［4］學科有其特定的認識對象、理論基礎、思維方式和方法，教師要與時俱進，聚焦學科，聚焦理解，充分挖掘學科對象（知識）的本源，運用好學科理論，聚焦學科思維，及時更新教學理念，讓學生具有完善的知識體系，優良的知識結構，像學科專家一樣思考學科問題與應用學科知識作為教學的最終目的。

2.聚焦學科，教學取材廣一度

教師對知識的理解，一方面應將其看成“學科知識本質上是人類特別是科學共同體理解并創造世界的過程與結晶”，另一方面更應該將其看成“知識是可切磋、可研討、可質疑、可批判的對象”，教師對化學知識的教學既要把它當作“結晶”呈現給學生，更要將其作為學科思維的載體。從載體的層面來看，教師應關注學科大概念：如活化能、焓變、熵變、化學鍵等，深度挖掘這些大概念在不同層級教材和水平要求下的呈現方式，敢于利用一些超“標準”的內容，只要有利于培養學生的思維，不超“標準”的思維要求個人覺得都是可行的。

3.聚焦知識，教學材料實一度

知識是結晶，知識本身存在真實性和準確性。知識的教學需要提供豐富的事實材料、例證、模型以及類比性的語言來幫助學生理解。但如果提供的過程性材料不合理、不充分，則會影響學生理解知識的準確性和全面性。［3］如前述大π鍵教學的邊界性問題，不引入顯然不太好解釋苯環的平均化問題，但過度使用則可能出現不合理甚至錯誤的情況。再如共價鍵、離子鍵、共價化合物、離子化合物的教學，由于多數中學化學教材中所涉及的共價鍵、共價化合物，大多數為非金屬元素之間結合而成的，不少教師往往就認為“僅在非金屬元素之間形成共價鍵”。實際上，兩原子間的化學鍵幾乎既不可能是純離子鍵，也不可能是純共價鍵，而是兩者兼而有之，只是誰占比更大而已罷了。同樣的，離子化合物的熔點一般高于分子型共價化合物，但也不絕對，如離子液體的熔點往往較低。再比如溫度對于化學反應速率的影響問題，對于有催化劑參與的非基元反應或者連續型反應，目前教師普遍認識到，溫度升高反應速率不一定變快，而對于基元反應，升高溫度，普遍還是認為反應速率一定變大的。我們來觀察反應 OH-＋HNO3=H2O＋ NO3（-），其反應歷程—勢能圖如圖16，［6］在該歷程中，由反應物到過渡態的中間過程通過氫鍵先形成了一個中間絡合物 OH · HNO3，在勢能圖17上相當于形成了一個勢阱，有可能造成整個基元反應的活化能為負值，基于阿倫尼烏斯方程，升高溫度，反應速率應該是下降的。

因此，教師在進行關聯教學時要慎重，要謹慎選擇載體，要提供足夠豐富的過程性材料，還得注意材料的適用性，不應出現顧及科學性而超出學生認知能力，顧及學生理解又會出現科學性錯誤的知識載體。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］浙江省教育廳教研室.浙江省普通高中學科教學指導意見化學（2021版）［M］.杭州：浙江教育出版社，2021.

［3］吳星.中學化學學科理解：疑難問題解析［M］.上海：上海教育出版社，2020.

［4］姜顯光，鄭長龍，趙紅杰.提升教師學科理解能力：緣起、意義及策略［J］.化學教育（中英文），2022，43（17）：94-99.

［5］ K.彼得·C.福爾哈特.有機化學：結構與功能［M］.北京：化學工業出版社，2020.

［6］ Smith I W M，Ravishankara A R． J Phys Chem A，2002，106：4798.