基于科學探究思維發展的配合物教學實踐
——以“配位鍵和配合物”為例

韓建豐 高凌蕊

北京市廣渠門中學(100062) 北京市首都師范大學第二附屬中學(100037)

1 教學主題及思路

1.1 以實驗探究為教學抓手

Sidgwick和Pauling共同提出配位共價鍵模型,形成了以中心離子(原子)提供軌道而配位體提供孤電子對為核心的配合物價鍵理論[1],在此之后,化學家對配合物的探索從未止步。配位化合物是一類有特征化學結構的化合物,該部分教學內容豐富,難點頗多,如中心離子雜化、強弱配體、同分異構體、晶體場理論等,但高中化學課程安排1～2課時很難觸及高位理論。因配合物的組成復雜、應用廣泛且在現代化學的各個領域都有涉及,我國高中階段化學課程非常重視其為學生發展科學探究思維的價值,將“配位鍵和配合物”放置于“物質結構與性質”模塊進行學習。

實驗教學中應對課本探究實驗素材進行整合與拓展,將知識的發現和研究融入科學探究實驗中,減少“視頻播實驗”“黑板畫實驗”“耳朵聽實驗”“考前背實驗”,著力于發展學生科學探究思維,結合配合物核心概念開發實驗探究情境,讓學生感受“提出問題→作出猜想→設計方案→得出結論→反思評價”的科學研究過程,引導學生多問自己“怎樣做”“為何這樣做”“還可如何做”,切實提升學生學習效率,提升化學學科核心素養。

1.2 將知識能力和方法融入實驗探究過程

高中化學課程目標之一是學生能形成“結構決定性質,性質決定應用”的觀念,能根據物質的微觀結構預測物質在特定條件下可能具有的性質和發生的變化,并能解釋其原因?；瘜W學科核心素養的發展依托于真實問題情境,體驗探究實驗過程是學生形成必備知識、關鍵能力和正確價值觀的重要途徑。

化學學科核心素養中的“科學探究與創新意識”著重在實踐中激發學生深度學習,以“溶液中銅離子”顯藍色的質疑探究→“濃氯化銅溶液顯綠色”的對比探究→“銅氨離子”發現探究→“四水合銅離子與四氨合銅離子穩定性”分析探究→“CO中毒”原理分析等層層推進的探究實驗和科學嚴謹的推理論證,助力學生掌握配位鍵和配合物核心概念,建構配合物結構與性質的關聯認知,實現宏微結合和定性定量結合的系統化知識結構[2]。

1.3 學習目標

①能從中心離子(原子)與配體的空間排布及其相互作用(配位鍵)角度對生產、生活、科學研究中的配合物應用案例進行分析和解釋,認識配合物對社會發展和科技進步的巨大作用,形成社會責任感;②能用結構決定性質、化學平衡等重要化學觀念多角度認識化學反應,預測配合物可能發生的化學變化,發展對化學學科本質的認識,具有證據推理與模型認知的科學思維;③能發現和提出具有探究價值的問題,能依據探究目的設計并優化實驗方案,較好地完成實驗操作并推理得出實驗結論,形成獨立思考、敢于質疑和勇于創新的科學精神。

1.4 教學結構

“配位鍵和配合物”一課時細化為5個環節,教學結構圖見圖1。

圖1 教學結構圖

1.5 教學預備

教師準備:依據教學需要,預設學生可能得出的實驗設計,提前準備好探究實驗需要用到的化學藥品與器材,見表1。

表1 探究實驗所需藥品及器材

學生準備:4人一組。設置組長1人,負責組織實驗探究活動;發言人1人,負責本組實驗現象及結論的匯報總結;設計師1人,負責本組實驗設計規劃;實踐者1人,負責組內探究實驗分工安排與過程中的協調。

信息化設備準備:每組1臺iPad(具備查詢資料與制作海報能力)。

2 教學實錄

2.1 初探藍色之謎

教師:請回憶硫酸銅溶液和硫酸銅固體的顏色。

學生:在高一階段學習硫及其化合物濃硫酸時完成了“銅和濃硫酸反應”實驗,觀察到產生白色固體,預測為無水硫酸銅,檢驗方法為將反應后混合體系緩慢加入裝有水的燒杯中并不斷攪拌,現象為白色固體溶解,溶液變為藍色。

探究1:硫酸銅溶液是同學們非常熟悉的物質,它呈現漂亮的天藍色,可是無水硫酸銅固體又為白色。

學生:小組內依據教師提供的藥品設計探究實驗思路。提出假設:銅離子顯色或硫酸根顯色。

明確思路:結合控制變量和空白對照實驗思想,確定實驗流程后開展班級內匯報交流。

教師:組織交流,歸納整理出合理實驗設計,確定探究實驗1最終方案,見圖2。

圖2 探究實驗1設計

學生實踐1:完成探究并依據實驗證據推理得到初步實驗結論。實驗匯報整合:試管1和2對比,試管1溶液為無色、試管2溶液為藍色,排除硫酸根使溶液變藍的可能;試管2和3對比,發現試管2和3溶液均為藍色,說明銅離子是硫酸銅溶液顯藍色的原因。但留有疑問,試管4溶液為綠色,說明氯離子參與了顏色的呈現。

學生:提出疑問:固體中的銅離子不會顯藍色,而溶液中的銅離子會顯藍色,說明銅離子和水分子一定有相互作用,到底是什么呢?

2.2 配位鍵的理解

教師:請推測銅離子和水分子如何成鍵。這種鍵是一種“特殊”的共價鍵,可以結合共價鍵概念進行思考。

學生:共價鍵的本質是共用電子對作用力,其中“共用電子對是關鍵”,由此可推測水分子單獨提供自己的孤電子對作為“共用電子對”填入銅離子的空軌道中。

教師:這種“電子對給予(配體)→電子對接受(中心離子或原子)”的特殊共價鍵即為共價鍵,我們得到的藍色溶液即為銅離子和水分子形成的配合物:硫酸四水合銅(II)。

探究2:在探究1的試管4中我們觀察到了“綠色”,說明溶液中不只為四水合銅(II)配離子。請設計實驗證明還有其他配離子的存在,并解釋溶液顯綠色的原因。

學生:氯離子可以確定參與了新的配合物的生成,怎么證明呢?因銅離子為中心離子,氯離子為配體,那需要關注氯離子濃度,增加新配合物的量。

教師:各小組匯報,整理提出的可能性假設和初步方案,和學生共同確定探究實驗2設計,見圖3。

圖3 探究實驗2設計

學生實踐2:完成實驗后記錄實驗現象,得出初步實驗結論。試管1和2對比,試管2中氯化銅濃度升高,綠色逐漸變黃,說明新配合物與銅離子或氯離子濃度升高有關。試管3和4對比,試管3溶液由綠色轉向藍色,試管4溶液顏色由綠色轉向黃色,說明藍色的四水合銅(II)離子仍舊存在,且能夠隨著氯離子濃度升高生成了新配離子,配體為氯離子。

教師:配合物的形成中同樣存在化學平衡。顏色轉化是否存在配合物的轉化呢?試著用平衡原理解釋顏色的轉化。

學生:小組討論探究2實驗結果,見圖4。綠色是藍色和黃色的混合色,氯離子濃度降低,平衡逆向移動,反之平衡正向移動。

圖4 探究2實驗結果

學生:提出疑問,結合化學平衡原理分析實驗結果,發現四氯合銅(II)配離子穩定性強于四水合銅(II)配離子,配合物的穩定性又是由什么決定的呢?如何預測與分析呢?

2.3 再探藍色之謎

教師:配合物穩定性可以從配位鍵的形成入手,配原子的孤電子對更易給出的更易形成穩定配合物。

探究3:請結合“物質結構與性質”模塊相關知識預測、設計、解釋四氨合銅(II)離子穩定性強于四水合銅(II)離子。

學生:分析實驗目的可知,需要設計實驗使四水合銅(II)離子通過化學反應轉化為四氨合銅(II)離子,根據提供的藥品可以設計向硫酸銅溶液中加入氨水觀察實驗現象獲取證據。

學生實踐3:小組協作完成實驗,解釋探究3實驗現象產生的原因,結果見圖5。

圖5 探究3實驗結果

由實驗現象分析,四水合銅離子的穩定性小于氫氧化銅,氫氧化銅穩定性小于四氨合銅離子。原理解釋:電負性O大于N,故給出電子對能力O小于N,形成配位鍵的強度O小于N,四氨合銅離子穩定性強于四水合銅離子。

學生:從以上實驗中知道了配離子穩定性有差別,但整個配離子穩定性普遍較好。溶液中除配離子肯定還存在其他離子,整體形成了配合物。配合物有什么性質呢?

2.4 配合物的認知

教師:配合物從結構上可以分為內界和外界,內界的中心離子與配體以配位鍵連接,因配離子穩定性較高很難發生反應,而外界離子是能夠電離的。

探究4:向探究3中得到的深藍色溶液加入95 %乙醇,會有什么現象?我們得到了什么物質,請設計實驗證明。

學生:依據物質性質進行預測:乙醇因存在—C2H5為誘導效應推電子基團,導致O—H鍵的極性減小,乙醇分子極性小于水分子。加入乙醇后溶液體系的極性降低,溶解在水中的物質溶解度下降會析出晶體,故推測晶體為 [Cu(NH3)4](OH)2或[Cu(NH3)4]SO4。要證明是哪一種物質,可借助硫酸根的檢驗方法。證明氨氣作為配體是否通過配位鍵與銅離子穩定配合,可借助氨氣的檢驗方法。

教師:歸納各小組實驗思路,組織學生開展探究。

學生實踐4:將95%乙醇加入到含有四氨合銅配離子溶液中,析出藍色沉淀。過濾,取少量深藍色晶體于試管中,加水溶解溶液為深藍色,先加入鹽酸酸化再加入氯化鋇溶液,產生白色沉淀。從而確定深藍色晶體是[Cu(NH3)4]SO4,且能夠電離出硫酸根離子。同時另取少量深藍色晶體,加水溶解后加熱,在試管口處放置濕潤的紅色石蕊試紙,不變藍,證明氨氣和銅離子配合較好,配離子整體比較穩定。

教師:配合物分為內界和外界,配合物電離時生成配離子和外界離子。配離子中含有提供空軌道的中心離子、提供孤電子對的配體,兩者通過配位鍵結合較為穩定。

教師:探究4實驗結果見圖6。

圖6 探究4實驗結果

學生:通過探究學習了解到配位鍵和配合物的相關知識,感覺很有趣。配合物知識在化工生產和生活中有哪些實際應用呢?

2.5 解決實際問題

教師:配合物應用廣泛,在生命體中也有很多應用實例。例如,我們在初三化學中學習過CO中毒的相關知識,請小組協作制作一張相關海報。

學生:課內查詢資料,結合血紅蛋白輸送氧氣確定血紅素與氧氣也是配合物。再結合探究3的結論發現一氧化碳做配體時碳原子電負性小,比氧原子更易給出孤電子對。因而CO濃度達到一定閾值時會替代氧氣與血紅素中心的Fe2+結合,導致中毒。

學生:小組內利用iPad制作海報說明CO中毒原理,班級內展示交流。學生匯報要素見圖7。

圖7 學生匯報要素

教師:至此,我們在探究中完成了配位鍵和配合物關鍵問題的學習,希望同學們逐步提升科學探究能力,在未來的學習中提出更多的問題,并去研究、解決它們,為個人成長和科技、社會的發展貢獻力量。有關配合物的高位理論知識還有很多,感興趣的同學可以繼續開展學習與研究。

3 反思提升

3.1 延續科學發展典范,讓科學探究推動深度學習

化學史乃至科學史上有很多以科學探究為動力的科學發展范例,例如“原子結構”模型,探究實驗如“陰極射線”“α粒子散射實驗”“原子光譜”等大力推動了科學發展?？梢娀瘜W作為一門實驗為基礎的自然科學,科學探究是必不可少的化學研究思路與方法?！芭湮绘I和配合物”的教學中以探究實驗設置驅動問題,創設學生易于入手的熟悉情境,引導學生在探究中發現問題、提出問題,教師適時提出相應概念回應學生的質疑、困惑,幫助學生深度學習。

3.2 培養學生主體意識,讓學生在探究中學以致用

高中階段化學學科的科學探究主要為對化學物質組成、性質及化學變化的探究。新理念教學中學生是課堂主體,同樣應是科學探究的主體,應該讓學生從目的、設計、實踐、反思、改進等全流程中發現探究實驗的真諦,激發主動性和創新意識,形成科學實驗嚴謹的品格,發展智力、培養能力。以課堂和實驗“主人”的心態逐步掌握“去偽存真、由此及彼、由表及里、遷移運用”的科學方法,通過宏觀現象認識到微觀世界的本質,形成結構決定性質的化學觀念,培養科學態度與科學思維并樂于參與科學研究和社會建設,達到“學以致用”的效果。

3.3 創設真實問題情意發展科學探究思維與創新意識

教師應充分重視探究實驗的價值,幫助學生沁潤在具有探究實驗情境的化學課堂,以自主、深入的探究行為發展學生必備知識、關鍵能力和正確價值觀。新時代教育呼喚創新型人才,創新型人才具有“靈活、開放、好奇”的個性,具有精力充沛、堅持不懈、注意力集中、想象力豐富以及富于冒險精神等特征[3]。實驗教學是國家課程方案和課程標準規定的重要教學內容,是培養創新人才的重要途徑[4]?；A教育階段主張更加關注學生的學習過程、學習經驗以及學習效果,有效激發學生創新意識與發展潛能。而創設真實的問題情境引導學生質疑并提出問題的探究實驗學習過程,契合對學生批判性思維的科學態度、探究思維、核心素養的培養要求。