微觀探究促進宏觀認識?定量研究促進定性分析

李笑然　姜影　黃翠英

摘 要：文章以氫鍵教學為例，通過分析教學內容，確定核心素養教學目標。以問題鏈為教學支架，借助Gaussian、Chem3D等軟件輔助教學，著力構建微觀探究促進宏觀認識、定量研究促進定性分析的化學課堂，體現以素養為本的教學理念，從而促使學生多角度、深層次地建立基本概念的認識思路，培養化學學科核心素養。

關鍵詞：氫鍵;微觀宏觀;定量定性;素養為本

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 收稿日期：2020-06-29 文章編號：1674-120X（2020）35-0110-02

一、教學內容的分析

氫鍵位于魯科版高中化學選擇性必修2第二章第四節“分子間作用力與物質性質”。學習本節課之前，學生已掌握了原子結構及共價鍵的定義，初步了解了分子立體構型，具備了一定的從微觀角度研究物質的能力，初步建立了“結構決定性質”的思想。通過本節課的學習，學生將了解氫鍵的存在、形成、定義、特點、類型及其對物質性質的影響和氫鍵在社會生活中的重要意義等知識內容，形成“宏觀微觀相結合，定性定量相結合”研究物質性質的思路模型。

二、教學目標

首先，讓學生通過了解DNA復制過程，感受氫鍵與人類生命的密切聯系，體會化學與生物學科的交叉滲透。其次，讓學生通過軟件探究氫鍵概念，建立氫鍵認識思路，了解氫鍵的形成條件、定義、特點以及對物質性質的影響，培養學生的“宏觀辨識與微觀探析”的化學認識視角。并基于已有事實和數據，讓學生多角度定量地說明H2O的沸點高于HF的本質原因，培養學生的“定量研究促進定性分析”的能力。再次，讓學生根據鄰、對位羥基苯甲醛沸點類比鄰、對位羥基苯甲酸的沸點大小，培養學生的“證據推理與模型認知”的素養。最后，讓學生通過了解羊毛織品水洗后變形的原因及藥物尼氟酸降低關節炎發生的機理，體會氫鍵與生活的密切聯系以及物質結構研究在醫療中的應用，認識化學知識的價值，培養學生的社會責任。

三、教學思路

教師根據教學內容及核心素養教學目標，秉承“從生命走進化學，從化學走向生活”的設計理念，通過問題驅動，提高學生的課堂參與度，激起學生的求知欲。并借助視頻、軟件、化學史料等，化解教學難點，幫助學生在思考、探究和討論等活動中建立氫鍵的思路模型，培養學生的化學學科核心素養。

四、“氫鍵”教學過程

（一）課堂引入——創設生命科學情境，建立聯系

【問題1】播放DNA復制過程的視頻，思考DNA雙螺旋結構為什么能夠穩定存在。

設計意圖：根據生物必修一中DNA復制內容，借助視頻創設教學情境，引導學生認識化學與生命的聯系。

（二）課堂探究——借助軟件探究學習，獲取知識

【問題2】Chem3D軟件展示A-T、G-C堿基對球棍模型（紅色：氧原子，白色：氫原子），引導學生發現氫氧原子之間的氫鍵，進而提出問題：氫氧原子形成最常見的物質是水，水結冰后體積如何變化，為什么？

1.氫鍵形成

PPT動畫展示水中氫鍵形成過程（如圖1）。Chem3D軟件展示冰的微觀結構（如圖2），解釋問題2，即冰中每個水分子被四個水分子包圍，形成變形的正四面體。氫鍵使水分子之間形成孔穴，造成冰晶體的微觀空間存在空隙，反映在宏觀性質上是水凝結成冰時，體積變大。

設計意圖：在學生學習了液體熱脹冷縮這一知識點后，教師用水結冰后體積變大的宏觀現象來引發學生的認知沖突。運用PPT動畫使氫鍵的形成直觀化、形象化，降低學生的學習難度。借助Chem3D軟件，建立冰的微觀結構模型，讓學生探究水凝結成冰時體積變大的原因。

2.氫鍵定義

介紹氫鍵定義的發展過程，從1939年Pauling首次提出氫鍵概念，到2011年IUPAC給出氫鍵準確的定義，人們一直沿用至今，即氫鍵是由已經與電負性很大的原子形成共價鍵的H原子與另一個電負性很大的原子之間的作用力，通常用X-H···Y來表示，其中X-H表示H原子和X原子以共價鍵結合。

設計意圖：讓學生結合化學史料，了解氫鍵概念的形成過程，理解氫鍵定義，體會科學家持之以恒的探索精神，培養學生積極的科學態度。

3.氫鍵飽和性

思考討論一摩水周圍平均有幾摩氫鍵？通過引導學生觀察冰的微觀結構，說明氫鍵具有飽和性，讓學生明確一摩水分子周圍平均有兩摩氫鍵。

4.氫鍵方向性

借助Chem3D軟件，量取氫鍵的鍵角均約為176.2°，說明氫鍵具有方向性。

設計意圖：運用軟件，多次實測水中氫鍵的鍵角，讓學生深刻認識氫鍵的方向性，感受微觀的奧秘。

【問題3】觀察ⅥA主族元素氫化物的沸點曲線，并思考：根據相對分子質量來看，水的沸點應該低于硫化氫的沸點，但事實卻相反，為什么？

設計意圖：從氧族氫化物的沸點變化曲線發現水的沸點反常，促進學生主動思考。進一步追問有助于學生整合新舊知識，理解氫鍵強度大于范德華力，培養學生靈活運用知識和多方位思考問題的能力。

【問題4】根據第ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素氫化物的沸點，類比H2O，為什么同族氫化物中，HF、NH3沸點也“反?！?？結合電負性和原子半徑，思考氫鍵的形成條件？

設計意圖：通過說明HF、NH3沸點高于同族氫化物的原因，了解F、N原子易形成氫鍵，發散學生思維，培養其知識遷移能力。

【問題5】H2O和HF的分子間都存在氫鍵，為什么水的沸點明顯高于氟化氫？

介紹氫鍵的研究方法。選擇實驗研究方法中的紅外光譜法，即氫鍵的形成使X-H的吸收峰向低波數方向位移，且氫鍵強度越大，位移程度越大。并借助Gaussian軟件建立模型，分別計算H2O、（H2O）2、HF、（HF）2的紅外光譜。得到吸收峰位移程度：O-H（Δ=64 cm-1）小于H-F（Δ=110 cm-1），說明氫鍵強度：O-H···O小于F-H···F。理論計算結果表明，O-H···O氫鍵鍵能（18.8 KJ·mol-1）小于F-H···F氫鍵鍵能（28.1 KJ·mol-1）。O、F原子的電負性分別為3.5、4.0。這些說明氫鍵鍵能、電負性與紅外光譜的研究結論一致。借助Chem3D軟件觀察（H2O）n和（HF）n的微觀結構。發現一摩水周圍平均有兩摩氫鍵，而一摩氟化氫周圍平均只有一摩氫鍵。因此，兩摩O-H···O氫鍵鍵能之積（37.6 KJ）大于一摩F-H···F氫鍵鍵能（28.1 KJ），說明沸點除了與氫鍵鍵能相關外，還與氫鍵數量有關。

設計意圖：借助紅外譜圖、氫鍵鍵能和電負性，多角度定量說明O-H···O氫鍵強度小于F-H···F氫鍵強度，與學生根據沸點高低判斷的結果（O-H···O氫鍵強度大于F-H···F氫鍵強度）相反，從而進一步啟發學生利用Chem3D軟件微觀探究氫鍵數量，最終說明H2O沸點高的原因，培養學生運用定量研究促進定性分析的能力。

【問題6】借助Gaussian軟件，觀察鄰、對位羥基苯甲醛二聚體微觀結構。提出二者互為同分異構體，為什么沸點卻相差50°C？

測量氫氧原子間的距離，鄰羥基苯甲醛的分子內氫氧原子距離（0.175 nm）小于分子間氫氧原子距離（0.201 nm）。由“距離越短，氫鍵強度越大，結構越穩定”說明鄰羥基苯甲醛傾向于形成分子內氫鍵，分子間作用力為范德華力。因“空間位阻”說明對羥基苯甲醛只能在分子間形成氫鍵。得出對羥基苯甲醛的沸點高于鄰羥基苯甲醛。在此基礎上，進一步啟發學生思考鄰、對位羥基苯甲酸的沸點差異。

總結：氫鍵不僅存在于分子間，也存在于分子內，分子內氫鍵常見于芳香族化合物。

設計意圖：引導學生觀察鄰、對位羥基苯甲醛二聚體微觀結構，測量氫氧原子間距離，探尋鄰、對位羥基苯甲醛沸點高低的本質原因，促進學生了解氫鍵類型及其對物質性質的影響，培養學生“證據推理與模型認知”的素養。

（三）課堂提升——關注社會生活應用，鞏固知識

【問題7】世界關節炎患者約3.55億人，亞洲平均6人就有1人患關節炎。尼氟酸由于具有較好的療效，受到廣大患者的青睞。根據藥物尼氟酸的結構圖及其與促炎蛋白酶相互作用圖，分析尼氟酸消炎止痛的機理。

設計意圖：啟發學生用化學眼光關注社會生活，通過拓展介紹氫鍵在醫療中的作用，讓學生體會化學與社會生活的密切聯系，領會化學學科的價值，培養學生的社會責任。

本節課立足于培養化學學科核心素養，從生命活動出發，體現學科間的交叉滲透。設計由淺入深、層層遞進的驅動性問題，促進學生思考，發散學生的思維。利用軟件輔助教學，降低學生的學習難度，培養學生“宏觀微觀相結合、定量定性相結合”的思維和“證據推理與模型認知”的素養。聯系社會生活，培養學生運用化學概念解決實際問題的能力，落實“科學態度與社會責任”的化學學科核心素養。

參考文獻：

[1]王楊翠香.立足核心素養的化學基本概念課的教學實踐與思考——以“離子反應”教學為例[J].中學化學教學參考，2018（8）：53-54.

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