基于课堂实证的分子间作用力对话式课堂构建

2018-05-03李发顺

教学月刊·中学版（教学参考） 2018年3期

摘要：“分子间作用力”是化学学科的重要概念，既要知道其存在及对分子晶体物理性质的影响，又不探讨分子极性与溶解性关系和氢键种类，既把抽象的作用力用熟悉的电荷作用来解释，又将微观世界的作用宏观的表示，既学习看似独立的知识，又通过反刍将其系统化。在科学原理本质理解中构建“对话式”课堂。

关键词：分子间作用力；课堂实证；对话式课堂；模型构建

分子间作用力是微粒之间相互作用的反映，难以观察、测定与表达，怎样将微观世界的作用通过易于理解的途径表示出来？怎样实现学生对分子间作用力的认识？怎样用自己对分子间作用力的认识反刍自然现象与学过的知识？为有效解决上述问题，笔者基于必修要求对分子间作用力进行了设计与教学实施，下面对五个教学片段的课堂进行实证分析，向读者介绍“对话式”课堂模型[1]。

一、从共用电子对偏移认识分子间作用力

片段1：范德华力的成因与影响因素

以H2、Cl2、HCl、H2O、P4等分子内共用电子对与核电荷静电作用为情境，运用力的合成方法探讨H—Cl中共用电子对偏移为研究对象，引起δ+（H）和δ-（Cl），从而出现不同分子间H原子和Cl原子间的静电吸引（库仑力），认识分子间作用力（范德华力）。

师：H—H之间的共用电子对不偏向任何一个H原子，是非极性键，而H—Cl的共用电子对会在正中间吗？

生：因为Cl的核电荷大，产生相对较大（斥力和引力）的合力，使得共用电子对偏向Cl。

师：显示出较弱的负电性，而此时H原子呢？

生：显示出较弱的正电性。

生：这样第一个分子的Cl就可能吸引第二个分子的H，第二个分子的Cl又会吸引第三个分子的H。

师：以此类推，由于这样的合力（吸引力[F=KQ1Q2r2]）的作用，因此大量分子间相互作用结合形成不同状态的物质，如图1。

投影：物质在固、液、气态分子间距大小，如图2。

师：从上面公式中，我们发现分子间作用力F与分子间距有什么样的关系？与核电荷有什么样的关系？

生：F与核电荷大小成正相关，与分子间距成负相关。

师：其实核电荷的大小与相对分子质量也是正相关的，曾经的元素周期表就是按相对分子质量大小进行排列的（尽管现在看来不太合理），在结构相似的分子间，范德华力与核电荷和分子间距大小有关[2]。

分析与评论：上述教学过程既从本质上认识分子间作用力，又没有深入科学原理地分析范德华力的成因及影响因素，只是粗略地从电荷多少和分子间距来认识静电吸引（库仑力），让学生明白分子间存在力，而且受到分子间距、相对分子质量和分子结构影响，因为对分子结构与构型，没有作深层次探讨，所以只强调了结构相同。

片段2：氢键的成因与存在

以H2O分子间H—O共用电子对发生较强的偏移，使得H原子正电性更强，O原子负电性更强，从而使得分子间的静电吸引（库仑力）更大（比范德华力大，但比化学键弱得多），理解氢键的成因与存在。

师：若是H—O—H，存在H—O共价键，共用电子对偏移情况怎样？

生：O的非金属性（原理是电负性）比Cl更强，这对电子更加偏向O了，所以O原子的负电荷更多，而H原子的正电性也更强了，（教师引导观察）而且有两对。

师：这会不会导致第一个水分子中的δ-（O）和δ+（H）更大？

生：会不会导致不同水分子之间的范德华力更大了？

师：是的，分子间距更小了。我们把这样一种分子间作用力叫（）力，是科学家鲍林发现的，但他在其他地方已经有命名了，所以暂时还空着，等待下一位有杰出贡献的科学家的名字填上去，或许就在我们班，如“小龙力”。目前我们称为特殊的分子间作用力——氢键，其表示如图3。

师：除了H—O有强极性外，还有H—N键也有很强的极性，所以NH3分子间同样存在氢键。这与和H结合的另一种非金属的非极性强弱（电负性）有关，非金属性越强，键的极性也越强，所以带电荷就越多，库仑力就越大，还有什么非金属与H形成的共价键也可能存在氢键吗？

生：F的非金属性最强，HF分子间应该也有氢键。

生：HF和H2O之间是否会存在氢键？

师：从氢键成因来看，完全可以啊。你们是否记得NH3和HCl都极易溶于水，而且NH3溶解度更大一些？

生：是的，好像NH3是1∶700，而HCl气体是1∶500，是什么原因？

师：NH3分子和H2O分子间会产生极强的分子间作用力（氢键），这样NH3分子被H2O分子吸入了，所以溶解性更强，虽然H—Cl键没有H—N键极性这么强，但也比较强，所以HCl气体也极易溶于水啊。

展示图4。

师：CH4、SiH4、GeH4、SnH4结构相似，相对分子质量增大，所以分子间作用力增大，导致沸点依次升高。而另外三组（第ⅦA、ⅥA、ⅤA）氢化物沸点中有个大折线，为什么？

生：因為H2O、HF、NH3分子间存在氢键。

师：其实除了上述三种物质间，很多物质，特别是有机物，分子中存在上述三种共价键中的某一种或几种，分子间往往也存在氢键。

分析与评论：氢键的教学过程，并没有显示神秘，也没有逐个分析，而是依着范德华力增强慢慢延伸出来，这样做可以让学生更加清晰地理解氢键也只是一种分子间作用力，只不过比范德华力更强一点。更有意义的是学生通过这一内容的学习，还知道了原来一些物质的溶解性特别好，与氢键的存在有着密切的关系。帮助学生建立了从非极性键到极性键，随着键的极性增强（这里没有深入分子极性增强，不作要求），分子间作用力也在增大，导致分子间结合更加紧密，熔沸点更高，水溶性更大。

二、分子间作用力对物质性质的影响

片段3：分子间作用力对物理性质的影响

问题1：H2O升温变成气态，降温结冰成固态，分子间距和分子间作用力怎样变化？

生：升温变气态，分子间距变大，分子间作用力变小，降温结冰，分子间距变小，分子间作用力变大。

问题2：家里用高压锅炖较难煮熟的食物原理是什么？試着从加压、分子间距、范德华力和水的沸点角度分析

生：加压使分子间距缩小了，范德华力增大了。

师：增大压强可以升高物质的沸点吧。

生：那水的沸点升高了，食物在里面炖的温度就肯定比100℃高了，这样食物容易熟了。

问题3：盛装可乐的易拉罐打开时，有什么变化？

生：有气体冲出来。

师：原因呢？

生：打开后减压，气体溶解度减小，所以冲出来了。

师：说明密封加压时，分子间距减小，范德华力增大，所以溶解了更多的CO2在里面，打开减压，溶解度减小，气体就冲出来了。

生：是的，就是这样。

问题4：水结冰后体积和密度怎样变化？

生：水结冰后体积变大，密度变小。

师：水结冰，分子间距变小，分子间作用力（氢键）变大，应该体积变小啊。

生：书上说是体积变大，密度变小的。

师：难道分子间作用力（氢键）研究得不准确？

学生茫然了。

生：按氢键分析，体积是减小的，会不会有其他变化？

师：由于分子间作用力特别强，导致H2O缔合成更大的（H2O）n，而这些大块头的分子堆积时，会出现很多的空隙，导致体积变大，密度变小。

生：（学生一脸的兴奋）原来如此。仅从分子间距看是缩小的，但由于堆积原因，体积变大了。

分析与评论：这里设计的四个问题，是为了引导学生认识分子间作用力（包括范德华力和氢键）对物质物理性质的影响。问题1是强化分子间作用力与分子间距的关系，老师同时也巩固与相对分子质量关系。而问题2从高压锅炖食物易熟的原理，让熟悉的环境引起学生讨论与思考，其原因是增大压强，缩小分子间距，增大分子间作用力，提高水的沸点，达到更高的温度，易煮熟食物。问题3对于每一位同学都有过亲身经历，所以这个问题出现时，学生更加容易积极思考，也有很多学生想过，加压可以增大气体溶解度，其实也正是加压，缩小了分子间距，增大了分子间作用力导致的。问题4，小学科学知道水结冰体积变大，初中科学知道体积变大，密度变小，到了高中，真正从本质上认识了其原因，原来就是因为分子间作用力（氢键）导致分子缔合，其实（等质量的）分子总体积是减小的，但由于缔合成的（H2O）n体积变大后，再堆积在一起时，大分子中存在很多的空隙，使得冰的体积变大，密度变小。

三、比较微粒间作用的相对强弱

片段4：范德华力、氢键、化学键的强弱比较

情境1：

师：水汽化过程其分子发生怎样的变化？

生：还是水分子啊，没有变。（教师引导下）状态变了，体积变大了（等质量），分子间距大了，分子间作用力也变了。

师：继续升温到1000℃，且持续加热，又发生怎样的变化？

生：共价键断了，变成自由移动的H、O原子了。

师：这两种变化，你感觉哪一种更容易进行？

生：肯定是汽化，而且看上去条件差异有点大，估计分子间作用力比共价键弱得多。

情境2：卤化氢分子的范德华力和化学键的比较

师：看表1中数据，这三种氢化物，结构相似，范德华力1也是一种能量，和键能一样。

生：这样看来，键能几乎是范德华力的二十倍。

师：是的，一般在十几倍到上百倍都有，氢键从成因来看，应该比范德华力大一些吧，但跟共价键键能相比还是要小很多。

师：所以你们看我在表示时的差异了吧，如图5。范德华力没有任何点、线等表示，而氢键用虚线表示，共价键用实线表示，仅从这里就大致知道其结合强弱（能量）。

分析与评论：情境1的设计，让学生清楚H2O分子间作用力（氢键的破坏）同其共价键断裂相比，容易得多，这就从难易程度上帮助学生建立分子间作用力比共价键小得多。情境2给出定量的范德华力能量和共价键键能，更加直观地从数据上得出，共价键是范德华力的十几倍到上百倍之大。在氢键的形成过程中，氢键是范德华力大到一定值后的特殊分子间作用力，说明范德华力比氢键弱，两者与共价键相比弱得多。从能量上的差异比较，使学生有一个定量的数据观念，更能帮助学生从能量上区分分子间作用力与化学键。从表示方式上看，更加形象地说明共价键比氢键强得多（实线对虚线），范德华力更弱（没有特定的线条表示）。

四、HCl和NaCl发生物理变化和化学变化时微粒间相互作用的破坏

片段5：课堂小结检查学习效果

问题1：HCl从固态→液态→气态，破坏了何种微粒间作用力？NaCl从固态到液态，又破坏何种微粒间作用力？怎样实现？上述两种变化哪一种相对容易发生？为什么？

生：分子间作用力。

师：NaCl中存在“分子”？

生：没有分子，是Na+和Cl-，那就只有离子键了，只能破坏离子键。

生：（教师引导）NaCl从固态到液态，是熔化过程，看来是给了热量破坏了离子键。

师：对了，上述两种物质发生物态变化，哪一种更容易？

生：离子键有阴阳离子，静电作用应该更强，比分子间作用力大很多，所以HCl的变化更容易。

投影表2。

注：等物质的量，熔点、沸点越高，熔化和气化时需要吸收的能量越多。

师：这里就是让同学们知道化学键确实比分子间作用力强得多，而且分子间作用力只存在于分子构成的物质中。

问题2：若要让HCl液化，又会有怎样的能量变化？若要破坏HCl中的H—Cl共價键，怎么办？HCl溶于水，会发生怎样的变化？破坏了什么作用？

生：加压（其实降温也可以），可以缩小分子间距，增大分子间作用力。

师：从上面NaCl中离子键断裂需要吸收热量，推测只要给予足够的热量，相信也一定能断裂。还有什么办法也能使H—Cl共价键更容易断裂？

学生陷入沉思中。教师引导，如果用两个力分别向反方向拉H和Cl原子，拉断共价键后，共用电子对就被Cl给带走了，变成了Cl-。

生：我知道了，HCl溶于H2O，会产生H+和Cl-，H2O就是分别是拉H和Cl原子的物质，对吗？

师：（给予了充分肯定）水分子在这里起到了拉的作用，此时，没有加热，同样也破坏了共价键，这就是我们学过的电离。

分析与评论：问题1的设计，为达到四个检测目标：复习分子间作用力对物质状态的影响；知道只有分子构成的物质存在分子间作用力；离子化合物发生物态变化时，也是破坏了离子键；离子键和共价键一样，其结合（能量）比分子间作用力强很多。问题2的设计目的是：以HCl为素材，巩固分子间作用力影响因素，从比较中明确共价键断裂需要更多的能量，而且知道除了能量能破坏化学键，其他条件（如H2O分子作用）也能帮助破坏化学键，以此重新来看“电离”发生的原因。很多看似无关的知识，其实存在着必然的联系，这就是科学本质教学。

学习是引导学生发现知识的过程[3]，这个过程包括学生与自然（文本、现象、实验）的对话，从自然变化中发现问题，提出思考；通过学生与同伴（老师和同学）对话，在引导下经历发现与实证（证实与证伪）过程，在同伴质疑与交流中获得对知识的理解，方法的领悟[4]；通过反刍，自我对知识的理解，尤其是从知其然到知其所以然，这是与内心世界的对话，获得对科学本质的理解与认同。