基于大概念“相互作用力”的配合物教学理论与实践

张道年

摘要：铜离子在水溶液中与不同微粒通过不同类型的相互作用力相结合。在“宏观辨识与微观探析”背景下以形成配位键作为目标，促使学生在学习过程中逐渐理解“相互作用力”学习中的线索，形成整体观念。

关键词：配位键;大概念;相互作用力;学习进阶

文章编号：1008-0546（2022）02x-0007-06

中图分类号：G632.41

文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.002

一、提出问题

所谓大概念并非指学科中某一具体的概念或方法，而是这些具体知识背后所反映出的学科本质，可运用于新的情境，具有持久的可迁移应用价值[1，2]。相互作用力是化学学科大概念之一，化学中有较多知识与相互作用力有关，在分章节教学中与相互作用力有关的内容往往是割裂的，不能够形成一个整体，在教学过程中虽然遵循循序渐进有一定的合理性，但是从学生的视角来看化学知识就显得较为杂乱了，尽管这种看法与事实是严重不符的。

化学是一门有逻辑体系的学科，从表1可见相互作用力是存在于不同的微粒中的，但是“相互作用力”这一概念比较抽象，学生难以理解全面，特别是在初学阶段更是如此，所以相互作用力展现在学生面前看似比较分散，但本质上也是在遵循着学习认知的阶段性。例如：初中和必修学习阶段所学习的石墨、金刚石和C60都是碳原子，但是由于原子之间的相互作用力的连接方式不同，所以物质的微观结构不同;强弱电解质之间也是由于微粒之间的相互作用力的类型和强度不同所以表现出来的化学性质是不同的。而在选修阶段介绍了分子间作用力、氢键和配位键等类型相互作用力，学习了可以用电解这种更为剧烈的方式使得相互作用力变弱甚至消失。不同微粒之间按照相互作用力的理念将相关知识点连接在一起，形成一个整体。相互作用力这一大概念体系可以用大小、方向和曲线等表征方式等来表示。相互作用力的大小包括电解时的电压大小、物质分解时加热所需要的温度等。例如：Na、Mg、Al等分别与H2O反应的难易程度凸显出核外电子与原子核之间的相互作用力大小关系。相互作用力的方向包括水合铜离子是正四面体结构，凸显配位键是有方向的，而共价键、氢键等也都具有方向性。相互作用力的表征方式包括曲线、分子或原子模型、化学方程式、热化学方程式、氢键表示式等，以水分子为例，分子内外有很多种类型的相互作用力。例如：氧原子内的原子核与核外电子之间的相互吸引和排斥，氧原子与氢原子之间的相互作用力即共价键，水分子与水分子之间有分子间作用力及氢键，而水合氢离子（H3O+）中有配位键（图1）。

二、多种相互作用力关联性的认知水平及测评分析

相互作用力是抽象的，看不到、摸不着，学生是否能感知到相互作用力的存在呢？的确，对于学生来说相互作用力在一定程度上是难以理解的，学生对相互

作用力似乎有些晕。经过纸笔测试和访谈发现部分学生对相互作用力的表征形式理解存在偏差，包括曲线表征、电极方程式、盖斯定律等。针对于上述的情况，笔者精心筛选5道与相互作用力有关的测试题，包括以电解的形式出现的考查原子核与电子的静电引力、以盖斯定律的形式出现的考查共价键的强弱、以沸点高低判断考查分子间作用力、以CuSO4·5H2O为例考查配位键、以氨水为载体考查氢键等。运用系列测试题（表2）和测后访谈发现，学生首先需要解决的对相互作用力表征方式的理解问题，而能不能较好地理解微粒之间的相互作用力取决于学生对离子键、共价键、分子间作用力、氢键和配位键的理解程度。但是通过测试和个人访谈发现学生对上述系列问题的解决能力不是很强，甚至部分地方存在认识不清、理解不到位的情况，其原因包括相互作用力本身比较抽象，学生理解起来的确存在困难;学生将相互作用力与其表征形式关联起来有一定难度，影响了学生对问题的准确把握等。

微粒之间相互作用力是客观存在的，我们依靠多种表征方式把它们表示出来。但正是由于表达方式的多样化，教学内容呈现出“散杂乱”的境况，造成学习目标不够集中，学生很难抓住重点，因此单元教学的重要作用就凸显出来了。当将“貌似不同”的内容融合在一起，以某条线索贯穿起来，我们会惊奇地发现学生对整个知识体系的理解将会大有不同，而“配合物”就是这种学习方式的有效载体。应用SPSS23.0的相关性统计分析发现几种类型的相互作用力有显著性相关关系，说明学生在“相互作用力”的概念上存在认知障碍，因此也不难理解学生对微粒之间的相互作用力认识是比较狭隘的，原因可能源于微粒之间的各种类型的相互作用力内容较为分散，教学中教师也没有进行适当的归纳、总结和提升，教师也未能将“大概念”的思想融合在教学中。

配合物及配離子在高中教材中涉及的并不多，因此学生了解配位键的途径并不多，但也并非不熟悉。配位键是一种特殊形式的相互作用力，包括银氨络离子、硫氰化铁、四水合铜离子、四氨合铜离子等都存在。高一时曾经学习过NH+4就存在配位键的雏形，因此同学们在学习“配合物”之前已经有了一定的知识基础。因为配离子都是在溶液中存在，因此在学习配位键时必定会涉及离子键、共价键、分子间作用力和氢键等相互作用力等形式，所以若以配位键作为教学中心，再整合其他类型的相互作用力作为教学载体，更容易提升学生对相互作用力这一大概念的理解和认识，也会进一步促进学生对各种相互作用力的理解。“配合物”以配离子和配位键为学习目标，以“固体溶解”“颜色变化”“沉淀的生成和溶解”等一系列宏观现象去推理微观变化，也就是多种“相互作用力”类型不断变化的结果。从大概念“相互作用力”的角度对“配合物”教学，不但能够更好地理解配合物和配位键，反映化学学科核心素养的“宏观辨识与微观探析”等，而且“颜色”“沉淀”等变化的线索也在有效地提示同学们有“相互作用力”的变化，促使学生建构整体观。“配合物”包含的内容几乎涵盖了高中所学习的所有的相互作用力的类型（表3）。

三、“以相互作用力为载体的配合物”教学设计

从大概念的角度出发，以铜微粒的变化过程为载体，以宏观现象作为线索探究相互作用力类型的变化。宏观现象变化的背后必定有微观变化，也就是围绕在铜微粒周围的相互作用力类型发生了变化。铜原子内部有原子核与电子之间的相互作用力，因此能够形成稳定的原子，而当单质铜与浓硫酸在加热条件下发生化学反应生成硫酸铜，Cu2+与SO2-之间有离子4键，相互作用力的类型就发生了变化。当硫酸铜固体溶于水后生成蓝色溶液，铜离子与4个水分子形成了配离子Cu（HO）2+，微粒之间的相互作用力类型再一24次发生了变化。氨水中微粒的情况就更为复杂，例如氨气与水之间有氢键，但是氨气与水发生反应生产NH3·H2O又会电离出OH-离子，又有离子键。当再向Cu（HO）2+中滴加少量氨水时形成了氢氧化铜沉淀，这24是离子键。但是当氨水的量增多时，氨水又会与Cu2+反应生成配离子Cu（NH）2+，此时得到的是绛蓝色的溶液，配离子出现了（见图2）。随着体系内相互作用力类型发生了变化，体系的颜色也发生了变化，其实就是两条线索，一条是宏观可见的体系颜色变化，另一条是微观的相互作用力类型变化。按照“宏观辨识与微观探析”的核心素养的研究过程设计“配合物”的教学过程。

1.教学目标

铜微粒在不同条件下与其他微粒有一定的相互作用力，包括OH-、NH3、H2O、SO2-等。培养学生从反应现象的变化去察觉微观变化，培养“宏观辨识与微观探析”的素养。

2.学情分析

学生对相互作用力类型的理解呈散点状，因此可以用大概念将相互作用力的不同类型整合起来。从相互作用力的角度去看“配位键”视角相对较为新颖，包括宏微结合、络合物结构和相互作用力类型问题。

3.教学步骤

【实验】展示硫酸铜（CuSO4）白色固体，配制成CuSO4溶液。再向溶液中滴加少量氨水，观察现象，继续滴加过量氨水，观察现象（表4）。

在实验操作中围绕着Cu2+周围的相互作用力类型不断变化，配位键在此过程中是重点。配位键的中心离子提供了空轨道，而配位分子提供孤对电子，相互作用就形成了配位键。配位键与共价键有区别也有联系，联系在于配位键从本质上来说也是共价键，区别就在于两个微粒之间的一对电子的来源不同。除此之外，配位键与共价键一样也具有方向性。

（1）从宏观的颜色变化看微观的相互作用力类型变化（图3-5）

观察CuSO4固体的颜色是白色，而观察到的CuSO4溶液和胆矾（CuSO4·H2O）的颜色是蓝色的，Cu（NH）2+的溶液是绛蓝色的。多种体系颜色的不同34给与学生的视觉冲击是巨大的，也培养了学生以“宏观辨识与微观探析”为中心的化学学科核心素养。

（2）在实验操作中体会相互作用力的多样性学生发现体系颜色的变化是由于不断地有其他类型的微粒“闯”进原体系的缘故，要么包围原来的微粒，例如水分子对离子键的“切断”作用;要么与原来的微粒发生反应，例如氨水与Cu2+发生反应等。同时在整个实验过程中学生也体会到微粒的多样性等，例如氨水中微粒种类多种多样，相互作用力类型包括氢键、分子间作用力、离子键等，而一水合氨（NH3·H2O）中的氢键形式如图6所示。

（3）配位键的方向性

向CuSO4溶液滴加少量氨水，出现蓝色Cu（OH）2沉淀（图7左），继续向浊液中滴加过量氨水，蓝色沉淀消失，并形成绛蓝色溶液（图7右）。随着物质的颜色和状态发生变化说明了在此过程中微观粒子间的相互作用力也在变化。CuSO4固体是白色的，Cu2+和SO2-之间是4离子键，加水后CuSO4溶解，一个Cu2+四周有4个水分子以配位键相连接成Cu（HO）2+，溶液呈蓝色。慢慢滴加氨水（NH3），氨水呈碱性，Cu在OH离子的诱惑下与水分子“决裂”而形成Cu（OH）2，Cu（OH）2是难溶于水的离子化合物，Cu2+与OH-离子之间的离子键相当的强，很难被水分子“截断”。但是当氨水浓度大时Cu2+和OH-之间的离子键还是被破坏了，形成更难电离的配离子Cu（NH）2+。离子键无方向性，但是配位键有方向性（图8、图9所示）。

四、教学反思

1.相互作用力的“串联”作用

学生是难以识别微观的相互作用力的变化，但是却可以通过宏观现象的变化来引导学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。并不是所有的化学反应都有明显现象的，通过宏观现象更能说明问题，更能激发学生看到现象背后的问题。而在配合物一节，笔者发现配合物的制取过程中包含了多种颜色、多种状态的变化，也包含了多种相互作用力的转化，因此“相互作用力”可以作为一条线索，从大概念的角度促使学生更好地理解配合物的相关知识。在制取配离子为目标的实验过程中，基本囊括了学生高中阶段所学习的所有类型的相互作用力。课堂教学中以实验操作过程为线索，边实验边讲解，提醒学生思考溶液之中包括了哪些相互作用力。在一系列物质的颜色和状态的变化中，反映出的事实就是微粒之间的相互作用力的类型在变化。为什么会出现这种情况呢？表面上看是由于相互作用力的类型变化了，其实是稳定性的问题。在大概念观念视角下“相互作用力”是有大小和方向的。配合物教学过程中“相互作用力”是非常有力的工具，它是一条主线，将微粒铜的经历串联在一起，教学实践证明学生更容易理解。向Cu（HO）2+离子的溶液中滴加氨水，原来的配位24键会断裂，生成了离子键，得到蓝色的Cu（OH）2沉淀。学生察觉到了颜色变化、状态变化等宏观现象。当氨水慢慢增多时，蓝色沉淀又会消失，最后得到绛蓝色溶液溶液，其中就包含了配位键，突出了“量变引起质变”大自然的规律。配位键看似是“新生事物”，但是与共价键之间又千丝万缕的关系，共价键具有方向性和饱和性，而配位键也是如此。用“配合物”作为教学载体，以大概念“相互作用力”作为宏观现象变化背后的微观本质的原因，学生感觉更有条理性，更容易把握要领。

2.大概念與化学学科核心素养

大概念“相互作用力”在本质上与化学学科核心素养“宏观辨识与微观探析”相关联，虽然学生是难以直接察觉微粒之间的相互作用的，但是根据现象的变化，例如颜色变化、状态变化等都是可以作为相互作用力变化的依据的。化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析“”变化观念与平衡思想”等，而其中的每一项素养都包含大概念的一种，例如“相互作用力”就能够体现在宏微结合中，相互作用力类型这种微观的变化往往都会伴随着宏观现象的变化，例如反应体系的颜色等，虽然这其中的关系比较复杂，但是对于学生来说必定可以根据相关变化而变化体会到这一点。

学生在高一、高二新课学习阶段往往都是在学习分散的知识点，感觉到化学学科知识较为零碎，但实际上化学学科也是一门较为系统的学科，之所以感觉零碎还是处于学习的初级阶段，当学习的内容相对宽厚之后就可以通过“大概念”予以说明，所以大概念的教学在高三二轮复习更有市场。除了“相互作用力”之外，“能量观”“能量守恒规律”“平衡观”的“平衡移动”“稳定性”中的“能量最低原理”等，现象只是外部的、表观的，并非本质，但是透过现象看本质，一系列颜色变化的背后体现出来的就是相互作用力的变化。

参考文献

[1]张发新.大概念：学习进阶与教学策略[J].中学化学教学参考，2017（4）：6-9.

[2]何彩霞.化学学科核心素养导向的大概念单元教学探讨[J].化学教学，2019（1）：44-48.