微观探究促进宏观认识?定量研究促进定性分析

李笑然　姜影　黄翠英

摘 要：文章以氢键教学为例，通过分析教学内容，确定核心素养教学目标。以问题链为教学支架，借助Gaussian、Chem3D等软件辅助教学，着力构建微观探究促进宏观认识、定量研究促进定性分析的化学课堂，体现以素养为本的教学理念，从而促使学生多角度、深层次地建立基本概念的认识思路，培养化学学科核心素养。

关键词：氢键;微观宏观;定量定性;素养为本

中图分类号：G642 文献标识码：A 收稿日期：2020-06-29 文章编号：1674-120X（2020）35-0110-02

一、教学内容的分析

氢键位于鲁科版高中化学选择性必修2第二章第四节“分子间作用力与物质性质”。学习本节课之前，学生已掌握了原子结构及共价键的定义，初步了解了分子立体构型，具备了一定的从微观角度研究物质的能力，初步建立了“结构决定性质”的思想。通过本节课的学习，学生将了解氢键的存在、形成、定义、特点、类型及其对物质性质的影响和氢键在社会生活中的重要意义等知识内容，形成“宏观微观相结合，定性定量相结合”研究物质性质的思路模型。

二、教学目标

首先，让学生通过了解DNA复制过程，感受氢键与人类生命的密切联系，体会化学与生物学科的交叉渗透。其次，让学生通过软件探究氢键概念，建立氢键认识思路，了解氢键的形成条件、定义、特点以及对物质性质的影响，培养学生的“宏观辨识与微观探析”的化学认识视角。并基于已有事实和数据，让学生多角度定量地说明H2O的沸点高于HF的本质原因，培养学生的“定量研究促进定性分析”的能力。再次，让学生根据邻、对位羟基苯甲醛沸点类比邻、对位羟基苯甲酸的沸点大小，培养学生的“证据推理与模型认知”的素养。最后，让学生通过了解羊毛织品水洗后变形的原因及药物尼氟酸降低关节炎发生的机理，体会氢键与生活的密切联系以及物质结构研究在医疗中的应用，认识化学知识的价值，培养学生的社会责任。

三、教学思路

教师根据教学内容及核心素养教学目标，秉承“从生命走进化学，从化学走向生活”的设计理念，通过问题驱动，提高学生的课堂参与度，激起学生的求知欲。并借助视频、软件、化学史料等，化解教学难点，帮助学生在思考、探究和讨论等活动中建立氢键的思路模型，培养学生的化学学科核心素养。

四、“氢键”教学过程

（一）课堂引入——创设生命科学情境，建立联系

【问题1】播放DNA复制过程的视频，思考DNA双螺旋结构为什么能够稳定存在。

设计意图：根据生物必修一中DNA复制内容，借助视频创设教学情境，引导学生认识化学与生命的联系。

（二）课堂探究——借助软件探究学习，获取知识

【问题2】Chem3D软件展示A-T、G-C碱基对球棍模型（红色：氧原子，白色：氢原子），引导学生发现氢氧原子之间的氢键，进而提出问题：氢氧原子形成最常见的物质是水，水结冰后体积如何变化，为什么？

1.氢键形成

PPT动画展示水中氢键形成过程（如图1）。Chem3D软件展示冰的微观结构（如图2），解释问题2，即冰中每个水分子被四个水分子包围，形成变形的正四面体。氢键使水分子之间形成孔穴，造成冰晶体的微观空间存在空隙，反映在宏观性质上是水凝结成冰时，体积变大。

设计意图：在学生学习了液体热胀冷缩这一知识点后，教师用水结冰后体积变大的宏观现象来引发学生的认知冲突。运用PPT动画使氢键的形成直观化、形象化，降低学生的学习难度。借助Chem3D软件，建立冰的微观结构模型，让学生探究水凝结成冰时体积变大的原因。

2.氢键定义

介绍氢键定义的发展过程，从1939年Pauling首次提出氢键概念，到2011年IUPAC给出氢键准确的定义，人们一直沿用至今，即氢键是由已经与电负性很大的原子形成共价键的H原子与另一个电负性很大的原子之间的作用力，通常用X-H···Y来表示，其中X-H表示H原子和X原子以共价键结合。

设计意图：让学生结合化学史料，了解氫键概念的形成过程，理解氢键定义，体会科学家持之以恒的探索精神，培养学生积极的科学态度。

3.氢键饱和性

思考讨论一摩水周围平均有几摩氢键？通过引导学生观察冰的微观结构，说明氢键具有饱和性，让学生明确一摩水分子周围平均有两摩氢键。

4.氢键方向性

借助Chem3D软件，量取氢键的键角均约为176.2°，说明氢键具有方向性。

设计意图：运用软件，多次实测水中氢键的键角，让学生深刻认识氢键的方向性，感受微观的奥秘。

【问题3】观察ⅥA主族元素氢化物的沸点曲线，并思考：根据相对分子质量来看，水的沸点应该低于硫化氢的沸点，但事实却相反，为什么？

设计意图：从氧族氢化物的沸点变化曲线发现水的沸点反常，促进学生主动思考。进一步追问有助于学生整合新旧知识，理解氢键强度大于范德华力，培养学生灵活运用知识和多方位思考问题的能力。

【问题4】根据第ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素氢化物的沸点，类比H2O，为什么同族氢化物中，HF、NH3沸点也“反常”？结合电负性和原子半径，思考氢键的形成条件？

设计意图：通过说明HF、NH3沸点高于同族氢化物的原因，了解F、N原子易形成氢键，发散学生思维，培养其知识迁移能力。

【问题5】H2O和HF的分子间都存在氢键，为什么水的沸点明显高于氟化氢？

介绍氢键的研究方法。选择实验研究方法中的红外光谱法，即氢键的形成使X-H的吸收峰向低波数方向位移，且氢键强度越大，位移程度越大。并借助Gaussian软件建立模型，分别计算H2O、（H2O）2、HF、（HF）2的红外光谱。得到吸收峰位移程度：O-H（Δ=64 cm-1）小于H-F（Δ=110 cm-1），说明氢键强度：O-H···O小于F-H···F。理论计算结果表明，O-H···O氢键键能（18.8 KJ·mol-1）小于F-H···F氢键键能（28.1 KJ·mol-1）。O、F原子的电负性分别为3.5、4.0。这些说明氢键键能、电负性与红外光谱的研究结论一致。借助Chem3D软件观察（H2O）n和（HF）n的微观结构。发现一摩水周围平均有两摩氢键，而一摩氟化氢周围平均只有一摩氢键。因此，两摩O-H···O氢键键能之积（37.6 KJ）大于一摩F-H···F氢键键能（28.1 KJ），说明沸点除了与氢键键能相关外，还与氢键数量有关。

設计意图：借助红外谱图、氢键键能和电负性，多角度定量说明O-H···O氢键强度小于F-H···F氢键强度，与学生根据沸点高低判断的结果（O-H···O氢键强度大于F-H···F氢键强度）相反，从而进一步启发学生利用Chem3D软件微观探究氢键数量，最终说明H2O沸点高的原因，培养学生运用定量研究促进定性分析的能力。

【问题6】借助Gaussian软件，观察邻、对位羟基苯甲醛二聚体微观结构。提出二者互为同分异构体，为什么沸点却相差50°C？

测量氢氧原子间的距离，邻羟基苯甲醛的分子内氢氧原子距离（0.175 nm）小于分子间氢氧原子距离（0.201 nm）。由“距离越短，氢键强度越大，结构越稳定”说明邻羟基苯甲醛倾向于形成分子内氢键，分子间作用力为范德华力。因“空间位阻”说明对羟基苯甲醛只能在分子间形成氢键。得出对羟基苯甲醛的沸点高于邻羟基苯甲醛。在此基础上，进一步启发学生思考邻、对位羟基苯甲酸的沸点差异。

总结：氢键不仅存在于分子间，也存在于分子内，分子内氢键常见于芳香族化合物。

设计意图：引导学生观察邻、对位羟基苯甲醛二聚体微观结构，测量氢氧原子间距离，探寻邻、对位羟基苯甲醛沸点高低的本质原因，促进学生了解氢键类型及其对物质性质的影响，培养学生“证据推理与模型认知”的素养。

（三）课堂提升——关注社会生活应用，巩固知识

【问题7】世界关节炎患者约3.55亿人，亚洲平均6人就有1人患关节炎。尼氟酸由于具有较好的疗效，受到广大患者的青睐。根据药物尼氟酸的结构图及其与促炎蛋白酶相互作用图，分析尼氟酸消炎止痛的机理。

设计意图：启发学生用化学眼光关注社会生活，通过拓展介绍氢键在医疗中的作用，让学生体会化学与社会生活的密切联系，领会化学学科的价值，培养学生的社会责任。

本节课立足于培养化学学科核心素养，从生命活动出发，体现学科间的交叉渗透。设计由浅入深、层层递进的驱动性问题，促进学生思考，发散学生的思维。利用软件辅助教学，降低学生的学习难度，培养学生“宏观微观相结合、定量定性相结合”的思维和“证据推理与模型认知”的素养。联系社会生活，培养学生运用化学概念解决实际问题的能力，落实“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。

参考文献：

[1]王杨翠香.立足核心素养的化学基本概念课的教学实践与思考——以“离子反应”教学为例[J].中学化学教学参考，2018（8）：53-54.

[2]王成秩，胡志刚.化学教学中的比较逻辑——“氢键的形成”教学设计[J].化学教学，2015（1）：46-48.