基于大概念“相互作用力”的配合物教學(xué)理論與實踐

張道年

摘要：銅離子在水溶液中與不同微粒通過不同類型的相互作用力相結(jié)合。在“宏觀辨識與微觀探析”背景下以形成配位鍵作為目標(biāo)，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐漸理解“相互作用力”學(xué)習(xí)中的線索，形成整體觀念。

關(guān)鍵詞：配位鍵;大概念;相互作用力;學(xué)習(xí)進(jìn)階

文章編號：1008-0546（2022）02x-0007-06

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.002

一、提出問題

所謂大概念并非指學(xué)科中某一具體的概念或方法，而是這些具體知識背后所反映出的學(xué)科本質(zhì)，可運(yùn)用于新的情境，具有持久的可遷移應(yīng)用價值[1，2]。相互作用力是化學(xué)學(xué)科大概念之一，化學(xué)中有較多知識與相互作用力有關(guān)，在分章節(jié)教學(xué)中與相互作用力有關(guān)的內(nèi)容往往是割裂的，不能夠形成一個整體，在教學(xué)過程中雖然遵循循序漸進(jìn)有一定的合理性，但是從學(xué)生的視角來看化學(xué)知識就顯得較為雜亂了，盡管這種看法與事實是嚴(yán)重不符的。

化學(xué)是一門有邏輯體系的學(xué)科，從表1可見相互作用力是存在于不同的微粒中的，但是“相互作用力”這一概念比較抽象，學(xué)生難以理解全面，特別是在初學(xué)階段更是如此，所以相互作用力展現(xiàn)在學(xué)生面前看似比較分散，但本質(zhì)上也是在遵循著學(xué)習(xí)認(rèn)知的階段性。例如：初中和必修學(xué)習(xí)階段所學(xué)習(xí)的石墨、金剛石和C60都是碳原子，但是由于原子之間的相互作用力的連接方式不同，所以物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)不同;強(qiáng)弱電解質(zhì)之間也是由于微粒之間的相互作用力的類型和強(qiáng)度不同所以表現(xiàn)出來的化學(xué)性質(zhì)是不同的。而在選修階段介紹了分子間作用力、氫鍵和配位鍵等類型相互作用力，學(xué)習(xí)了可以用電解這種更為劇烈的方式使得相互作用力變?nèi)跎踔料А２煌⒘Ｖg按照相互作用力的理念將相關(guān)知識點連接在一起，形成一個整體。相互作用力這一大概念體系可以用大小、方向和曲線等表征方式等來表示。相互作用力的大小包括電解時的電壓大小、物質(zhì)分解時加熱所需要的溫度等。例如：Na、Mg、Al等分別與H2O反應(yīng)的難易程度凸顯出核外電子與原子核之間的相互作用力大小關(guān)系。相互作用力的方向包括水合銅離子是正四面體結(jié)構(gòu)，凸顯配位鍵是有方向的，而共價鍵、氫鍵等也都具有方向性。相互作用力的表征方式包括曲線、分子或原子模型、化學(xué)方程式、熱化學(xué)方程式、氫鍵表示式等，以水分子為例，分子內(nèi)外有很多種類型的相互作用力。例如：氧原子內(nèi)的原子核與核外電子之間的相互吸引和排斥，氧原子與氫原子之間的相互作用力即共價鍵，水分子與水分子之間有分子間作用力及氫鍵，而水合氫離子（H3O+）中有配位鍵（圖1）。

二、多種相互作用力關(guān)聯(lián)性的認(rèn)知水平及測評分析

相互作用力是抽象的，看不到、摸不著，學(xué)生是否能感知到相互作用力的存在呢？的確，對于學(xué)生來說相互作用力在一定程度上是難以理解的，學(xué)生對相互

作用力似乎有些暈。經(jīng)過紙筆測試和訪談發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對相互作用力的表征形式理解存在偏差，包括曲線表征、電極方程式、蓋斯定律等。針對于上述的情況，筆者精心篩選5道與相互作用力有關(guān)的測試題，包括以電解的形式出現(xiàn)的考查原子核與電子的靜電引力、以蓋斯定律的形式出現(xiàn)的考查共價鍵的強(qiáng)弱、以沸點高低判斷考查分子間作用力、以CuSO4·5H2O為例考查配位鍵、以氨水為載體考查氫鍵等。運(yùn)用系列測試題（表2）和測后訪談發(fā)現(xiàn)，學(xué)生首先需要解決的對相互作用力表征方式的理解問題，而能不能較好地理解微粒之間的相互作用力取決于學(xué)生對離子鍵、共價鍵、分子間作用力、氫鍵和配位鍵的理解程度。但是通過測試和個人訪談發(fā)現(xiàn)學(xué)生對上述系列問題的解決能力不是很強(qiáng)，甚至部分地方存在認(rèn)識不清、理解不到位的情況，其原因包括相互作用力本身比較抽象，學(xué)生理解起來的確存在困難;學(xué)生將相互作用力與其表征形式關(guān)聯(lián)起來有一定難度，影響了學(xué)生對問題的準(zhǔn)確把握等。

微粒之間相互作用力是客觀存在的，我們依靠多種表征方式把它們表示出來。但正是由于表達(dá)方式的多樣化，教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)出“散雜亂”的境況，造成學(xué)習(xí)目標(biāo)不夠集中，學(xué)生很難抓住重點，因此單元教學(xué)的重要作用就凸顯出來了。當(dāng)將“貌似不同”的內(nèi)容融合在一起，以某條線索貫穿起來，我們會驚奇地發(fā)現(xiàn)學(xué)生對整個知識體系的理解將會大有不同，而“配合物”就是這種學(xué)習(xí)方式的有效載體。應(yīng)用SPSS23.0的相關(guān)性統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)幾種類型的相互作用力有顯著性相關(guān)關(guān)系，說明學(xué)生在“相互作用力”的概念上存在認(rèn)知障礙，因此也不難理解學(xué)生對微粒之間的相互作用力認(rèn)識是比較狹隘的，原因可能源于微粒之間的各種類型的相互作用力內(nèi)容較為分散，教學(xué)中教師也沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍w納、總結(jié)和提升，教師也未能將“大概念”的思想融合在教學(xué)中。

配合物及配離子在高中教材中涉及的并不多，因此學(xué)生了解配位鍵的途徑并不多，但也并非不熟悉。配位鍵是一種特殊形式的相互作用力，包括銀氨絡(luò)離子、硫氰化鐵、四水合銅離子、四氨合銅離子等都存在。高一時曾經(jīng)學(xué)習(xí)過NH+4就存在配位鍵的雛形，因此同學(xué)們在學(xué)習(xí)“配合物”之前已經(jīng)有了一定的知識基礎(chǔ)。因為配離子都是在溶液中存在，因此在學(xué)習(xí)配位鍵時必定會涉及離子鍵、共價鍵、分子間作用力和氫鍵等相互作用力等形式，所以若以配位鍵作為教學(xué)中心，再整合其他類型的相互作用力作為教學(xué)載體，更容易提升學(xué)生對相互作用力這一大概念的理解和認(rèn)識，也會進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對各種相互作用力的理解?！芭浜衔铩币耘潆x子和配位鍵為學(xué)習(xí)目標(biāo)，以“固體溶解”“顏色變化”“沉淀的生成和溶解”等一系列宏觀現(xiàn)象去推理微觀變化，也就是多種“相互作用力”類型不斷變化的結(jié)果。從大概念“相互作用力”的角度對“配合物”教學(xué)，不但能夠更好地理解配合物和配位鍵，反映化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的“宏觀辨識與微觀探析”等，而且“顏色”“沉淀”等變化的線索也在有效地提示同學(xué)們有“相互作用力”的變化，促使學(xué)生建構(gòu)整體觀?！芭浜衔铩卑膬?nèi)容幾乎涵蓋了高中所學(xué)習(xí)的所有的相互作用力的類型（表3）。

三、“以相互作用力為載體的配合物”教學(xué)設(shè)計

從大概念的角度出發(fā)，以銅微粒的變化過程為載體，以宏觀現(xiàn)象作為線索探究相互作用力類型的變化。宏觀現(xiàn)象變化的背后必定有微觀變化，也就是圍繞在銅微粒周圍的相互作用力類型發(fā)生了變化。銅原子內(nèi)部有原子核與電子之間的相互作用力，因此能夠形成穩(wěn)定的原子，而當(dāng)單質(zhì)銅與濃硫酸在加熱條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸銅，Cu2+與SO2-之間有離子4鍵，相互作用力的類型就發(fā)生了變化。當(dāng)硫酸銅固體溶于水后生成藍(lán)色溶液，銅離子與4個水分子形成了配離子Cu（HO）2+，微粒之間的相互作用力類型再一24次發(fā)生了變化。氨水中微粒的情況就更為復(fù)雜，例如氨氣與水之間有氫鍵，但是氨氣與水發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)NH3·H2O又會電離出OH-離子，又有離子鍵。當(dāng)再向Cu（HO）2+中滴加少量氨水時形成了氫氧化銅沉淀，這24是離子鍵。但是當(dāng)氨水的量增多時，氨水又會與Cu2+反應(yīng)生成配離子Cu（NH）2+，此時得到的是絳藍(lán)色的溶液，配離子出現(xiàn)了（見圖2）。隨著體系內(nèi)相互作用力類型發(fā)生了變化，體系的顏色也發(fā)生了變化，其實就是兩條線索，一條是宏觀可見的體系顏色變化，另一條是微觀的相互作用力類型變化。按照“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)的研究過程設(shè)計“配合物”的教學(xué)過程。

1.教學(xué)目標(biāo)

銅微粒在不同條件下與其他微粒有一定的相互作用力，包括OH-、NH3、H2O、SO2-等。培養(yǎng)學(xué)生從反應(yīng)現(xiàn)象的變化去察覺微觀變化，培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”的素養(yǎng)。

2.學(xué)情分析

學(xué)生對相互作用力類型的理解呈散點狀，因此可以用大概念將相互作用力的不同類型整合起來。從相互作用力的角度去看“配位鍵”視角相對較為新穎，包括宏微結(jié)合、絡(luò)合物結(jié)構(gòu)和相互作用力類型問題。

3.教學(xué)步驟

【實驗】展示硫酸銅（CuSO4）白色固體，配制成CuSO4溶液。再向溶液中滴加少量氨水，觀察現(xiàn)象，繼續(xù)滴加過量氨水，觀察現(xiàn)象（表4）。

在實驗操作中圍繞著Cu2+周圍的相互作用力類型不斷變化，配位鍵在此過程中是重點。配位鍵的中心離子提供了空軌道，而配位分子提供孤對電子，相互作用就形成了配位鍵。配位鍵與共價鍵有區(qū)別也有聯(lián)系，聯(lián)系在于配位鍵從本質(zhì)上來說也是共價鍵，區(qū)別就在于兩個微粒之間的一對電子的來源不同。除此之外，配位鍵與共價鍵一樣也具有方向性。

（1）從宏觀的顏色變化看微觀的相互作用力類型變化（圖3-5）

觀察CuSO4固體的顏色是白色，而觀察到的CuSO4溶液和膽礬（CuSO4·H2O）的顏色是藍(lán)色的，Cu（NH）2+的溶液是絳藍(lán)色的。多種體系顏色的不同34給與學(xué)生的視覺沖擊是巨大的，也培養(yǎng)了學(xué)生以“宏觀辨識與微觀探析”為中心的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（2）在實驗操作中體會相互作用力的多樣性學(xué)生發(fā)現(xiàn)體系顏色的變化是由于不斷地有其他類型的微?！瓣J”進(jìn)原體系的緣故，要么包圍原來的微粒，例如水分子對離子鍵的“切斷”作用;要么與原來的微粒發(fā)生反應(yīng)，例如氨水與Cu2+發(fā)生反應(yīng)等。同時在整個實驗過程中學(xué)生也體會到微粒的多樣性等，例如氨水中微粒種類多種多樣，相互作用力類型包括氫鍵、分子間作用力、離子鍵等，而一水合氨（NH3·H2O）中的氫鍵形式如圖6所示。

（3）配位鍵的方向性

向CuSO4溶液滴加少量氨水，出現(xiàn)藍(lán)色Cu（OH）2沉淀（圖7左），繼續(xù)向濁液中滴加過量氨水，藍(lán)色沉淀消失，并形成絳藍(lán)色溶液（圖7右）。隨著物質(zhì)的顏色和狀態(tài)發(fā)生變化說明了在此過程中微觀粒子間的相互作用力也在變化。CuSO4固體是白色的，Cu2+和SO2-之間是4離子鍵，加水后CuSO4溶解，一個Cu2+四周有4個水分子以配位鍵相連接成Cu（HO）2+，溶液呈藍(lán)色。慢慢滴加氨水（NH3），氨水呈堿性，Cu在OH離子的誘惑下與水分子“決裂”而形成Cu（OH）2，Cu（OH）2是難溶于水的離子化合物，Cu2+與OH-離子之間的離子鍵相當(dāng)?shù)膹?qiáng)，很難被水分子“截斷”。但是當(dāng)氨水濃度大時Cu2+和OH-之間的離子鍵還是被破壞了，形成更難電離的配離子Cu（NH）2+。離子鍵無方向性，但是配位鍵有方向性（圖8、圖9所示）。

四、教學(xué)反思

1.相互作用力的“串聯(lián)”作用

學(xué)生是難以識別微觀的相互作用力的變化，但是卻可以通過宏觀現(xiàn)象的變化來引導(dǎo)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。并不是所有的化學(xué)反應(yīng)都有明顯現(xiàn)象的，通過宏觀現(xiàn)象更能說明問題，更能激發(fā)學(xué)生看到現(xiàn)象背后的問題。而在配合物一節(jié)，筆者發(fā)現(xiàn)配合物的制取過程中包含了多種顏色、多種狀態(tài)的變化，也包含了多種相互作用力的轉(zhuǎn)化，因此“相互作用力”可以作為一條線索，從大概念的角度促使學(xué)生更好地理解配合物的相關(guān)知識。在制取配離子為目標(biāo)的實驗過程中，基本囊括了學(xué)生高中階段所學(xué)習(xí)的所有類型的相互作用力。課堂教學(xué)中以實驗操作過程為線索，邊實驗邊講解，提醒學(xué)生思考溶液之中包括了哪些相互作用力。在一系列物質(zhì)的顏色和狀態(tài)的變化中，反映出的事實就是微粒之間的相互作用力的類型在變化。為什么會出現(xiàn)這種情況呢？表面上看是由于相互作用力的類型變化了，其實是穩(wěn)定性的問題。在大概念觀念視角下“相互作用力”是有大小和方向的。配合物教學(xué)過程中“相互作用力”是非常有力的工具，它是一條主線，將微粒銅的經(jīng)歷串聯(lián)在一起，教學(xué)實踐證明學(xué)生更容易理解。向Cu（HO）2+離子的溶液中滴加氨水，原來的配位24鍵會斷裂，生成了離子鍵，得到藍(lán)色的Cu（OH）2沉淀。學(xué)生察覺到了顏色變化、狀態(tài)變化等宏觀現(xiàn)象。當(dāng)氨水慢慢增多時，藍(lán)色沉淀又會消失，最后得到絳藍(lán)色溶液溶液，其中就包含了配位鍵，突出了“量變引起質(zhì)變”大自然的規(guī)律。配位鍵看似是“新生事物”，但是與共價鍵之間又千絲萬縷的關(guān)系，共價鍵具有方向性和飽和性，而配位鍵也是如此。用“配合物”作為教學(xué)載體，以大概念“相互作用力”作為宏觀現(xiàn)象變化背后的微觀本質(zhì)的原因，學(xué)生感覺更有條理性，更容易把握要領(lǐng)。

2.大概念與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

大概念“相互作用力”在本質(zhì)上與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”相關(guān)聯(lián)，雖然學(xué)生是難以直接察覺微粒之間的相互作用的，但是根據(jù)現(xiàn)象的變化，例如顏色變化、狀態(tài)變化等都是可以作為相互作用力變化的依據(jù)的?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析“”變化觀念與平衡思想”等，而其中的每一項素養(yǎng)都包含大概念的一種，例如“相互作用力”就能夠體現(xiàn)在宏微結(jié)合中，相互作用力類型這種微觀的變化往往都會伴隨著宏觀現(xiàn)象的變化，例如反應(yīng)體系的顏色等，雖然這其中的關(guān)系比較復(fù)雜，但是對于學(xué)生來說必定可以根據(jù)相關(guān)變化而變化體會到這一點。

學(xué)生在高一、高二新課學(xué)習(xí)階段往往都是在學(xué)習(xí)分散的知識點，感覺到化學(xué)學(xué)科知識較為零碎，但實際上化學(xué)學(xué)科也是一門較為系統(tǒng)的學(xué)科，之所以感覺零碎還是處于學(xué)習(xí)的初級階段，當(dāng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容相對寬厚之后就可以通過“大概念”予以說明，所以大概念的教學(xué)在高三二輪復(fù)習(xí)更有市場。除了“相互作用力”之外，“能量觀”“能量守恒規(guī)律”“平衡觀”的“平衡移動”“穩(wěn)定性”中的“能量最低原理”等，現(xiàn)象只是外部的、表觀的，并非本質(zhì)，但是透過現(xiàn)象看本質(zhì)，一系列顏色變化的背后體現(xiàn)出來的就是相互作用力的變化。

參考文獻(xiàn)

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