從C的sp²雜化開啟全新的碳世界

申瑞聯(lián) 李莉 蔡玲 楊小弟

摘要：高中化學關(guān)于雜化軌道課程理論較為抽象，需要適當進行知識拓展，本文推薦了一個關(guān)于此部分教學的中學化學課堂拓展活動——“從Ｃ的ｓｐ２雜化開啟全新的碳世界”。

關(guān)鍵詞：雜化軌道；選修模塊；碳材料；課堂拓展

文章編號：1008-0546（201２）０4-0042-02中圖分類號：G６３２．４１文獻標識碼：Ｂ

doi：10.3９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０５４６．２０１２．０4．０19

我國著名物理化學家盧嘉錫院士曾風趣地把科學素養(yǎng)歸納為要具有“Ｃ３Ｈ３”，即Ｃｌｅａｒ Ｈｅａｄ（清醒的頭腦）、Ｃｌｅｖｅｒ Ｈａｎｄｓ（靈巧的雙手）、Ｃｌｅａｎ Ｈａｂｉｔ（潔凈的習慣），把這句話衍射到我們的教學中，就要求教師和學生在教學活動過程中要具備開闊的科學思維和積極的學習態(tài)度，具有“Ｃ３Ｈ３”正是科學素養(yǎng)初步具備的標致之一。傳統(tǒng)的教學常常過份關(guān)注完成教學任務(wù)，教學大綱要求什么就學什么，易造成課堂枯燥無味和教學效率低下，而新課標十分注重知識點的活學活用，與當今科學前沿聯(lián)系緊密。因此，在化學課堂上進行新興知識拓展，是一種很好的科學素養(yǎng)培養(yǎng)方式。開拓學生的眼界，豐富學生的知識，也就有利于激起學習的熱情和主動性。

自從新教材［１］使用后，學生普遍反應(yīng)選修３關(guān)于分子結(jié)構(gòu)、雜化軌道相關(guān)內(nèi)容枯燥乏味難以理解，如果用傳統(tǒng)講授式教學則得不到理想的教學效果。那么這部分內(nèi)容就十分適合采用知識拓展課進行教學［２］，讓課堂從封閉走向開放會讓學生發(fā)現(xiàn)這部分知識并不是死板無用，而是充斥著前沿科學，就有可能會對這部分學習由“懼怕”轉(zhuǎn)為“驚喜”，使教學獲得意想不到的效果。本文將介紹一個將“諾貝爾獎”融入雜化理論教學的課堂拓展教學實例——“從Ｃ的ｓｐ２雜化開啟全新的碳世界”。

一、教學目標

１．認識雜化軌道理論的要點并了解有機化合物中碳的成鍵特征；

２．通過科學前沿知識加深對Ｃ的ｓｐ２雜化應(yīng)用的理解。

二、課堂導入

導入是教師講解新課開始時運用建立教學情境的教學方法，引起學生注意、激發(fā)學習興趣、引起學習動 機、明確學習目的和建立知識間聯(lián)系的教學活動。

在課堂開講時以與本課題相關(guān)的諾貝爾獎項來引起學生興趣：克魯托Ｈ．Ｗ．Ｋｒｏｔｏ）與斯莫利（Ｒ．Ｅ．Ｓｍａｌｌｅｙ）、柯爾（Ｒ．Ｆ．Ｃａｒｌ）一起，因發(fā)現(xiàn)碳元素的第三種存在形式——Ｃ６０（又稱“富勒烯”“巴基球”）而獲１９９６年諾貝爾化學獎；１９９１ 年日本的Ｉｉｊｉｍａ 教授在高分辨率透射電鏡下發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和獨特的物理、化學特性以及潛在的應(yīng)用前景而倍受人們關(guān)注；英國曼徹斯特大學科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在二維空間材料石墨烯的突破性實驗獲２０１０年諾貝爾物理獎。之后提出本課主題：這些科技前沿其實就是本課要講的基本內(nèi)容——Ｃ的ｓｐ２雜化軌道的成果，本課內(nèi)容與科學技術(shù)最高端發(fā)展息息相關(guān)，那么我們就在這節(jié)課好好地了解一下。

三、課堂教學

１．有關(guān)Ｃ的ｓｐ２雜化材料的形態(tài)解釋

首先，向?qū)W生解釋上述３種材料中碳原子均是ｓｐ２雜化形式，但表觀形態(tài)卻不盡相同，如下圖１。因此，如課本中介紹，雜化形式相同，其微觀形態(tài)相似，但宏觀形態(tài)不一定相同。

２． 有關(guān)Ｃ的ｓｐ２雜化材料的性質(zhì)介紹

對于初次接觸到這些新材料的學生來說這些新材料的性質(zhì)是難以記憶的，那么我們可以引用一些著名學者的言論式作一些形象的比喻。比如按照其發(fā)現(xiàn)的歷史介紹富勒烯時，可以把中科院化學所王春儒研究員的評論作為引言：“諸多異乎尋常的性能，使富勒烯對化學、物理、材料、醫(yī)藥、微電子等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠影響，在應(yīng)用方面顯示出誘人前景。”在介紹碳納米管和石墨烯的卓越性能時，可引用諾貝爾獎委員會評語：“碳納米管中碳原子的對稱性使其比計算機芯片上硅的導電性更好，其電阻低，產(chǎn)生熱量少，這一特性對于電路密集性發(fā)展的芯片行業(yè)來說其價值是巨大的。”“石墨烯的強度可以這么比喻，如果用１ 平方米的石墨烯吊床去承載４ 公斤的貓，那么這只吊床只有０．７７ 毫克，比貓的一根胡須還輕，并且用肉眼幾乎看不到這只吊床的存在”。相信學生聽完了這些形象解說后不但對這三類碳納米材料有了深刻的印象，對它們的相關(guān)性質(zhì)的理解也會更加生動，也對這學科充滿探索的欲望。

３． 有關(guān)Ｃ的ｓｐ２雜化材料的應(yīng)用拓展

此時可配合相關(guān)材料運用方面的多媒體模擬或視頻資料在課堂上展示，增加課堂生動性。

這三種主要材料因其性質(zhì)優(yōu)異而應(yīng)用廣泛，因此可以簡單概況介紹與我們生活相關(guān)的應(yīng)用，便于學生理解和記憶。（１）富勒烯：富勒烯在電、磁、光材料領(lǐng)域的應(yīng)用十分重要。例如可合成有光學累積記錄效應(yīng)的復合膜；形成以廉價碳材料代替昂貴金屬材料的有機鐵磁體；還有具有抗病毒活性的生物功能材料等。（２）碳納米管：碳納米管電容器、鋰離子電池研究廣泛；在燃料電池系統(tǒng)中用于氫氣存儲；還可用于對ＤＮＡ特異性基因片段進行快速檢測等。（３）石墨烯：石墨烯具有優(yōu)異的電學性質(zhì)，機械性能以及化學穩(wěn)定性，可作為超導材料、煙幕干擾新材料、防靜電衣料、減少噪聲的元件等。

四、課堂總結(jié)延伸

當我們介紹完三種材料的基本形態(tài)、特殊性質(zhì)和拓展應(yīng)用等知識后，還可以課后留給學生拓展性作業(yè)：關(guān)注科技新聞中相關(guān)報道，收集身邊高科技材料中是否有此類新型碳材料的應(yīng)用，設(shè)想并歸納其應(yīng)用前景等。

綜上而言，新型碳材料從多方面影響著人們的生活，其將在今后很長一個時期中繼續(xù)綻放光芒，我們用開拓型課程形式將其融合進雜化軌道分子結(jié)構(gòu)教學活動中，有利于寓教于用、活學活用，培養(yǎng)學生的科學理論和實踐素養(yǎng)，從而達到優(yōu)化教學設(shè)計提高教學效益的目標。

參考文獻

［１］ 普通高中課程標準實驗教科書：化學［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２００７

［２］ 曹清，胡宗球． 從高中與大學課程銜接看高中化學選修模塊的設(shè)置［Ｊ］．化學教育，２０１１，（４）：２２－２４