例談力學思維在高中化學中的應用

摘要：為了幫助學生更好地理解高中化學中部分比較抽象的概念，在教學過程中引入力學的思維，通過教學實例，從電子、原子、離子、分子等層次，指出微粒間的力學現象，詮釋概念的內涵。

關鍵詞：力學思維；抽象概念；作用力

文章編號：1008-0546（2016）12-0017-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.12.006

一、問題的提出

化學是一門理論和實驗并重的科學，化學概念是化學理論的重要組成，但很多化學概念的名稱比較抽象，例如氧化性、還原性，又如離子鍵、共價鍵等，這些概念與我們的語言表達習慣有很大的差異性，學生很難從字面上去揣摩概念的含義。面對這一現象，不同的教學者有不同的處理方法，例如背誦概念，逐漸消化；或者用習題帶出概念，通過辨析理解；或者詮釋字面意思，理解概念字面含義；或者編撰口訣，順溜記憶……表面上這些方法殊途同歸，都能達到幫助學生理解抽象概念的目的。但筆者認為，這些方法都停留在字面的含義，卻沒有提示化學的內涵，在培養學生的分析能力和理解能力上也是比較欠缺的。化學世界是一個物質的世界，不管是電子之間的作用，還是原子或分子間的作用，都普遍存在“力”學現象，而“力”是高中學生較為熟悉的一個基本概念，因此筆都在教學過程中，面對部分抽象概念，從力學角度進行分析，起到了事半功倍的作用，以下是筆者的若干教學片段，在此以作引玉之用。

二、教學案例的實施

1. 氧化性與還原性

學生在初三時學過反應過程中“得氧”和“失氧”的情況，而上了高中的第一個學期（以人教版為例）便系統學習氧化還原反應，學生很難把氧化與得電子、還原與失電子聯系起來，總覺得這兩個性質與得失電子是風馬牛不相及的，筆者了解到學生的迷惑之后，引導學生從“得電子能力”和“失電子能力”角度進行分析，物質具有氧化性，則表示它具它對電子具有吸引力，能吸引電子，吸引力越強，則表明氧化性越強，同理，還原性則表示物質對電子的吸引能力較弱，電子容易脫離，吸引能力越弱，則表明還原性越強[1]。筆者發現，經過這一分析，學生似乎找到了思維的著力點。而在這個基礎上，學生對一些疑難問題也能利用力的思維進行思考，例如在比較K+和Na+的氧化性時，學生結合鉀原子易失電子，推出K+對電子的吸引力小，氧化性較弱。

2. 酸性與堿性

對于酸堿性，不同的學派有不同的定義標準，高中化學傾向于質子酸堿理論，并且做了更小范圍的約定，即酸電離出的陽離子只有氫離子，堿電離出的陰離子只有氫氧根，但是講授酸堿性時，學生就開始有些難以接受。顯然，如果只是讓學生強行記憶酸堿反應的一般規律和化學方程式，雖然能勉強應付一般的考試，但學生對酸堿性的理解是不到位的。筆者認為，酸堿性可以從質子與電子、陽離子與陰離子的作用力角度進行理解。例如氫離子易與氫氧根反應，可推斷氫離子與氫氧根離子存在較強的吸引力，而氫離子能與鈉反應氫換出氫氣，也同樣說明氫離子結合電子的能力強于鈉離子結合電子的能力，氫離子能與碳酸鹽反應，也同樣是因為氫離子與碳酸根的吸引力更強。雖然學生還沒有學過電離能、晶格能等概念，但利用力學思維，從微觀角度去探究酸堿性的反應本質，能促進學生思考分析能力的提升，有助于后續的學習研究。

3. 離子鍵、共鍵價和氫鍵

對于化學鍵，教材從離子、原子之間的相互作用進行描述，在此基礎上，筆者利用“力”的概念對這兩種離子鍵和共價鍵進行了解析。在講授離子鍵時，筆者利用教材中鈉與氯氣反應的例子，畫出鈉離子和氯離子的結構示意圖，學生已經了解質子帶正電荷，而電子帶負電荷，筆者提問學生，當兩個離子相互靠近時，會有哪些作用力？在畫原子結構示意圖之前，學生認為鈉離子和氯離子的正負電荷相互吸引形成了離子鍵，但是在觀察結構示意圖之后，有學生便提出，電子和電子之間會相互排斥……經過討論分析之后，筆者和學生都達成共識，即離子鍵是引力和斥力的平衡狀態。帶著這種思維方式學習共價鍵時，學生同樣能從微觀角度理解電子和質子間的簡單受力情況。而在學習雙原子分子的共價鍵時，筆者引導學生從原子對電子的吸引力是否相同的角度，輕而易舉地推出極性共價鍵和非極性共價鍵。

氫鍵雖然不同于化學鍵，但同樣存在靜電引力問題。以水為例，氫氧共價鍵中，共用電子對明顯偏向于氧原子，導致氧原子顯出負電性（不是完整的電荷），而氫原子顯出正電性（不是完整的電荷），相鄰分子間的氫原子和氧原子之間存在比較弱的靜電引力，從而形成氫鍵。

4. 溶解與萃取

高中階段沒有展開學習溶解性的原理，僅僅對部分典型物質的溶解度作定性的描述。雖然學生對溶解原理，對分子間的作用力并不了解，但筆者認為，在不加重學生負擔的基礎上，適當地引入微觀角度的“受力分析”，可以幫助學生更好地理解溶解方面的問題。例如在講授萃取碘水時，從概念角度理解是比較抽象，而且學生迷惑，為什么溶質會從溶解度小的溶劑中轉移到溶解度大的溶劑呢？筆者引導學生從分子間作用力角度去理解，即碘單質易溶于有機溶劑，說明碘分子與有機分子間的吸引力較大，而碘分子與水分子的間吸引較小，當在碘水中加入四氯化碳，四氯化碳分子則奪取了水中的碘分子。筆者沒有引入水分子、碘分子和四氯化碳的晶體類型和分子間的作用力類型，只是從宏觀的溶解度大小推斷吸引力的大小，從而推斷兩種溶劑對溶質的溶解能力不同。

5. 膠體的聚沉

對于膠體的聚沉，學生都比較熟悉，即加熱、加電解質、加入膠體粒子帶相反電荷的膠體。但是筆者不希望學生這樣生硬地記憶，同樣引導學生從力學角度進行思考。膠體是一種介穩性的分散系，膠體粒子處于1～100nm之間，同種膠體粒子帶相同的電荷，在膠體粒子本身相互排斥力、水分子的作用力和重力的作用下達到平衡狀態，作無規則的布朗運動，在一段時間內可以保持穩定的狀態。但是加入電解質或膠體粒子帶相反電荷的膠體，中和了膠體粒子表面的電荷，膠體粒子有機會碰撞形成更大的粒子，當大于100nm時，受重力的作用發生聚沉；而加熱，使水分子、膠體粒子的能量升高，運動速度增大，分子碰撞成大顆粒的機會也增大，也有可能發生聚沉。

三、小結

力學現象普遍存在于物質世界中，化學物質的形成與變化往往也伴隨著各種力學現象，但由于化學變化是一個微觀過程，不適合于利用作用點、大小和方向等力的要素進行分析。盡管如此，由于學生在物理學上已經學過力的概念，在生活中對“力”也有豐富的生活體驗，此時將力學思維引化學課堂，能幫助學生間接地接納部分文字比較抽象的概念，起到思維的橋梁作用，可謂柳暗花明。但值得一提的是，由于學生的化學底子薄，沒有學過原子軌道理論，也基本沒有學過原子、離子、分子間的作用力的知識，因此筆者在教學過程基本不涉及大學化學知識，只是提出“力”的思維方式，讓學生嘗試從不用的角度去觀察化學現象，在觀察與思考過程中，逐漸培養微觀、科學的思維習慣。

參考文獻

[1] 林增輝. 化學教學內容的呈現方式[J]. 教學與管理，2015（28）