基于化學學科思維培養的苯的教學拓展

惠海濤

摘要： 根據苯的分子式及反應事實推測苯的結構，論證凱庫勒式結構的缺陷;通過聚合反應建立苯與乙炔、多聚乙炔之間的聯系;將苯的結構在空間擴展，關注苯與聯苯類化合物、稠環芳烴、石墨烯之間的關聯;將平面結構的石墨烯在空間卷曲，形成石墨與富勒烯、碳納米管結構間的內在統一;將石墨的六邊形結構重構，關注石墨與金剛石的差異與轉化;借助數列知識和極限思想，從含碳量的角度分析稠環芳烴轉化為石墨的過程，運用歐拉公式分析足球烯中的五邊形和六邊形個數，體現了化學與數學的學科融合;以諾貝爾化學獎為背景，介紹化學史中的相關研究及當前最新研究進展，滲透人文精神教育，培育思維的批判性、嚴謹性、敏捷性、整體性和創造性。

關鍵詞： 苯; 結構; 化學學科思維; 思維培養; 教學研討

文章編號： 1005-6629（2019）2-0089-05??????????? 中圖分類號： G633.8??????????? 文獻標識碼： B

科學的進步與發展離不開想象力，美國教育家杜威說過，“科學最偉大的進步是由嶄新的大膽的想象力所帶來的”，英國物理學家法拉第也說過，“一旦科學插上幻想的翅膀，它就能贏得勝利”。在中學化學教學中，如何培養學生的想象力呢？

高中階段學生的思維較為活躍、想象力較為豐富，教師在教學過程中應當點燃學生的思維火花，讓學生感受到思考的樂趣，以期實現從“知識指向的學習”到“思維指向的學習”的轉變。苯在中學有機化學教學中無疑有著獨特的地位，無論是推測苯分子的結構，還是探查苯與石墨、富勒烯等其他物質在結構上的關聯，這當中都蘊含著豐富的思維方法。在教學中基于實驗現象和相關數據的分析，對苯的結構展開推理、證實、證偽的過程有利于培養思維的批判性和嚴謹性;從苯到聚乙炔、稠環芳烴、石墨烯、富勒烯、碳納米管、金剛石的一系列學習視角的轉換，有利于培養思維的敏捷性和整體性;對石墨轉變為金剛石過程的學習與思考，有利于培養思維的創造性。

1? 從凱庫勒之夢到苯的芳香結構——苯的結構探析

1.1? 苯分子式的確定

1825年法拉第從生產煤氣的剩余液體中分離出一種液體物質，它無色透明、略有香味。1834年德國科學家米希爾里希通過蒸餾安息香酸（即苯甲酸）和石灰的混合物的方法在實驗室中得到同樣的液體，并將其命名為“苯”。后來法國化學家日拉爾經過測定，發現苯蒸氣的密度是同溫同壓下乙炔的3倍，其中碳的質量分數為92.3%[1]，由此可以引導學生計算出苯的分子式C6H6。

1.2? 苯結構的確定

自從苯的分子式確定以后，人們就對其結構產生了極大興趣。從分子式來看，苯的不飽和度較大。學生根據苯分子的不飽和度為4，構造出了許多結構，如鏈狀結構、環狀結構、立體結構：

那么苯的真正結構是怎樣的呢？根據其化學性質，如不能與酸性高錳酸鉀溶液或溴水發生反應，證明苯中不存在碳碳雙鍵或碳碳叁鍵，這些結構先后被否定了。1865年，凱庫勒因“夢”見苯環結構而名聲大震。根據夢境（有說是夢到了蛇，也有說是夢到了猴子），凱庫勒提出了苯環的單雙鍵交替的正六邊形結構，很好地解釋了一些反應事實。

苯的凱庫勒式結構是否十分準確呢？此時教師引導學生尋找反應事實及數據并進行分析，比如苯不能使高錳酸鉀溶液褪色;再如苯的鄰位二元取代物只有一種;又如烷烴中脫去2mol氫原子形成1mol雙鍵要吸熱，但1，3-環己二烯（）脫去2mol氫原子生成苯卻放熱，即苯比1，3-環己二烯更加穩定。上述證據都說明了苯中并不存在普通的碳碳雙鍵。后來人們在正六邊形的中間加入圓圈，體現出苯中獨特的化學鍵，并用圖1所示的比例模型來表示其獨特結構。隨著科學的發展，我們對苯分子結構的認知更加深入，科學家們已經借助掃描隧道顯微鏡，獲得了苯分子的圖像（見圖2）。在對苯的凱庫勒式結構辨析的過程中，學生的嚴謹性思維得以發展，證據推理意識得以加強。

2? 諾貝爾獎的三次垂青——正六邊形結構的空間延伸

2.1? 從苯到多聚乙炔

如前所述，日拉爾測定出苯蒸氣的密度是同溫同壓下乙炔的3倍，事實上乙炔在高溫下（400～500℃）可以發生環形三聚合作用，生成苯[2]：

這個反應苯的產量很低，沒有制備價值，卻為研究苯的結構提供了有利的線索。類似地，乙炔還可以發生四聚合反應，生成環辛四烯（

）。若將更多的乙炔分子進行聚合，則得到聚乙炔，以下所示為反式聚乙炔的結構片段。

日本化學家白川英樹和美國化學家黑格、馬克迪爾米德正因對多聚乙炔導電性能的研究而獲得了2000年諾貝爾化學獎。在這部分內容的教學中，追尋著科學家的研究之路，學生的思維方式為： 將苯與乙炔建立聯系，再將乙炔分子逐漸聚合而“擴展”，從三聚反應到四聚反應，再到多聚反應，其想象能力得到了初步發展。

2.2? 從苯到聯苯及稠環芳烴

乙炔分子能發生聚合而使結構逐漸擴展，那么能否將苯的結構也進一步擴展以得到新物質呢？容易想到的是從苯衍生出來的聯苯類化合物和稠環芳烴。一系列聯苯類化合物的結構如下所示[3]：

下面展示的是來源于瀝青的一組稠環芳烴，它們彼此雖然不是同系物，但其組成和結構都是有規律變化的。根據結構，我們可以寫出以下三種物質的分子式： C10H8、 C16H10和C22H12。

2.3? 從苯到石墨烯

當稠環芳烴中的苯環越來越多時，生活中與之相關的形象便逐步在腦海中浮現出來： 體育場上的足球網（見圖3）、自然界中的蜂巢（見圖4）、中國古典建筑中的六邊形窗欞（見圖5），這些形象與稠環芳烴的結構何其相似。

接下來，石墨的結構便在頭腦中出現，其結構看起來與稠環芳烴也是極其相似的，然而從物質類別上看兩者也有不同之處： 稠環芳烴屬于烴，其中含有氫原子，而石墨是碳的單質。那能否將稠環芳烴轉變為石墨呢？若能實現這種轉化，其思路又是什么呢？這就自然要考慮將稠環芳烴中的含氫量進一步減小或將其含碳量進一步增大。這種轉化是否容易呢？為此，我們需要先討論稠環芳烴中的含碳量問題。上述三種稠環芳烴的分子式分別為C10H8、 C16H10和C22H12，若將8個苯環甚至更多的苯環并在一起，所得物質的化學式該如何表達呢？我們發現，這一系列物質的化學式是以C10H8為首項、C6H2為公差而形成的等差數列，利用等差數列的通項公式可求得這一系列物質的化學式為C6n+4H2n+6（n∈N，且n≥1）。這一系列物質中碳元素質量分數的最大值為多少呢？有學生提出利用極限法，思路如下：

C%=limn→∞12×（6n+4）12×（6n+4）+1×（2n+6）×100%

=12×6n12×6n+1×2n×100%=97.3%。

而其中即使是萘（C10H8），其含碳量也已高達93.75%，可見要想再增大稠環芳烴中的含碳量使之轉變為石墨是較為困難的。不過，科學工作者已對此做了相關研究，并取得了一定成果： 王朝剛以萘為原料、四水合乙酸鎳為催化劑，以3︰1的摩爾比進行自生壓炭化，所得產物的石墨結晶度為57.1%。隨著稠環芳烴中苯環數目的增加，炭化產物中石墨結晶程度還會有明顯提高[4]。

提到石墨，就自然會想到石墨烯。2004年，英國兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，這兩位科學家也因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

2.4? 富勒烯與碳納米管

無數的正六邊形向外生長，得到了石墨的平面結構。如果換一種思維角度，把平面網狀結構在空間卷曲和封閉，會形成怎樣的立體結構呢？其結果就是產生了石墨的兩種同素異形體——足球烯（見圖6）和碳納米管（見圖7）。

英國科學家克羅托、美國科學家斯莫利和柯爾于1985年發現了足球烯，并因此獲得了1996年的諾貝爾化學獎。足球烯分子具有60個頂點和32個面，其中12個面為正五邊形，20個面為正六邊形，整個分子形似足球，因此得名。因為建筑師巴基敏斯特·富勒曾設計出一種著名的“網格球頂”的拱形建筑，因而足球烯又被稱為“富勒烯”或“巴基球”。后來又將包括C60在內的所有含有偶數個碳原子所形成的分子統稱為富勒烯。

從培養學生的思維角度可設計問題： 能否求出C60中的正五邊形和正六邊形的個數呢？根據歐拉公式：

頂點數（V）+面數（F）=棱數（E）+2

設C60中五邊形和六邊形的個數分別為x個和y個，則該分子中頂點數V=60，面數F=x+y，棱數E=3×602=90。由歐拉公式得：

60+（x+y）=90+2①

另一方面，棱數也可以由多邊形的邊數之和（不要重復計算）來表示，則又有：

5x+6y2=90②

聯立解上述兩方程，得x=12， y=20，即C60分子中有12個面為正五邊形，20個面為正六邊形。借助于數學思維解決化學問題，這對培養學生學科間的聯系能力大有裨益。

1991年，碳單質的另一種形式——碳納米管誕生了。碳納米管中，碳原子排列成一個長的管狀圓柱體。通常情況下，碳納米管比較輕便、柔韌且極其堅固，可用作超強電纜[5]。

我們考量石墨烯、石墨、足球烯、納米碳管，這些物質都是碳的同素異形體，它們在結構上有內在的關聯嗎？圖8展示了這幾種物質的內在聯系。在教學中，引導和啟發學生分析各種物質的結構與內在關聯，在對物質宏觀辨識的基礎上進行微觀結構探析，充分發揮其想象力和推理能力，將使他們對化學產生別樣的感悟。

3? 點石成金之路——正六邊形結構的重構

石墨的同素異形體中最為學生所熟悉的就是金剛石。和前面提到的幾種物質不同，金剛石中不再含有平面正六邊形結構。觀察金剛石的結構片段（見圖9），一種視角是觀察到以碳原子為中心的正四面體結構（見圖10），另一種視角是觀察

到六邊形結構（見圖11），不過此六邊形是椅式結構而非平面正六邊形。

結構的差異在物質的性質上如何表達和體現呢？查閱熔點數據，石墨的熔點（3652℃）比金剛石（3550℃）還高，這似乎不合常規，因為金剛石為原子晶體，石墨為混合型晶體，金剛石的熔點似乎應該更高一些。但如果我們從化學鍵的角度來看，石墨晶體片層內共價鍵的鍵長是1.42×10-10m，金剛石晶體內共價鍵的鍵長是1.55×10-10m，石墨中鍵長更短，鍵能更大，因而破壞起來也就更難，故而石墨的熔點更高。

從熱力學角度看，兩者的穩定性也有差別：

C（石墨，s）C（金剛石，s）? ΔH=+1.9kJ·mol-1

常溫常壓下，1mol石墨轉變為金剛石需吸熱1.9kJ，即石墨比金剛石更加穩定。那這一反應能否發生？如果反應能發生，需要尋找到怎樣的反應條件？教師引導學生繼續分析，石墨的標準生成吉布斯自由能ΔfGm=0，而金剛石的ΔfGm=2.900kJ·mol-1，上述反應的ΔrGm=2.900kJ·mol-1>0，說明該反應不能自發進行。但石墨和金剛石的密度分別為2.260g·cm-3和3.515g·cm-3，即上述反應是一個體積變小的反應，盡管固相反應受壓強影響很小，但是加壓顯然對上述反應是有利的[6]。在課堂中引導學生對具體數據進行分析，通過定性與定量分析推出合理的結論，認識到反應條件對化學反應的影響，有利于深化學生的認知水平。

那么石墨轉變為金剛石是否已變為現實？如果能在實驗室或生產中實現這種轉變，其意義堪比點石成金。1954年，霍爾等人以熔融的FeS作溶劑，在嚴格控制的高溫、高壓條件下使石墨第一次轉化為人造金剛石[7]。20世紀70年代末人們開始從另一個角度來思考人造金剛石的問題，利用激光技術、微波技術把分子拆開成原子。如1986年日本大阪大學的Katsuki Kitahama完成了在硅片上用激光誘導沉積方法制備金剛石薄膜的研究[8]：

CH4+H2微波放電（50kPa）硅基體溫度950℃金剛石薄膜

1998年，我國李亞棟、錢逸泰等人以Ni-Co-Mn和金為催化劑，將CCl4與過量金屬鈉置于427K的高壓釜中反應生成雜有大量非晶態碳的金剛石[9]：

4Na+CCl4427K催化劑C+4NaCl

近幾年，復旦大學劉智攀與上海大學謝耀平等研究人員通過模擬研究，解釋和回答了多年來一直困擾科學家的問題： 為什么石墨在5～20GPa的壓力之下會轉變成六角型金剛石（hexagonal diamond）而不是形成像理論所預測的更為大家熟悉的立方型金剛石（cubic diamond），相關研究已于2017年2月發表在《美國化學會志》上[10]（見圖12）。

圖12? 劉智攀等人的研究圖示

值得一說的是，在化學史上還有一則關于人工合成金剛石的烏龍事件。1893年，法國化學家莫瓦桑聲稱通過實驗首次制備出了金剛石。此后，人們紛紛去重復莫瓦桑的實驗，結果無一成功。后來真相被揭開，原來是莫瓦桑的助手由于對反復無休止的實驗感到厭倦，于是悄悄地將一顆天然鉆石混入實驗產品中去，從而成就了莫瓦桑的一時虛名。當真相揭開的時候，莫瓦桑已經作古。莫瓦桑由于研制氟氣、所謂的合成金剛石在化學界名噪一時。1906年諾貝爾獎評選時，莫瓦桑擊敗了發現元素周期律的門捷列夫，使得門捷列夫無緣獲獎，在化學史上留下深深的遺憾。二人在1907年相繼去世[11]。

在教學中教師提供化學史及最新的科研成果素材，其目的并非要求學生能達到科學家的研究水平，而是為了開闊學生的科學視野，培養學生的科學思維，使學生了解知識的由來、發展及應用，讓學生學會像科學家那樣思考問題，知道從哪些方面去分析和解決問題。

4? 結語

科學想象和推理在形成人的理性思維、科學精神和促進個人智力發展的過程中發揮著不可替代的作用。在教學中挖掘宏觀世界中苯、石墨、足球烯、碳納米管等物質之間的聯系，并從微觀角度構建物質間的轉變，引導學生用化學的眼光觀察世界，用化學的思維思考世界，用化學的語言表達世界，探尋事物的變化規律和內在聯系對培養學生學科素養無疑是有利的。本課例促進了學生思維能力、實踐能力和創新意識的發展。

參考文獻：

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[4]王朝剛. 稠環芳烴炭化行為研究[D]. 北京： 北京化工大學碩士學位論文， 2014.

[5]Michael J. Padilla and other. 科學探索者： 化學反應[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2013： 125.

[6][7]武漢大學， 吉林大學. 無機化學（下冊）（第三版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1994： 734～735， 736.

[8]傅獻彩. 大學化學（下冊）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2003： 654.

[9]楊奇， 喬成芳， 崔孝煒， 曹寶月， 周春生， 邸友瑩， 高勝利. 非金屬元素的同素異形體（二）——再談碳的同素異形體[J]. 化學教育， 2017， 38（22）： 12～31.

[10]YaoPing Xie， XiaoJie Zhang， ZhiPan Liu. Graphite to Diamond： Origin for Kinetics Selectivity [J]. Journal of the American Chemical Society， 2017， 139（7）： 2545～2548.