核心素養導向下的教學

薛志威

根據價層電子對互斥理論能夠能分析VSEPR模型和分子構型，在教學過程中，有學生提出這樣的問題：如SO2的VSEPR模型平面三角形，硫原子的價電子數是6，而模型中只看到硫的其中的4個價電子，還有2個去哪了？在算硫原子的孤電子對數時，每個氧原子會消耗硫原子的2個價電子，而這模型只看到每個氧原子消耗硫原子的1個電子形成1個σ鍵，為什么？中心原子硫原孤電子對怎么算出是兩對，2個σ鍵消耗硫2個電子，那還有4個價電子，不是兩對嗎？對于這一系列問題，要肯定學生能深入思考和追根問底的精神。

價層電子對互斥理論，它教給學生的是一種精準的公式和方法，能夠快速分析VSEPR模型和分子構型。它只解釋了原子間如何參與成σ鍵，如何計算中心原子孤電子對數，這些決定分子立體結構的因素。但對于計算公式的原理和分子內各原子所有的價電子怎樣參與成鍵，并沒分析清楚。基于教材的要求和考試的方向，認為沒有必要深挖細種，但這顯然不符合化學教學核心素養“宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知”的基本要求。況且從追求化學知識的體系性來看，很有必要對學生提出的問題進行深入分析和歸納總結。

一、關于π鍵教學的幾點思考

我們在學習共價鍵的分類時，知道共價鍵除了有σ鍵，還有π鍵。在回答學生有關SO2的有關成價電子的鍵情況時，SO2其平面三角形的VSEPR模型，只解釋了硫孤對電子和成σ鍵的情況，硫原子的其它價電子（P軌道）和氧原子的價電子（ P軌道）還參與形成肩并肩的π鍵。

1.如何分析分子（或離子）中是否有π鍵

（1）根據分子（或離子）的結構式判斷

常見結構式中若原子出現雙鍵或三鍵，原子一定參與形成π鍵 ，減去σ鍵，剩下鍵是該原子參與形成的π鍵的數目。在教學中，有同學提出疑問：為什么兩原子之間不能形成兩個σ鍵？其實只要根據σ鍵和π鍵的構成特點簡單分析就解決了，因為若一原子同時有兩條原子軌道頭碰頭與另一原子形成σ鍵，豈不是這個原子上這兩條原子軌道的伸展方向一樣（軌道夾角為0。），這顯然與原子軌道理論不一至。

（2）根據VSEPR模型來判斷

若VSEPR模型中，對于中心原子：價電子數=σ鍵數+2×孤電子對數，則中心原子一定不存在π鍵;價電子數>σ鍵數+2×孤電子對數，中心原子存在π鍵。

[例] ?SO2 ：價電子數=6，σ鍵=2，孤電子對數=（6-2×2）/2=1

6>2+2×1，也就是硫原子有些價電子去參與形成π鍵。

對于非中心原子：σ鍵數=8-價電子數，非中心原子不存在π鍵。σ鍵數<8-價電子數，非中心原子存在π鍵氧原子。

[例] ?SO2 ： 每個氧原子只有1個σ鍵，顯然比理論值2要小，氧原子參與形成π鍵。

（3）根據中心原子的雜化方式判斷

一般來說，若中心原子的價層電子對數為4，中心原子軌道雜化方式是SP3，則中心原子不存在π鍵，因為中心原子已不存在多余的P軌道去形成π鍵，也不存在多余的電子對數作為配體去形成配位π鍵。當然，中心原子若軌道雜化方式是SP2或SP，則中心原子有可能存在π鍵，還要具體結合VSEPR模型來判斷。

2.π鍵是怎樣形成的

確定了VSEPR模型和分子的空間構型后，中心原子沒有參加雜化的P軌道的其他價電子形成π鍵，連續相鄰的多個原子之間的形成π鍵稱為離域π鍵，或叫大π鍵。

CO是N2的等電子體，結構相似，但不同的是CO結構中，其中π鍵的電子對是氧原子提供的，抵消了其他兩鍵的部分極性，使得CO分子的極性較弱。

SO2 和O3是等電子體，結構相似，對于SO2中心硫原子，分析VSEPR模型時，計算：硫原子孤電子對數=（6-2×2）/2=1，公式中的“2×2”其中的“2”指一個氧原子會消耗硫原子2個電子去形成共價鍵，當然隱含著形成π鍵。正是這一點教材沒有解釋清楚，硫原子共被消耗4個（2×2）電子去形成化學鍵，其中有2×1=2個電子形成2個σ鍵，剩下2個電子去形成π鍵，這2個電子不是孤對電子，真正的孤對電子是在其中一條SP2軌道上。

有些學生根據不精準的結構 ? ? ? ?，一個σ鍵0—S 只消耗硫1個電子，把公式中的“2×2”改成“2×1”，結果算出孤電子對數為2，甚至認為硫原子采取SP3 雜化方式，結果就與教材大相徑庭了。其中，從非中心原子氧原子來說，氧原子不可能只形成一個σ鍵，因為氧原子2條P軌道有單電子，一個氧原子要形成2個化學鍵。

在分析各種分子的中心原子的VSEPR模型或軌道雜化方式時，真正的孤對電子放在雜化軌道上，在沒有雜化的P軌道上多余的價電子參與形成π鍵。例如，在SO2的π鍵是硫原子的沒有雜化P軌道電子對與兩氧原子的P軌道單電子形成的離域π34鍵，在分析π34鍵的電子數時，不要把兩側氧原子的兩對孤電子對算入，因為兩對孤電子對是基態原子時 S軌道和 一條P軌道的電子對，較為穩定，不參成π鍵，也不要把硫原子的孤電子對算入π鍵的電子。這些就解釋了本文中開頭學生提出的問題。

對于某些無機物的π鍵的形成的機理，特別中心原子的原子軌道的雜化方式有不同的解釋，如SO3，也有認為硫原子三條SP2雜化軌道單電子分別與三個氧原子PX軌道單電子形成3個σ鍵。同時，硫原子又采取Pd2雜化，三條平行軌道并垂直于σ鍵的平面三角形，同分別容納另三個價電子，與三個氧原子的另一有單電子P軌道，形成π46鍵。

對于二氧化碳的兩個π34鍵，要注意的是兩側的氧原子各有一對2S軌道上孤電子對沒有參加成鍵，因為形成π鍵是P軌道的電子。

二、有關氫鍵或配位鍵的組合教學

高中化學幾本教材相對獨立，有些內容表面不存在內在的聯系，在教學中要善于把前后凌亂的知識擰成一團，培養學生的證據推理和科學精神的核心素養。這種組合教學的處理，同時又能讓學生樹立學習化學的信心。

1.膽礬存在配位鍵和氫鍵

初中教學中，對于膽礬（CuSO4·5H2O）中的5H2O，只是簡單說是結晶水。在學習配位鍵的內容時，膽礬（CuSO4·5H2O）顯藍色是因為晶體中含有[Cu（H2O）4]2+，從而介紹四水化銅離的配位鍵。然而膽礬中的Cu元素與H2O的粒子比例是1：5，由于教材章節安排，沒有任何解釋，學到氫鍵時，若把膽礬（CuSO4·5H2O）的結構顯示出來，對于5H2O就一目了然了。作為配體的H2O與形成氫鍵H2O分子數比4：1，膽礬的化學式寫成[Cu（H2O）4]SO4·H2O，藍色的晶體如此細節的結構，前后知識達到完美的組合，同時把初中就熟悉的絢麗奪目的藍色晶體的微觀有了深入的了解，宏觀辨識與微觀探析的核心素養的教學體現淋漓盡致。

2.一水合氨分子的結構

3.硼酸的酸性

在《必修1》，教材對于H3BO3是一元一元弱酸原理，沒解釋。學習《選修3》：硼酸分子的結構（HO）3B ，不含非羥基氧原子，酸性不是分子直接電離出H+，硼是缺電子原子有空軌道，能加合水分子的氫氧根離子，形成配位鍵

硼的最高配位數是4，所以硼酸分子只能接受一個OH- ，只能生成一個H3O+ ，是一元弱酸。硼酸酸性和NH3堿性原理都與形成酸位鍵有關，只不過一個是電子對接受體，另一個是電子對供體而已。

總之，在教學過程中，教師注重知識生成過程、證據推理的和模型認知，準確把握前后知識關聯性，就能逐步培養學生從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題的能力。