指向“證據推理與模型認知”的物質結構教學

王星喬 滕瑛巧 李晶 包朝龍

摘要： 以水合離子作為教學導入，圍繞“分析配離子的形成過程”“探究配合物的組成結構”“解釋生產生活中的實際問題”等學習任務，精心設計問題，增設證據素材，引導學生通過實驗等途徑獲取證據，基于證據進行分析推理，從而建立、完善配位鍵（配合物）的認知模型，并運用模型解決生產生活中的實際問題，進而建構“物質結構與性質”模塊的認識實踐模型，發展學生“證據推理與模型認知”核心素養。

關鍵詞： 證據推理; 模型認知; 配合物; 教學設計

文章編號： 10056629（2022）09005707

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

為推進高中化學課堂教學轉型，增進教師學科理解，全面落實化學學科核心素養，浙江省教育廳教研室于2021年11月舉辦了高中化學新課程“關鍵問題解決”專題研訓活動。筆者（本文第一作者）執教了“配合物”這一示范課，受到了與會專家和教師的好評。

1 教學內容與現狀分析

“配合物”為人教版選擇性必修2《物質結構與性質》第三章第四節第一課時的新授課。主要內容如表1所示。

在這之前，教材已經安排學習了核外電子排布規律、共價鍵、雜化軌道理論等內容，為學習配合物奠定了基礎。教材設置了四個實驗，目的是為構建配位鍵和配位化合物的認知模型提供載體，使學生真實地感受配合物的存在和初步感知配合物的應用。教材注重化學事實和配合物模型之間的關聯和合理匹配，要求運用模型解釋或推測物質的組成、結構及其變化，從而學會用學科視角解決生產、生活中與化學相關的實際問題[1]。

根據已有文獻，多數教學設計在本課的引入階段采用無水硫酸銅和膽礬的顏色差異作為問題情境，但在解釋配位鍵形成時卻又借助NH3與H+結合成NH+4這一學生熟知的素材，說明水與銅離子形成配位鍵并不符合學生認知的最近發展區[2]。此外，在“配離子存在電離（解離）平衡”“銀鏡反應為何要用銀氨溶液”等教學內容上存在證據、論證等要素的缺失，無法讓學生經歷良好的論證過程，難以形成正確的認識。

2 教學思想與創新點

2.1 優化教學導入

本節課以教材《化學反應原理》中“HCl在水中電離示意圖”“CH3COOH在水中電離示意圖”作為情境素材[3]，自然而然地提出“從化學鍵角度思考H2O是怎樣與H+結合的”這一問題，引起情境與學生已有經驗（一般共價鍵）間的認知沖突。此外，從學科視角來看，水合離子在眾多物理學、化學、生物學過程中扮演著重要的角色，這一教學導入及后續教學可以讓學生認識到，水與其他物質的作用是非常復雜的過程，從理想化的簡單處理逐步接近復雜的真實世界[4]。

2.2 增設證據素材

證據是指“能夠證明某事物的真實性的有關事實和材料”，其可以分為宏觀證據、微觀證據、符號證據、定量證據、邏輯證據等類型[5]。證據是進行有效推理的基礎，本節課在教材基礎上增設了證據素材（見表2），為分析推理提供了事實依據。

2.3 完善論證過程

教學過程中創設真實的問題情境，引導學生基于證據對物質的組成、結構及其變化提出模型假設，通過分析、推理等方法認識“配位鍵”“配合物”，建立、完善“配位鍵”“配合物”的認知模型，進而運用模型解決實際問題。其論證過程如圖1所示。

3 教學目標

（1） 通過分析H3O+中配位鍵的形成，概括簡單配位鍵的形成實質及條件，說出配位鍵與一般共價鍵的異同，能預測不同微粒間能否形成配位鍵。

（2） 通過實驗真實感受配合物的存在，基于證據建構配合物的認知模型，會運用模型解釋配合物的某些典型性質，能結合信息推測簡單配合物的結構組成。

（3） 能舉例說明配合物在生物學、化學等領域的廣泛應用，通過閱讀資料了解我國科學家在配位化學領域的杰出成就，培育民族自豪感。

4 教學流程

教學流程見圖2。

5 教學過程

5.1 創設情境，舊知新解——分析配離子的形成過程

[展示]HCl、 CH3COOH在水中電離示意圖。

[教師]從圖中可以看出，H+在水溶液中以水合離子的形式存在，請書寫H3O+的電子式并從化學鍵角度思考H2O是怎樣與H+結合的？

[學生]書寫電子式并回答： 水分子中的氧原子上有孤電子對，H+的1s軌道是空的，H2O分子中氧原子的孤電子對進入H+的空軌道，它們結合在一起形成了H3O+。

[教師]這一化學鍵是由水分子提供孤電子對給予H+、 H+接受水分子的孤電子對形成的，這類“電子對給予接受”鍵被稱為配位鍵。與水合氫離子形成過程相似，氫離子與氨氣分子以配位鍵結合形成銨根離子。

[提問]結合H3O+、 NH+4的形成，思考形成配位鍵需要滿足哪些條件？配位鍵與一般共價鍵有何異同？

[學生]形成配位鍵的一方能夠提供孤電子對，另一方具有能夠接受孤電子對的空軌道。與一般共價鍵相比較： 實質是相同的，成鍵雙方共用電子對;差異在于配位鍵的共用電子對是由一方提供而不是雙方共同提供。

[提問]水分子除了可以與H+形成配位鍵，還可以與哪些常見微粒形成配位鍵？說說你的依據。

[學生]Na+、 Mg2+、 Al3+、 Fe3+、 Cu2+等離子均有空軌道，理論上都可以形成配位鍵。

[活動與探究]觀察無水硫酸銅顏色，用藥匙小頭取少量無水硫酸銅于小燒杯中，加入約10mL蒸餾水使其溶解，注意觀察現象。

[現象]無水硫酸銅為白色，加水溶解后溶液顯藍色。

[提問]藍色微粒是什么？請同學們結合教材95頁的圖3-36思考回答。

[學生]硫酸銅、氯化銅、溴化銅三種固體銅鹽的顏色各不相同，但它們的水溶液在一定條件下均顯藍色。可見，藍色既與Cu2+有關，又與H2O有關，應該是形成了剛才預測的水合銅離子。

[教師]研究表明，上述實驗中呈藍色的物質是水合銅離子，可以表示為[Cu（H2O）4]2+，叫做四水合銅離子。在四水合銅離子中，銅離子與水分子之間的配位鍵是由水分子提供孤電子對形成的，我們將這種以配位鍵結合而成的復雜離子稱為配離子。

[提供信息]新聞： 科學家首次看到水合鈉離子的原子級“真面目”[6]。

[教師]水合離子的概念提出一百多年來，科學家利用掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡成像技術，第一次直接“看到”水合鈉離子的原子級圖像（見圖3）。有資料表明，水合鈉離子中存在配位鍵[7]。水合離子在眾多物理學、化學、生物學過程中扮演著重要的角色（電化學反應、生物離子通道等）。

設計意圖： H3O+的形成這一問題情境引發學生認知沖突，激發學生尋求問題解決（配位鍵）以達到認知平衡的欲望。教材“實驗32”作為引入配合物概念的第一個實驗，尚不能讓學生經歷良好的論證過程，因而教學過程中在內容和順序上作了一定的調整，將幾種固體銅鹽及其溶液的顏色作為證據素材，讓學生進行分析論證。此外，新聞材料中水合鈉離子的原子層次圖像從微觀層次上佐證了學生的預測。水合離子素材有以下教學功能： 一方面作為構建配位鍵認知模型的載體;另一方面讓學生感知水就是最常見的配體，在眾多物理學、化學、生物學過程中扮演著重要的角色。

5.2 引導探究，突破難點——探究配合物的組成結構

[提問]除水外，是否還有其他電子給予體？

[學生]NH3、 X-、 OH-、 CO……

[活動與探究]取約3mL上述配制的硫酸銅溶液于試管中，向其中滴加氨水并振蕩試管，直到最初產生的沉淀恰好溶解為止。

[現象]先產生藍色沉淀，后沉淀溶解，得到深藍色溶液。

[討論]藍色沉淀是什么？為何會溶解？請運用平衡移動原理加以解釋。

[分析]向硫酸銅溶液里逐滴加入氨水，形成難溶物的原因是氨水呈堿性，可與Cu2+形成難溶的氫氧化銅。隨著氨水加入，氨氣分子與銅離子配位，銅離子濃度降低，使平衡向沉淀溶解的方向移動。實驗表明，深藍色微粒為四氨合銅配離子[Cu（NH3）4]2+， NH3分子中氮原子的孤電子對進入Cu2+的空軌道，以配位鍵形成了[Cu（NH3）4]2+。

[提問]氨水能夠溶解氫氧化銅，說明氨氣分子與銅離子間的結合力很強。與水分子相比較，你覺得哪個更強呢？

[學生]氨氣分子取代了水分子與銅離子配位，說明銅離子與氨氣分子間的配位能力更強。

[結論]配位鍵的強度有大小之分。

[提問]穩定的四氨合銅配離子能否解離出銅離子和氨氣分子？請設計實驗方案。

[方案1]取適量深藍色溶液，滴加Na2S溶液，若出現黑色沉淀，說明四氨合銅配離子能解離出銅離子。

[方案2]取適量深藍色溶液，滴加過量稀硫酸，氫離子可以與氨氣分子結合，若存在解離平衡，則深藍色會褪去。

[活動與探究]將上述深藍色溶液一分為二，向其中一份溶液滴加Na2S溶液，另一份滴加過量稀硫酸，觀察現象。

[現象]滴加Na2S溶液后有黑色沉淀生成;滴加過量稀硫酸溶液先產生沉淀，后沉淀溶解，溶液顏色明顯變淺。

[結論]配離子也存在解離平衡。

[演示實驗]取適量深藍色溶液，加入丙酮，并用玻璃棒摩擦試管壁。

[現象]有深藍色晶體析出。

[分析]結構測定表明，深藍色晶體是

[Cu（NH3）4]SO4·H2O，是一種典型配合物。一般來說，把金屬離子或原子與某些分子或離子以配位鍵結合形成的化合物稱為配位化合物，簡稱配合物。在[Cu（NH3）4]SO4·H2O中，Cu2+提供空軌道接受孤電子對，稱為中心離子，一般是金屬離子或原子，過渡金屬最常見;NH3分子提供孤電子對，稱為配體，NH3分子中氮原子直接與中心離子相連接，叫做配位原子;配位原子數目叫配位數，Cu2+的配位數是4;Cu2+和NH3分子以配位鍵相結合，形成配合物的內界;SO2-4為配合物的外界，外界指的是與內界電荷平衡相反的離子。配合物的組成結構如圖4所示。

[提問][Cu（NH3）4]SO4在水中能否電離？請給出依據。

[學生]內界和外界靠離子鍵結合在一起，[Cu（NH3）4]SO4是一種可溶性的離子化合物，在水中能完全電離。

[教師]由內界和外界構成的配合物在水中是完全電離的： [Cu（NH3）4]SO4[Cu（NH3）4]2++SO2-4。

[練習]指出冰晶石（Na3AlF6）中的配離子、中心離子、配位體、配位數、配位原子。

設計意圖： 配合物性質的核心在于配離子，據此本環節先完善學生對配位鍵模型的認識： 配位鍵的強度有大小之分、配離子也存在解離平衡，進而由內界到外界構建起配合物的認知模型。教學過程展開模擬科學論證過程： 從情境中提出問題，通過實驗等方式獲取證據，并基于證據進行分析推理，最終獲得科學結論[8]。教學過程中設計的一些問題如“藍色沉淀是什么、為何會溶解、請運用平衡移動原理加以解釋”“穩定的四氨合銅配離子能否電離出銅離子和氨氣分子、請設計實驗方案”，需要學生綜合運用平衡移動理論、配位鍵理論進行分析，以使學生從變化平衡的視角對配合物模型形成較為全面、正確的認識，有利于培養高階思維。教材中選用乙醇作為溶劑析出深藍色晶體，所耗時間較長，不適宜作為課堂實驗，遂改用丙酮，效果較好。但考慮到丙酮有一定毒性，改為演示實驗。

5.3 交流探討，感知應用——解釋生產生活中的實際問題

[過渡]配合物往往是有顏色的，有些配合物顯現出特征顏色，從而可以用于物質的檢驗。例如教材提到的硫氰酸根離子（SCN-）能夠以配位鍵與Fe3+結合呈現血紅色。NH3與Cu2+配位生成深藍色的四氨合銅配離子。此外，配合物在物質制備中的應用也非常廣泛。

[展示]必修第二冊銀鏡反應實驗。

[教師]銀鏡反應為何用銀氨溶液而不直接用硝酸銀溶液？

[活動與探究]（1）在潔凈試管中加入1mL 2%的硝酸銀溶液，然后一邊振蕩試管，一邊逐滴加入氨水，直至最初產生的沉淀恰好全部溶解為止，制得銀氨溶液。再加入2～3mL 10%的葡萄糖溶液，振蕩，然后放在熱水浴中加熱，觀察現象。

（2） 用2%的硝酸銀溶液代替銀氨溶液，重復上述實驗。

[現象]銀氨溶液與葡萄糖反應制得光亮銀鏡;硝酸銀溶液與葡萄糖反應后溶液變渾濁，有少量黑色物質生成。

[提問]銀氨溶液為何能制得光亮銀鏡而硝酸銀溶液則不行？

[分析]直接用硝酸銀溶液，銀單質快速析出，產物為黑色疏松銀粒。在[Ag（NH3）2]+溶液中，存在如下平衡： [Ag（NH3）2]+Ag++2NH3。由于Ag+被NH3包裹著，在其被葡萄糖還原成銀單質時，Ag+濃度減小，配位平衡右移，銀原子緩慢析出、均勻分布、有序排列，從而形成光亮的銀鏡[9]。

[討論]乙二胺（H2N—CH2CH2—NH2）能否代替氨水和銀離子配位制備銀鏡？給出你的依據。

[學生]應該可以，氮上有孤電子對，可以形成配位鍵。

[追問]與氨水相比較，哪個效果更好？

[學生]可能乙二胺更好，有兩個配位原子。

[提供信息]不同的銀配合物制取銀鏡的效果對比（見表3）[10]。

[教師]像乙二胺這樣，能夠提供兩個或兩個以上配位原子的配體稱為多齒配體。多齒配體與中心離子結合時猶如螃蟹雙螯鉗住中心離子，而使中心離子與配體結合時形成環狀結構，稱為螯合物，這類配合物比相應非螯合的配合物穩定得多。乙二胺能適當提高溶液的堿性且形成具有較高穩定常數的[Ag（en）2]+，從而有效控制銀離子被還原的速度，最終在室溫條件下獲得理想的銀鏡反應效果。

[展示]“物質結構與性質”模塊的認識實踐模型。

[總結]本節課針對水合氫離子等一些似乎無法解釋的化學事實構建配位鍵、配合物模型，這一模型具有猜測、假設的性質;接著利用模型預測四水合銅離子、四氨合銅離子的構成，通過實驗等方式獲取證據對模型進行檢驗和完善;最后運用模型推測或解釋物質的組成結構、反應性能及生產、生活中的實際問題。這也是“物質結構與性質”模塊的認識實踐模型（見圖5）。配位鍵的模型結構也可比喻為為人生成長與發展提供了指引： 就像配體與中心離子的關系，要有核心意識、合作意識和競爭意識，也要像螯合物中的中心離子與多齒配體那樣環環相扣、緊密結合，發揮出個體和團隊的最大優勢。

設計意圖： 本環節主要探討配合物在物質制備方面的應用，教學過程中增設了葡萄糖溶液分別與銀氨溶液、硝酸銀溶液反應這一對比實驗，要求運用配合物的認知模型解決真實問題。乙二胺配體的引入，一方面探查學生是否能運用配位鍵模型自主進行預測，培養學生“應用實踐”這一學科能力;另一方面，借此簡要介紹多齒配體、螯合物等概念，目的是讓學生了解配合物的復雜性，且這種復雜性與藥物合成、生命科學密切相關，與此同時實現學生對配合物模型的立體化、多層次認識。抽提、呈現“物質結構與性質”模塊的認識實踐模型，目的在于外顯本節課中蘊含的認識思路、核心觀念和研究方法，促使學生認識思路的結構化，遷移、解決新情境下的陌生問題，實現從化學學科知識向化學學科核心素養的轉化。結語將配位鍵的模型結構比喻成與人生的成長、發展相關聯的話題，以期實現教學科、教科學、教人生的教學境界與進階。

6 教學反思

物質結構理論內容抽象，如何利用學生的已有經驗建構起核心概念是教學的難點。本節課教學導入階段為學生提供CH3COOH、 HCl在水中電離示意圖，該情境素材具有貼近學生認知、蘊含真實問題、引發認知沖突、承載核心知識等功能。教學過程中引導學生根據已有認知提出假設模型、設計實驗方案并動手實驗或通過閱讀信息等方式收集證據，綜合各類證據開展分析、想象、推理等思維活動認識微觀過程，確認、修正模型假設或建立新的認識模型，進而運用模型解決實際問題。從教學效果上來看，不僅突破了配合物認識模型的建立這一教學難點，而且有效提升了學生“證據推理與模型認知”素養。多齒配體、螯合物等內容并不是課程標準所要求的核心內容，點到為止，不應深入學習。考慮到課堂時間問題，配合物在其他方面的應用以及我國科學家在配位化學領域的杰出成就，讓學生課下閱讀相關資料自學完成。課后有專家建議，要是課堂上能增設乙二胺制銀鏡實驗則更加完美，但囿于乙二胺是易燃易爆嚴格管制品，無法獲取實驗材料，實屬遺憾！

（致謝： 浙江省教育廳教研室俞建鋒特級教師、寧波市教育局教研室倪國君老師對本節課的設計給予了具體的指導，在此深表感謝！）

參考文獻：

[1]王晶主編. 普通高中教科書教師教學用書·化學選擇性必修2·物質結構與性質[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 132.

[2]倪霞. 基于證據推理與模型認知視角下的教學實踐——以“配合物的形成和應用”為例[J]. 化學教與學， 2018， （7）： 19～21.

[3]王晶主編. 普通高中教科書·化學選擇性必修1·化學反應原理[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 56.

[4]馬旭村. 水合離子的微觀結構和輸運動力學研究新進展[J]. 科學通報， 2018， （21）： 1～3.

[5]楊梅， 莫尊理等. 從證據推理視角對“離子反應”教學案例的分析及其啟示[J]， 化學教育（中英文）， 2020， （17）： 60～65.

[6]丁佳. 人們首次看到水合鈉離子的原子級“真面目”[EB/OL]. （2018514）[20211215]. http：//news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/5/412175.shtm.

[7]汪結義. 有關氯化鈉在水溶液中的電離[J]. 中學化學教學參考， 2020， （11）： 31～33.

[8]王星喬， 米廣春. 論證式教學： 科學探究教學的新圖景[J]. 中國教育學刊， 2010， （10）： 50～52.

[9]魏銳， 齊洪濤， 陳光巨. 普通高中教科書教師用書·化學選擇性必修2·物質結構與性質[M]. 濟南： 山東科學技術出版社， 2020： 208～209.

[10]楊樞， 王秀玲， 李會峰. 探究不同銀配合物對銀鏡反應的影響[J]. 化學教育， 2016， （3）： 62～63.