高中化學(xué)中的量子力學(xué)思想
汪小波
構(gòu)造原理、電負(fù)性、鍵參數(shù)、VSEPR理論、雜化軌道理論、氫鍵等知識均與兩次獲得諾貝爾獎的美國化學(xué)家鮑林相關(guān)。鮑林的卓越成就可激發(fā)學(xué)生對化學(xué)科學(xué)的熱情，激勵學(xué)生獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)的情感，在更深的層次上去把握化學(xué)知識。教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)化學(xué)理論知識的應(yīng)用，而應(yīng)用理論知識來解釋化學(xué)問題的能力是化學(xué)學(xué)習(xí)水平高低的重要標(biāo)志。
微觀世界的特征是量子性和概率性。選修3理論性強(qiáng)，內(nèi)容十分抽象，微觀世界服從的規(guī)律完全不同于現(xiàn)實宏觀世界，更增加了教學(xué)難度。化學(xué)史可幫助學(xué)生清楚知識的來龍去脈，有利于理解教材。古希臘人用四元素論來解釋物質(zhì)世界，當(dāng)留基伯和德謨克利特從哲學(xué)角度提出原子概念，這是一次重大的思想創(chuàng)新；1803年道爾頓提出科學(xué)的原子概念；1900年普朗克提出量子概念；1904年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子；1911年盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子核；1913年提出玻爾原子模型；1923年X射線散射實驗證實光的粒子性；1924年德布羅意提出物質(zhì)波概念；1925年海森堡提出測不準(zhǔn)原理；1926年奧地利物理學(xué)家建立薛定諤方程，電子云模型建立起來了；1927年實驗證明了電子的波動性。1954年鮑林因?qū)瘜W(xué)鍵本質(zhì)的研究獲諾貝爾化學(xué)獎；1966年馬利肯因提出分子軌道理論獲諾貝爾化學(xué)獎；1981年日本科學(xué)家福井謙一提出前線軌道理論、霍夫曼提出分子軌道對稱守恒原理同時獲諾貝爾化學(xué)獎；1998年波普爾因發(fā)展量子化學(xué)計算方法獲諾貝爾化學(xué)獎，使得理論上進(jìn)行分子設(shè)計并用實驗驗證成為可能。量子化學(xué)處理問題時，更多的是把電子看成是波，如用分子軌道對守恒原理和前線軌道理論闡釋周環(huán)反應(yīng)。描述電子運動規(guī)律的是波函數(shù)Ψ(x,y,z)（原子軌道）, 描述核外電子概率密度的是Ψ2(x,y,z)（電子云）。教學(xué)中應(yīng)嚴(yán)格按量子力學(xué)理論來表述問題，如共價鍵是成鍵原子軌道的線性組合Ψ＝ΣСiΨi，是原子軌道的重疊,而不能講成是電子云的重疊；不要受原子結(jié)構(gòu)示意圖的誤導(dǎo),把電子繞核運動講成是電子有固定的運動軌道?？茖W(xué)家超凡的智慧表現(xiàn)在對傳統(tǒng)思想的拋棄上，否則20世紀(jì)初就難以建立起量子力學(xué)和相對論。創(chuàng)新在于打破傳統(tǒng)，挑戰(zhàn)一切不可能。今天量子力學(xué)已進(jìn)入量子計算機(jī)時代。2016年8月16日在國際上發(fā)射的首顆量子通信衛(wèi)星，使中國在量子通信領(lǐng)域成為開創(chuàng)者。
關(guān)于構(gòu)造原理的教學(xué)
鮑林是迄今為止唯一兩次獨享諾貝爾獎的科學(xué)家，也是人類有史以來20位最杰出的科學(xué)家之一。他根據(jù)光譜實驗結(jié)果提出了構(gòu)造原理。我在教學(xué)中以問題為導(dǎo)向構(gòu)建問題空間，讓學(xué)生的思維在其中自由發(fā)散，營造一種活躍的課堂氣氛。問題1.書寫Fe、Fe2+、Fe3+的電子排布式，然后分析Fe2+、Fe3+的氧化性和還原性的強(qiáng)弱，要求學(xué)生寫出5個表現(xiàn)Fe2+還原性的離子方程式，3個Fe3+表現(xiàn)氧化性的離子方程式。這一教學(xué)設(shè)計充分體現(xiàn)了點撥發(fā)散教學(xué)的教學(xué)思想，也體現(xiàn)了物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)的化學(xué)思想方法。問題2.分析MnO2在酸堿性條件下的氧化性：由于Mn2+是存3d5的結(jié)構(gòu)，故MnO2有較高的氧化性，與濃HCl反應(yīng)在實驗室制Cl2。問題3.寫出你熟悉的最外層電子數(shù)為1和2的元素原子的電子排布式。要求學(xué)生進(jìn)行充分的發(fā)散不要囿于ⅠA和ⅡA。問題3.基態(tài)原子的電子排布遵循哪些規(guī)律？從這一問題出發(fā)，復(fù)習(xí)能量最低原理、基態(tài)與激發(fā)態(tài)原子的概念,進(jìn)而引出電子躍遷和與之相關(guān)的光譜知識。問題5.同一原子中兩個電子的運動狀態(tài)相同嗎？描述電子運動狀態(tài)的物理量是哪些？
關(guān)于電負(fù)性概念的教學(xué)
20世紀(jì)30年代，鮑林為了描述化學(xué)鍵的性質(zhì)提出了電負(fù)性概念。由于電負(fù)性差異導(dǎo)致分子中電子云分布不均勻而呈現(xiàn)極性。量子化學(xué)已能較精確的計算每個原子的帶電荷量，從而為研究反應(yīng)歷程， 發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)規(guī)律創(chuàng)造了條件。鮑林用了一個極簡單的電負(fù)性概念代替了復(fù)雜的量子力學(xué)計算，其大道至簡的科學(xué)思想為化學(xué)家所稱道。自從鮑林提出了電負(fù)性概念后，引來全世界許多化學(xué)家對其進(jìn)行研討。主要集中在兩方面，第一，關(guān)于電負(fù)性的標(biāo)度問題，提出了許多計算電負(fù)性值的公式，如著名量子化學(xué)家溫元凱教授（鮑林的學(xué)生）提出的公式；有人用量子化學(xué)方法計算分子中的電子密度來定量表示電負(fù)性大小，因為分子中電子云密度由分子軌道Ψ＝ΣСiΨi中的Сi值確定；1989年Allen根據(jù)光譜數(shù)據(jù)提出了計算電負(fù)性的新公式。第二，在概念內(nèi)涵的拓展上，引申出了基團(tuán)電負(fù)性、分子電負(fù)性等概念。同種元素的原子的電負(fù)性還與Z／Y值和雜化軌道類型有關(guān)。如C-H鍵的酸性由C原子按sp3、sp2、sp的順序増強(qiáng)。
關(guān)于電負(fù)性概念在中學(xué)化學(xué)的應(yīng)用，可引導(dǎo)學(xué)生做如下歸納:①判斷元素的非金屬性、金屬性的強(qiáng)弱？事實上元素化合價的正負(fù)與電負(fù)性存在相關(guān)性，可進(jìn)行互判。啟發(fā)學(xué)生發(fā)散:判斷元素金屬性強(qiáng)弱的方法有哪些？（有五種）②判斷鍵的極性大小。鍵的極性與分子極性是電子云在局部范圍和分子整體范圍的分布問題，從而引導(dǎo)學(xué)生從本質(zhì)上準(zhǔn)確把握鍵的極性和分子極性的關(guān)系。
鍵參數(shù)、VSEPR理論與雜化軌道理論的教學(xué)
鍵參數(shù)是表征化學(xué)鍵性質(zhì)的物理量，其中鍵長和鍵角決定了分子的立體構(gòu)型。理論上用量子力學(xué)方法可近似計算出鍵長和鍵角，而鮑林通過X衍射光譜等實驗測定出了一大批鍵角和鍵長的數(shù)據(jù)，為量子化學(xué)的發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn)。怎樣判斷分子的立體構(gòu)型呢？方法1、等電子原理(如CO2和NO2＋等）；方法2、VSEPR理論，該理論是基于分子能量應(yīng)處于最低狀態(tài)而提出；方法3、雜化軌道理論，該理論是1931年手鮑林提出來的。雜化軌道理論是對VSEPR理論的解釋。雜化軌道是能量相近的同一原子中原子軌道的線性組合Ψ＝ΣСiΨi，而共價鍵是成鍵原子軌道的線性組合，分子軌道（MO）則是整個分子中所有原子軌道的線性組合。分子軌道理論是最先進(jìn)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，而休克爾分子軌道理論（HMO）可描述平面結(jié)構(gòu)的堿基分子中的п電子運動，成為研究量子生物學(xué)的重要工具。不能深刻理解雜化軌道理論，就不能進(jìn)入有機(jī)化學(xué)世界。雜化軌道類型有sp雜化、spd雜化、f軌道參與的雜化等等。雜化軌道理論以其深刻性和抽象性，在化學(xué)中有極其廣泛的應(yīng)用。
氫鍵知識的教學(xué)
鮑林在上世紀(jì)30年代首先闡明了氫鍵本質(zhì)，認(rèn)為氫鍵是不同于化學(xué)鍵的特殊作用力。氫鍵主要是影響物質(zhì)的的物理性質(zhì)。北京大學(xué)江穎教授（五通橋中學(xué)畢業(yè)）首次在實驗控制條件下拍攝到了氫鍵和水分子的真實照片，并在國際上首次揭示了水的全量子效應(yīng)。氫鍵這個知識點有很好的培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力的作用，它不僅表現(xiàn)在化學(xué)中有眾多方面的應(yīng)用，在生命科學(xué)中也隨處可見它的應(yīng)用，如DNA的穩(wěn)定性問題，盡管氫鍵是一種弱相互用，但DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中無數(shù)的氫鍵，導(dǎo)致DNA分子具有很高的穩(wěn)定性，甚至在上千的古尸中，科學(xué)家們還能從中提取DNA進(jìn)行科學(xué)研究，未來可實現(xiàn)已滅絕的動物重返地球生命世界。正是因為氫鍵，使得常溫下水呈液態(tài)，以及冰的密度小于液態(tài)水。沒有氫鍵便沒有生命。今天，氫鍵還在超分子化學(xué)領(lǐng)域中大顯身手，超分子化學(xué)可望在生命起源研究上發(fā)揮重大作用。鮑林還在上世紀(jì)50年代，利用氫鍵理論提出了蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中的α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)（選修5）。只有具備了豐富的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，才能深刻理解和把握化學(xué)史，才能將科學(xué)家的創(chuàng)新思維感染學(xué)生，從而激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情。
從分析化學(xué)到分析科學(xué)是化學(xué)家的創(chuàng)新歷程
量子化學(xué)家徐光憲院士認(rèn)為，化學(xué)的核心任務(wù)是合成化學(xué)和分析化學(xué)。分析化學(xué)因儀器分析的日新月異而獲得空前發(fā)展，儀器分析手段又不斷推動組合化學(xué)和超分子化學(xué)等學(xué)科研究。選修3和選修5介紹了光譜分析中的原子吸收光譜（AAS）、原子發(fā)射光譜(AES)、紅外光譜(IR)、核磁共振譜(NMR)，測Mr的質(zhì)譜法(MS)、X射線衍射光譜等等，它們背后的理論依據(jù)是量子力學(xué)原理。能級是能量量子化直觀描述。AES、AAS是電子在原子能級中躍遷的結(jié)果；NMR是核自旋與外加磁場方向不同產(chǎn)生能級，原子核發(fā)生躍遷的結(jié)果；紫外可見光譜（UV-Vis）是分子中電子躍遷的結(jié)果；IR是分子振動和轉(zhuǎn)動量子化的結(jié)果。儀器分析的強(qiáng)勁優(yōu)勢正逐漸取得傳統(tǒng)的化學(xué)分析。聯(lián)用技術(shù)、智能化的儀器分析方法具有高效、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點，電子技術(shù)和信息技術(shù)的滲透，分析化學(xué)已成為化學(xué)科學(xué)中發(fā)展最為迅猛的領(lǐng)域，逐漸形成分析科學(xué)，成為眾多學(xué)科共同參與形成的綜合性學(xué)科。各種分析方法的圖譜的解析非常繁瑣，但將實測的圖譜在計算機(jī)上進(jìn)行比對，可迅速準(zhǔn)確得出分析結(jié)果。有人認(rèn)為21世紀(jì)科技發(fā)展前景，在很大程度上取決于和依賴于分析科學(xué)。分析化學(xué)的發(fā)展也自然反映到高中化學(xué)教材中，實現(xiàn)了化學(xué)知識的更新，拓展了學(xué)生的科學(xué)視野。
汪小波，四川省夾江中學(xué)退休教師，四川省特級教師。曾任多屆夾江縣政協(xié)常委、夾江中學(xué)教科室主任。曾獲樂山市優(yōu)秀人才、樂山市優(yōu)秀教師、夾江縣首屆名教師等稱號。發(fā)表論文論著80多篇（部），有多個教育科研課題獲省市成果。
趙文碧，四川省青神縣河壩子人，三蘇文學(xué)社社長、主編，擅長寫散文與地方傳說，代表作品有《火燒玉蟾寺》、《丞相敬師》等，作品常見于《三蘇文學(xué)》微信公眾號、江山文學(xué)網(wǎng)、都市頭條、金榜頭條、美篇、百度等。
個人簡歷
唐小虎，筆名：夢里，酷愛文學(xué)。喜愛散文、歌詞創(chuàng)作?！度K文學(xué)》常務(wù)社長，微信號／wxid_s3otpbxws4pn21，青神縣作家協(xié)會會員。與音樂走廊合作之歌曲《錦繡青神》、《相知相守風(fēng)雨同舟》、《南方的雪》等廣為傳唱。被百度音樂、MVBOX、酷狗等音樂平臺收錄其中。多篇散文作品在省、市級多家自媒體平臺發(fā)表；主要作品：《青神之夜》、《峨眉情緣》、《老家的味道》、《天下太平 人皆向往》、《漢陽時光：一捧江水 半輪詩月》、《桂花香溢 歲月沉香》、《“東方明珠”之印象.白果》、《開放包容之浪漫麗江》、《騰沖之約》、《夢幻瀘沽湖，摩梭走婚俗》、《洱海的風(fēng)令人醉》、《邛海結(jié)緣》等。
三蘇文學(xué)將在每年年底評選當(dāng)年三蘇文學(xué)的優(yōu)秀作者，按投稿量、瀏覽量、評論數(shù)、獲精次數(shù)、上紅榜各占25％，前三名將獲得精美榮譽證書及至尊獎杯，并同時在《三蘇文學(xué)》微信公眾號、都市頭條、金榜頭條、今日頭條、百度等平臺廣泛頒布彰顯榮耀，到時可以做現(xiàn)場頒獎活動。歡迎文學(xué)老師們踴躍參加、積極支持、互相轉(zhuǎn)告。
