对7个化学疑难问题的解析及思考-《化学教学》(2017年4期).docx

龙源版权所有 对7个化学疑难问题的解析及思考作者：吴朝辉来源：《化学教学》2017年第04期 摘要：解析了7个源自学生的疑问：为什么钾密度比钠小，为什么CO2以双键结合而SiO2却是单键，为什么晶体硅能作半导体而金刚石却不能，为什么有叁键结构的N2却不易加成，为什么Fe参加反应先失去最外层电子；为什么SiCl4极易水解而CCl4却不易，为什么P的最高价含氧酸可以是H3PO4而N卻是HNO3。解决学生疑问、清除学习障碍的同时，更严谨认识“结构决定性质，性质反映结构”的科学原理。实践表明，解析疑难问题可以激励学生提出问题的兴趣，开阔学生的知识眼界，提升教师积淀深厚的专业功底。 关键词：物质结构；疑难问题解析；化学教学研讨 文章编号：1005–6629（2017）4–0091–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B 物质结构与元素周期律是化学重要理论，可帮助学生树立“结构决定性质，性质反映结构”为核心的物质结构观，同时培养学生类比思维和知识迁移能力。“通过研究典型，归纳共性，使得无数复杂、离散的化学知识变得简单、有序。但是，隐藏在共性背后的特性既是教学的难点，也是学生常见的学习障碍，因而不可等闲视之”[1]。特别是在类推失败后，学生本能地想知道：“为什么不能类推？”“为什么会失败？”这就需要教师深入解释其中的化学原理，帮助学生清除学习障碍。 笔者从多年收集疑难问题中，遴选出了7个重现率较高的问题，并尝试从物质结构理论角度进行解释，在帮助学生开阔与发散思维的同时，也深化对“结构决定性质、性质反映结构”规律的认知。 问题1 为什么钾的密度比钠小 通常情况下，同主族的单质的密度随着序数的增大而增大。但在常温下，钠的密度为0.971g·cm-3，钾为0.86g·cm-3。为什么钾的密度反而比钠小？ 钠、钾的晶胞属于体心立方堆积（如图1），每个晶胞均含有2个原子。 问题2 为什么CO2中是碳氧双键，而SiO2中却是硅氧单键 CO2中C原子和O原子形成2个双键，而SiO2中Si原子和O原子却形成4个单键。为什么同一主族的最高价氧化物，成键方式会不同？ 已知：E（C-O）=358kJ·mol-1，E（C=O）=805kJ·mol-1，E（Si-O）=466kJ·mol-1，E（Si=O）=638kJ·mol-1。假设SiO2具有与CO2相同结构，即形成O=Si=O。则可通过键能近似计算“双键式SiO2”转化为“单键式SiO2”的焓变：ΔrHm=638×2-466×4=-588kJ·mol-1。计算结果表明“双键式SiO2”结构不稳定，Si原子与O原子会通过Si-O单键形成热力学稳定的结构。 同理可算出“单键式CO2”转化为“双键式CO2”的焓变：ΔrHm=358×4-805×2=-178kJ·mol-1。所以C原子与O原子倾向于通过C=O双键形成热力学稳定的结构[2]。 成键方式的差异导致晶体结构不同。在SiO2中，形成Si-O单键后，O原子还剩余一个价键，可再与另外一个Si原子结合，形成无限聚合态——原子晶体。在CO2中，形成C=O键后，O原子已用完两个价键，所以就形成了分子晶体。 问题3 Fe参加反应时，为什么先失去最外层电子，而非能量最高的电子 基态26Fe原子的核外电子排布式是[Ar]3d64s2，Fe2+的核外电子排布式是[Ar]3d6，学生不明白：Fe原子参与反应时，为什么先失去4s上的电子，而不是根据“能量越低越稳定”原则，失去能量最高的3d上的电子？ 多电子原子中，电子具有的能量E决定于主量子数n和角量子数l [3]。我国化学家徐光宪教授根据E与n、l的关系，归纳得到一个近似规律：（n+0.7l）值越大，原子轨道能量越高。得出原子轨道能量E的高低顺序与鲍林依据光谱实验测定的结果一致：1sE3d，所以参与反应时，Fe原子先失去···试读结束