例谈力学思维在高中化学中的应用

摘要：为了帮助学生更好地理解高中化学中部分比较抽象的概念，在教学过程中引入力学的思维，通过教学实例，从电子、原子、离子、分子等层次，指出微粒间的力学现象，诠释概念的内涵。

关键词：力学思维；抽象概念；作用力

文章编号：1008-0546（2016）12-0017-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.12.006

一、问题的提出

化学是一门理论和实验并重的科学，化学概念是化学理论的重要组成，但很多化学概念的名称比较抽象，例如氧化性、还原性，又如离子键、共价键等，这些概念与我们的语言表达习惯有很大的差异性，学生很难从字面上去揣摩概念的含义。面对这一现象，不同的教学者有不同的处理方法，例如背诵概念，逐渐消化；或者用习题带出概念，通过辨析理解；或者诠释字面意思，理解概念字面含义；或者编撰口诀，顺溜记忆……表面上这些方法殊途同归，都能达到帮助学生理解抽象概念的目的。但笔者认为，这些方法都停留在字面的含义，却没有提示化学的内涵，在培养学生的分析能力和理解能力上也是比较欠缺的。化学世界是一个物质的世界，不管是电子之间的作用，还是原子或分子间的作用，都普遍存在“力”学现象，而“力”是高中学生较为熟悉的一个基本概念，因此笔都在教学过程中，面对部分抽象概念，从力学角度进行分析，起到了事半功倍的作用，以下是笔者的若干教学片段，在此以作引玉之用。

二、教学案例的实施

1. 氧化性与还原性

学生在初三时学过反应过程中“得氧”和“失氧”的情况，而上了高中的第一个学期（以人教版为例）便系统学习氧化还原反应，学生很难把氧化与得电子、还原与失电子联系起来，总觉得这两个性质与得失电子是风马牛不相及的，笔者了解到学生的迷惑之后，引导学生从“得电子能力”和“失电子能力”角度进行分析，物质具有氧化性，则表示它具它对电子具有吸引力，能吸引电子，吸引力越强，则表明氧化性越强，同理，还原性则表示物质对电子的吸引能力较弱，电子容易脱离，吸引能力越弱，则表明还原性越强[1]。笔者发现，经过这一分析，学生似乎找到了思维的着力点。而在这个基础上，学生对一些疑难问题也能利用力的思维进行思考，例如在比较K+和Na+的氧化性时，学生结合钾原子易失电子，推出K+对电子的吸引力小，氧化性较弱。

2. 酸性与碱性

对于酸碱性，不同的学派有不同的定义标准，高中化学倾向于质子酸碱理论，并且做了更小范围的约定，即酸电离出的阳离子只有氢离子，碱电离出的阴离子只有氢氧根，但是讲授酸碱性时，学生就开始有些难以接受。显然，如果只是让学生强行记忆酸碱反应的一般规律和化学方程式，虽然能勉强应付一般的考试，但学生对酸碱性的理解是不到位的。笔者认为，酸碱性可以从质子与电子、阳离子与阴离子的作用力角度进行理解。例如氢离子易与氢氧根反应，可推断氢离子与氢氧根离子存在较强的吸引力，而氢离子能与钠反应氢换出氢气，也同样说明氢离子结合电子的能力强于钠离子结合电子的能力，氢离子能与碳酸盐反应，也同样是因为氢离子与碳酸根的吸引力更强。虽然学生还没有学过电离能、晶格能等概念，但利用力学思维，从微观角度去探究酸碱性的反应本质，能促进学生思考分析能力的提升，有助于后续的学习研究。

3. 离子键、共键价和氢键

对于化学键，教材从离子、原子之间的相互作用进行描述，在此基础上，笔者利用“力”的概念对这两种离子键和共价键进行了解析。在讲授离子键时，笔者利用教材中钠与氯气反应的例子，画出钠离子和氯离子的结构示意图，学生已经了解质子带正电荷，而电子带负电荷，笔者提问学生，当两个离子相互靠近时，会有哪些作用力？在画原子结构示意图之前，学生认为钠离子和氯离子的正负电荷相互吸引形成了离子键，但是在观察结构示意图之后，有学生便提出，电子和电子之间会相互排斥……经过讨论分析之后，笔者和学生都达成共识，即离子键是引力和斥力的平衡状态。带着这种思维方式学习共价键时，学生同样能从微观角度理解电子和质子间的简单受力情况。而在学习双原子分子的共价键时，笔者引导学生从原子对电子的吸引力是否相同的角度，轻而易举地推出极性共价键和非极性共价键。

氢键虽然不同于化学键，但同样存在静电引力问题。以水为例，氢氧共价键中，共用电子对明显偏向于氧原子，导致氧原子显出负电性（不是完整的电荷），而氢原子显出正电性（不是完整的电荷），相邻分子间的氢原子和氧原子之间存在比较弱的静电引力，从而形成氢键。

4. 溶解与萃取

高中阶段没有展开学习溶解性的原理，仅仅对部分典型物质的溶解度作定性的描述。虽然学生对溶解原理，对分子间的作用力并不了解，但笔者认为，在不加重学生负担的基础上，适当地引入微观角度的“受力分析”，可以帮助学生更好地理解溶解方面的问题。例如在讲授萃取碘水时，从概念角度理解是比较抽象，而且学生迷惑，为什么溶质会从溶解度小的溶剂中转移到溶解度大的溶剂呢？笔者引导学生从分子间作用力角度去理解，即碘单质易溶于有机溶剂，说明碘分子与有机分子间的吸引力较大，而碘分子与水分子的间吸引较小，当在碘水中加入四氯化碳，四氯化碳分子则夺取了水中的碘分子。笔者没有引入水分子、碘分子和四氯化碳的晶体类型和分子间的作用力类型，只是从宏观的溶解度大小推断吸引力的大小，从而推断两种溶剂对溶质的溶解能力不同。

5. 胶体的聚沉

对于胶体的聚沉，学生都比较熟悉，即加热、加电解质、加入胶体粒子带相反电荷的胶体。但是笔者不希望学生这样生硬地记忆，同样引导学生从力学角度进行思考。胶体是一种介稳性的分散系，胶体粒子处于1～100nm之间，同种胶体粒子带相同的电荷，在胶体粒子本身相互排斥力、水分子的作用力和重力的作用下达到平衡状态，作无规则的布朗运动，在一段时间内可以保持稳定的状态。但是加入电解质或胶体粒子带相反电荷的胶体，中和了胶体粒子表面的电荷，胶体粒子有机会碰撞形成更大的粒子，当大于100nm时，受重力的作用发生聚沉；而加热，使水分子、胶体粒子的能量升高，运动速度增大，分子碰撞成大颗粒的机会也增大，也有可能发生聚沉。

三、小结

力学现象普遍存在于物质世界中，化学物质的形成与变化往往也伴随着各种力学现象，但由于化学变化是一个微观过程，不适合于利用作用点、大小和方向等力的要素进行分析。尽管如此，由于学生在物理学上已经学过力的概念，在生活中对“力”也有丰富的生活体验，此时将力学思维引化学课堂，能帮助学生间接地接纳部分文字比较抽象的概念，起到思维的桥梁作用，可谓柳暗花明。但值得一提的是，由于学生的化学底子薄，没有学过原子轨道理论，也基本没有学过原子、离子、分子间的作用力的知识，因此笔者在教学过程基本不涉及大学化学知识，只是提出“力”的思维方式，让学生尝试从不用的角度去观察化学现象，在观察与思考过程中，逐渐培养微观、科学的思维习惯。

参考文献

[1] 林增辉. 化学教学内容的呈现方式[J]. 教学与管理，2015（28）