在有机化学教学中渗透人文教育

李靖靖,卢艳霞,董彩霞,杨联芝,王宇飞

(1.中州大学化工食品学院,郑州 450044;2.郑州师范学院化学系,郑州 450044)

随着科技的飞速发展和社会的急剧变革,教育目标、教学内容、教育方法等都在发生巨大的变化。高校师生之间已经不再是单一的授受关系,可能是同伴关系、帮助者与被帮助者、服务与接受服务的关系等,在日常教学活动中尽可能地渗透一些社会价值观、人生观等人文教育对于学生日后走向社会有极大益处。本文从最常见的元素“碳”说起,论述了角色定位、和谐共处等社会常识,将人文教育渗透在有机化学专业课程中。

1.从“碳”的常识谈及其在地球生命中的重要性

1.1 碳是一切生命的基础

有机化学知识与日常生活密切相关,可以说几乎渗透到生活的每一个领域,在理论课讲授的同时,适当和日常生活相联系,使学生对该课程抱有新鲜感、神秘感,有利于激发学生对有机化学的学习兴趣。

众所周知,“碳”是一切生命的基础,而有机化学则是研究“碳”的化学。在学生入门阶段,充分讲解“碳”的常识及其重要性,对于今后的学习有百利而无一害,能够激发学生对于本门课程极大的好奇心和极强的求知欲。从贵重的金刚石、灰色的石墨、黑色的煤炭这三种东西在自然界里形状不同,实质却是同一种化学元素“碳”讲起,说明碳在地球上所组成的物质种类繁多,形态各异,在地球化学中所起的作用非常大,可以说没有碳就没有生命。

碳的生命史上第一个阶段是融化的岩浆。该融化物在地下深处和在岩脉里冷却成各种岩石,碳在这些岩石中聚成片状或球状的石墨,有些则形成贵重的金刚石晶体,大部分的碳在岩体凝固的时候跑掉:有的形成容易飞散的烃类化合物和碳化物,从岩脉升上来,聚集成石墨,有的同氧化合成二氧化碳,升到地面上来。火成岩会把二氧化碳截留在岩石的缝隙里,留在空隙里的二氧化碳是大气中的五六倍。二氧化碳有时会从地下喷到地面上来,有些和易于散逸的化合物在一起聚成气流,或者和水混在一起形成碳酸矿泉,人们利用这种泉水医病,因为二氧化碳在这种水里是过饱和的,水面上经常有二氧化碳的气泡冒出来仿佛水在沸腾。

在所有化学元素中只有碳元素能够和氧、氢、氮等元素结合生成多种多样的化合物,这类化合物叫做有机化合物,有机化合物能生成复杂而多样的蛋白质、脂肪、糖、维生素等含在生物体组织和细胞里。由于碳生成无数的化合物,就能产生极其繁多的动植物品种,世界上的动植物至少有几百万种。碳在自然界的循环是非常奇妙的:动物呼吸时要呼出二氧化碳,植物光合作用时吸收二氧化碳,产生淀粉、糖类、纤维素等供动物利用,而植物体本身最后腐烂变成石油和煤为动物提供能源。从地球化学的效果来看,地球上再也没有比碳元素更重要的元素了。如此重要的元素在与其他元素合作时“能屈能伸”,非常平易近人,正因为如此,“碳”才显得异常重要。

1.2 “碳”在自然界中的循环,从而服务于地球生命

空气和阳光是生命存在的必要条件,生命存在必要条件是外部能量以及保证能量转化的环境。众所周知,从几亿年前地球上就有了生命在生活、繁衍,无数动物一刻不停地消耗着氧气,释放着二氧化碳,地球上的氧气没被耗尽,大气中的二氧化碳含量没有大幅度增加,是由太阳、植物和水把含碳物质循环转化,使得地球生命生生不息。据统计地球上所有植物的叶子加在一起,其表面积是地球表面积的几十倍,庞大的植物体系是生物养料化工厂,该工厂利用的原料就是二氧化碳,15亩树林每天要消耗 1吨二氧化碳,放出 730千克氧气,也就是说地球上的绿色植物每年制造 4860亿吨氧气,吸收 6657亿吨二氧化碳,产生的葡萄糖和淀粉不尽其数。

“碳”在生命的存续中功不可没。所有的生命消耗了含碳的养料,产生了含碳的废物,该废物又被植物等利用再生成养料。如此周而复始使得地球生命生生不息,“碳”是生命的载体。

2.从“碳”的杂化轨道谈及个人的社会角色定位

有机化合物较之无机物有大得多的分子量,有机化合物有更复杂的结构。同分异构体的发现,启示化学家去探索有机物质的内部结构──分子中原子的排布和组合方式,推动了有机化学的发展。

2.1 杂化轨道理论

①碳原子的 sp3杂化轨道:从碳原子的正四面体结构入手谈到 sp3杂化理论。

甲烷是最简单的烷烃,其分子式为 CH4。实验证明甲烷是正四面体结构,要进一步了解烷烃的结构,必须用碳原子的杂化轨道理论加以解释。碳原子在基态时电子的构型为1s22s22px12py1,其中 2p轨道的两个电子是未成对的,按照这样的电子层结构,碳原子应是两价的。事实证明,碳原子在绝大多数有机化合物中都是四价。按照杂化轨道理论,在形成甲烷分子时 ,首先碳原子的 2s轨道上被激发一个电子到 2pz轨道上去。然后由一个 2s轨道和三个 2p轨道杂化形成四个能量相等的 sp3杂化轨道 (图 2-2)。这四个杂化轨道是完全相等的,每一个 sp3杂化轨道含有 1/4s成分和 3/4p成分,sp3杂化轨道是有方向性的,一头大,一头小 (图 2-3),大的一头表示电子云偏向这一边,成键时交盖的程度比没有杂化的 s轨道和 p轨道都大,所以 sp3杂化轨道所形成的键比较牢固。四个 sp3杂化轨道对称地排布在碳原子周围,它们的对称轴之间的夹角为 109.5°,这样的排布可以使四个轨道彼此在空间的距离最远,电子之间相互斥力最小,体系最稳定 (图 2-4)。

②sp2杂化:所谓 sp2杂化是指激发态的碳原子以一个2s轨道和两个 2p轨道进行杂化形成三个处于同一平面上的三个 sp2杂化轨道,这三个 sp2杂化轨道间的夹角为 120°,没有参与杂化的 p轨道垂直于三个 sp2杂化轨道所形成的平面见图 3-1。

在形成乙烯分子时,两个碳原子各以一个 sp2杂化轨道以“头碰头”的方式重叠,形成 C-Cδ键,每个碳原子上的另两个 sp2杂化轨道分别于氢原子的 1s轨道重叠形成 C-Hδ键,两个碳原子上没有参与杂化的 p轨道以“肩并肩”的方式重叠形成π键,乙烯分子中的双键是由一个δ键和一个π键组成的。其键长、键角见图 3-2。

由于形成π键的原子轨道的重叠程度小于δ键,因此其稳定性也小于δ键,容易断裂,而且π电子流动性较大易发生极化。

③sp杂化:乙炔是最简单的炔烃,分子式为 C2H2,碳原子采取 sp杂化,碳原子外层四个价电子以一个 2s轨道与一个 2p轨道杂化,形成 2个 sp杂化轨道。形成乙炔分子时,两个碳原子各以一个 sp杂化轨道以“头碰头”的方式重叠形成C-Cδ键,另一个 sp杂化轨道分别与氢的 1s轨道重叠形成C-Hδ键。乙炔分子的 C、H原子在一条直线上,互成 180°的夹角 (图 3-3)。其三键为直线型。

每个碳原子上还有两个没有参与杂化的 p轨道,这两个p轨道互相垂直 (图 3-4),它们以“肩并肩”的方式重叠形成两个互相垂直的π键 (图 3-5)。因此乙炔的叁键是由一个δ键和两个互相垂直的π键组成的。乙炔的两个电子云围绕 C-Cδ键形成一个圆筒状 (图 3-6)。

2.2 从碳的杂化轨道谈到人生在社会中的角色分配及角色融合

作为教师,为学生做人生辅导有着得天独厚的条件,在课堂中随时插入一些社会常识,培养学生的价值观、人生观是举手之劳,当然教师要充分考虑所涉及的内容。大学生在家庭是小皇帝,在学校常以自我为中心。让同学们弄懂“碳”在自然界之所以那么重要,主要在于其合作精神,为了能够尽可能地与其他元素配合,为了使体系更稳定,便让自己的轨道重新分配组合。影射到同学们身上,要学习“碳”的杂化轨道方法,认识自己在各种场合的角色,在不同场合对自己的角色进行整合定位,取长补短,形成结构稳定、抗力增强的新生有机体。注重引导、培养同学们的社会角色意识和社会归属感,在专业理论课堂中培养学生确立自己的社会角色,培养学生的社会责任感。如果同学们能真正体会到“碳”的角色融合精神,将来步入社会组建自己的事业团队一定会牢不可破,事业会蒸蒸日上。

3.从共轭效应谈到和谐社会

3.1 共轭二烯烃

1,3-丁二烯是共轭二烯烃中最简单的一种,其成键的碳原子均为 sp2杂化,每一个碳原子的 sp2杂化轨道互相重叠或与氢的 1s轨道重叠形成 C-Cδ键或 C-Hδ键,这些δ键处在同一平面上,键角接近 120°(图 3-7)。每个碳原子上没有参与杂化的 p轨道都垂直于δ键所在的平面,因此,除 C1与 C2、C3与 C4可以“肩并肩”的方式重叠形成π键外,C2与 C3之间的电子云也可部分重叠 (图 3-8),从而减弱了C1与 C2、C3与 C4之间的成键能力 ,故 C1与 C2、C3与 C4所形成的价键的键长增长,而 C2与 C3所形成的价键的键长缩短,使键长趋于平均化。形成了四个碳原子在内的四个 p轨道为一体的大π键,其结果是 C1-C2或 C3-C4的π电子并不只局限在两个碳原子核周围 (电子的定域),而是可以扩展到四个碳原子核的周围,这种现象称电子的离域。在 1,3-丁二烯中,发生了π电子的离域。凡是能发生电子离域的分子结构称为共轭体系。由于电子离域所形成的大π键叫做离域键。电子的离域使共轭体系的内能降低,降低的数值称为离域能。这种由于分子内原子间的相互影响,引起电子云密度平均化的现象,叫共轭效应。共轭体系有以下特点:①共轭体系中所有的原子处在同一平面上,形成大π键的 p轨道都垂直于这个平面;②共轭体系内的单、双键键长趋于平均化,即单键的键长缩短,双键的键长增长,且共轭链越长,单、双键的平均化程度越大;③电子效应沿共轭链传递时,在共轭链上出现正、负交替现象。并且电子效应沿共轭链传递时,不随链的增长而减弱。④共轭体系由于π电子离域,体系内能降低。

图 3-7 1,3-丁二烯的键长、键角

图 3-8 1,3-丁二烯 p轨道重叠示意图

3.2 从共轭效应讲到人与人之间的和谐相处、共同发展

共轭效应强调相互配合,相互制约。配合和制约都要遵循有机体的结构规律,“共轭”必须在一定的结构模式和结构规则下才能发挥最大效应。从共轭效应的四个特点可以引申到人际交往的时间和空间越大,人的精神生活就越丰富。古人云:独学而无友,则孤陋寡闻。现代社会具有信息性、开放性和整体互动性的特点,科技越发展,分工越细,越需要沟通和整合,这样才能充分发挥整体效益,孤军奋战的时代已成为过去,个人的才干只有在团队合作中才能够得以体现,只有团队的发展壮大,个人的才能将会得到社会的承认,将会赢得社会的尊重。

对大学生人文教育既要注重“以德教化”,也要注重“以法规范”,培养出知法守法、依法做人的合格公民。

总之,基于碳元素的种种优点,在自然界中的重要性才会被表现的淋漓尽致,所到之处充满了和谐与关爱,使得整个世界因“碳”而精彩。

21世纪是知识经济时代,知识经济要求的人才必须是人文素质与科学素养相结合的人才。在世界教育发展目标由应试教育向素质教育转变的今天,致力于提高国民素质为目的的教育思想是社会可持续性发展理论的重要组成部分。教师与学生接触最多,影响最大,适当地把人文素质教育渗透进专业理论课堂可谓是一举两得,既加深了学生对专业理论课的理解,又提高了人文道德素养。新的教育形势要求教师在教育教学能力、知识理论水平以及实践研究能力等方面的不断发展与提高,教改必将带来课堂教学面貌的全新变化,从而以高质量的课堂教学推动教育教学的改革和发展。

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