从C的sp2杂化开启全新的碳世界

申瑞联 李莉 蔡玲 杨小弟

摘要：高中化学关于杂化轨道课程理论较为抽象，需要适当进行知识拓展，本文推荐了一个关于此部分教学的中学化学课堂拓展活动——“从Ｃ的ｓｐ２杂化开启全新的碳世界”。

关键词：杂化轨道；选修模块；碳材料；课堂拓展

文章编号：1008-0546（201２）０4-0042-02中图分类号：G６３２．４１文献标识码：Ｂ

doi：10.3９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０５４６．２０１２．０4．０19

我国著名物理化学家卢嘉锡院士曾风趣地把科学素养归纳为要具有“Ｃ３Ｈ３”，即Ｃｌｅａｒ Ｈｅａｄ（清醒的头脑）、Ｃｌｅｖｅｒ Ｈａｎｄｓ（灵巧的双手）、Ｃｌｅａｎ Ｈａｂｉｔ（洁净的习惯），把这句话衍射到我们的教学中，就要求教师和学生在教学活动过程中要具备开阔的科学思维和积极的学习态度，具有“Ｃ３Ｈ３”正是科学素养初步具备的标致之一。传统的教学常常过份关注完成教学任务，教学大纲要求什么就学什么，易造成课堂枯燥无味和教学效率低下，而新课标十分注重知识点的活学活用，与当今科学前沿联系紧密。因此，在化学课堂上进行新兴知识拓展，是一种很好的科学素养培养方式。开拓学生的眼界，丰富学生的知识，也就有利于激起学习的热情和主动性。

自从新教材［１］使用后，学生普遍反应选修３关于分子结构、杂化轨道相关内容枯燥乏味难以理解，如果用传统讲授式教学则得不到理想的教学效果。那么这部分内容就十分适合采用知识拓展课进行教学［２］，让课堂从封闭走向开放会让学生发现这部分知识并不是死板无用，而是充斥着前沿科学，就有可能会对这部分学习由“惧怕”转为“惊喜”，使教学获得意想不到的效果。本文将介绍一个将“诺贝尔奖”融入杂化理论教学的课堂拓展教学实例——“从Ｃ的ｓｐ２杂化开启全新的碳世界”。

一、教学目标

１．认识杂化轨道理论的要点并了解有机化合物中碳的成键特征；

２．通过科学前沿知识加深对Ｃ的ｓｐ２杂化应用的理解。

二、课堂导入

导入是教师讲解新课开始时运用建立教学情境的教学方法，引起学生注意、激发学习兴趣、引起学习动 机、明确学习目的和建立知识间联系的教学活动。

在课堂开讲时以与本课题相关的诺贝尔奖项来引起学生兴趣：克鲁托Ｈ．Ｗ．Ｋｒｏｔｏ）与斯莫利（Ｒ．Ｅ．Ｓｍａｌｌｅｙ）、柯尔（Ｒ．Ｆ．Ｃａｒｌ）一起，因发现碳元素的第三种存在形式——Ｃ６０（又称“富勒烯”“巴基球”）而获１９９６年诺贝尔化学奖；１９９１ 年日本的Ｉｉｊｉｍａ 教授在高分辨率透射电镜下发现碳纳米管以来，由于其特殊的结构和独特的物理、化学特性以及潜在的应用前景而倍受人们关注；英国曼彻斯特大学科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在二维空间材料石墨烯的突破性实验获２０１０年诺贝尔物理奖。之后提出本课主题：这些科技前沿其实就是本课要讲的基本内容——Ｃ的ｓｐ２杂化轨道的成果，本课内容与科学技术最高端发展息息相关，那么我们就在这节课好好地了解一下。

三、课堂教学

１．有关Ｃ的ｓｐ２杂化材料的形态解释

首先，向学生解释上述３种材料中碳原子均是ｓｐ２杂化形式，但表观形态却不尽相同，如下图１。因此，如课本中介绍，杂化形式相同，其微观形态相似，但宏观形态不一定相同。

２． 有关Ｃ的ｓｐ２杂化材料的性质介绍

对于初次接触到这些新材料的学生来说这些新材料的性质是难以记忆的，那么我们可以引用一些著名学者的言论式作一些形象的比喻。比如按照其发现的历史介绍富勒烯时，可以把中科院化学所王春儒研究员的评论作为引言：“诸多异乎寻常的性能，使富勒烯对化学、物理、材料、医药、微电子等领域产生了深远影响，在应用方面显示出诱人前景。”在介绍碳纳米管和石墨烯的卓越性能时，可引用诺贝尔奖委员会评语：“碳纳米管中碳原子的对称性使其比计算机芯片上硅的导电性更好，其电阻低，产生热量少，这一特性对于电路密集性发展的芯片行业来说其价值是巨大的。”“石墨烯的强度可以这么比喻，如果用１ 平方米的石墨烯吊床去承载４ 公斤的猫，那么这只吊床只有０．７７ 毫克，比猫的一根胡须还轻，并且用肉眼几乎看不到这只吊床的存在”。相信学生听完了这些形象解说后不但对这三类碳纳米材料有了深刻的印象，对它们的相关性质的理解也会更加生动，也对这学科充满探索的欲望。

３． 有关Ｃ的ｓｐ２杂化材料的应用拓展

此时可配合相关材料运用方面的多媒体模拟或视频资料在课堂上展示，增加课堂生动性。

这三种主要材料因其性質优异而应用广泛，因此可以简单概况介绍与我们生活相关的应用，便于学生理解和记忆。（１）富勒烯：富勒烯在电、磁、光材料领域的应用十分重要。例如可合成有光学累积记录效应的复合膜；形成以廉价碳材料代替昂贵金属材料的有机铁磁体；还有具有抗病毒活性的生物功能材料等。（２）碳纳米管：碳纳米管电容器、锂离子电池研究广泛；在燃料电池系统中用于氢气存储；还可用于对ＤＮＡ特异性基因片段进行快速检测等。（３）石墨烯：石墨烯具有优异的电学性质，机械性能以及化学稳定性，可作为超导材料、烟幕干扰新材料、防静电衣料、减少噪声的元件等。

四、课堂总结延伸

当我们介绍完三种材料的基本形态、特殊性质和拓展应用等知识后，还可以课后留给学生拓展性作业：关注科技新闻中相关报道，收集身边高科技材料中是否有此类新型碳材料的应用，设想并归纳其应用前景等。

综上而言，新型碳材料从多方面影响着人们的生活，其将在今后很长一个时期中继续绽放光芒，我们用开拓型课程形式将其融合进杂化轨道分子结构教学活动中，有利于寓教于用、活学活用，培养学生的科学理论和实践素养，从而达到优化教学设计提高教学效益的目标。

参考文献

［１］ 普通高中课程标准实验教科书：化学［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２００７

［２］ 曹清，胡宗球． 从高中与大学课程衔接看高中化学选修模块的设置［Ｊ］．化学教育，２０１１，（４）：２２－２４