碳化学的中心教学法在大学普通化学教学中的运用*

徐伟明 俞敏强 章鹏飞

(杭州师范大学材料与化学化工学院 浙江杭州 310036)

有关碳单质同素异形体的研究一直备受关注。从最初C60的兴起及纳米碳管的偶然发现，到近几年对石墨烯的研究，碳化学相关领域不断取得进展。笔者认为结合这些前沿研究进展以及碳化学的实际应用前景，可以把碳化学演绎成一个结构完整的知识框架，以便学生掌握。

在普通化学教材中，有关碳化学的知识点分布于不同章节，如何把这些知识点组成一个有机的整体，笔者认为中心教学法[1]比较适合。中心教学法产生于20世纪90年代初，理论要点是要抓住相关知识的主要矛盾，确立一个中心知识点来带动其他有关内容。中心教学法的关键点在于如何准确确定教学内容中最重要、最关键并最能带动整体的知识点作为总中心，然后再确立围绕总中心而展开独立的一级知识点，也作为一个分支中心，以此类推下去，直到覆盖整个知识内容。这样就在各中心之间构成一种层次分明、树状结构的形式,从而达到高的教学效率。按照这个原理，本文以碳元素为中心，提出3个方面的思考方向，即碳单质各种同素异形体的发现历程、碳原子量引发的问题以及碳碳键的选择性断裂和形成。再依次对其进行诠释，通过以点带面的教学手段达到好的教学效果。

1 碳单质的发现历程

1.1 由金刚石和石墨引发的思考

如何阐述碳单质的发现历史呢？以中学所学的知识为基点，金刚石和石墨是中学生最早知道的单质碳的两种基本结构型式。金刚石是由纯碳组成的矿物，是自然界中最坚硬的物质；而石墨则是柔软滑腻的。为什么同样是碳，一个那么硬而另一个却那么软呢？联系高中知识，金刚石是由共价键构成的，而石墨的片层结构是由于层与层之间的范德华力作用，所以使两者具有不同的物理性质。这引发了科学家的研究热情，石墨的片层结构层与层之间的范德华力较小，是否可以克服这种分子间力形成单层，得到二维的碳原子结构的物质？它的性质又会是怎样的？这一系列问题是人们最初研究碳单质的原因。

1.2 各种碳单质的相继发现

比较一下二维的碳原子结构与金刚石结构的标准生成自由能，就可发现具有多重键的卷曲或者弯曲型结构具有更高的热力学稳定性。随着实验方法的改善，各种新型碳单质的同素异形体的发现经历了以下过程。

1985年，美国Rice大学H.W.Kroto和R.E.Smalley等人用激光照射石墨，通过质谱法检测出C60分子[2]。后来他们用多边形纸片拼合成多面体分子模型，发现C60分子外形像足球，称它为足球烯[3-4]。此后许多试验也相继发现C44、C50、C70、C80、C84、C120、C180等纯碳组成的分子。这些分子都呈现封闭的由多面体组成的圆球形或椭球形, 像建筑师富勒设计建造的圆屋顶，因此又命名这类分子为富勒烯[5]。同时我们也可以把C60分子看成一个球形的单层石墨分子，只是它是一个卷曲的结构。

既然可以存在卷曲的C60分子，那么是否存在直接弯曲的结构呢？仅时隔6年，1991年日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现了纳米碳管[6-7]，它是碳材料家族的又一个新成员，为黑色粉末状，是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层的碳是sp2杂化。正因为纳米碳管是石墨片直接弯曲的结构，所以可通过剖开纳米碳管法来制备单层石墨。

2010年10月5日，瑞典皇家科学院宣布将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究[8]。石墨烯是一种全新的、最薄而又强度最大的物质；作为一种电导体，它的导电能力可以和铜相提并论；作为一种热导体，它的性能超出了任何其他已知材料。科学家在相继发现富勒烯和纳米碳管之后，终于由石墨研制得到了单层石墨，实现了研究者的最初想象，同时石墨烯的优良性质也让研究者对其应用有着美好的憧憬。

通过以上分析，可以进一步认识各种单质碳之间的相互联系。它们的相继发现有偶然性，其实更是一种必然性。

2 为什么碳的相对原子质量为12.011

当我们去查化学元素周期表时会发现碳的相对原子质量为12.011。同样我们也会马上联系到中学所学的相关知识，质量数=质子数+中子数，那么肯定存在质量数大于12的碳元素，从而引出碳元素有多种同位素。笔者希望通过这样一条线再来介绍碳同位素各自的作用。

2.1 作为计量标准的12C

12C是质子和中子数都为6的碳原子，它是碳元素的一种同位素，在世界现存碳元素中丰度为98.89%，是最常见的碳同位素。将各种原子(或分子、离子)的质量与12C质量的十二分之一的比值定义为该原子的相对原子质量，它的单位为1。12C原子被用来作为阿伏伽德罗常数的标准：12克12C所含原子的个数被定义为阿伏伽德罗常数(6.02×1023)。

2.2 作为有机化学检测基础的13C

当质量数和原子序数不同时为偶数时，原子核存在非零自旋。简单地说，处于一个静磁场中的核子(质子和中子)，会由于与磁场的作用而处于不同的能量状态。当一个外界的电磁波来扰动处于“平衡”状态的核子时，吸收了能量的核子就会在不同的能级之间跃迁，并在此过程中释放出能量。而放出的能量被检测后，经过分析和计算就可以得到有机物内部原子的结构信息。像12C是没有核磁共振现象的(质量数和原子序数都为偶数)，不能用于鉴定有机物，而13C则可以用于研究，并用于结构解析。所以13CNMR是有机物检测的一个重要手段[9]。

2.3 用于考古的14C

考古学中经常涉及文物年代的鉴定。以前判断文物真伪主要是靠观察，现代考古界普遍采用的鉴定方法是14C测定年代法。

14C是碳的一种具有放射性的同位素，于1940年首次被发现。它是通过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生，其半衰期约为5730年，发生β衰变，转变为氮原子。由于碳是有机物中最常见的元素之一，生物在存活时，，其体内的14C含量大致不变，生物死后，其体内的14C开始减少，因此人们可通过测一件古物中14C的含量，来计算它的大概年龄，这种方法称之为碳定年法。例如，我国考古工作者用放射性同位素鉴年法对马王堆一号汉墓外椁盖板衫木进行测量，结果表明该墓距今有2130年左右。通过历史文献考证，该古墓的年代为西汉早期，约在2100年前，两者符合得很好。通过以上分析，由碳的原子量为12.011可以联系到碳的3种同位素，并且每种同位素都有其各自的作用，从而扩展了知识。

3 碳碳键形成的炫彩世界

3.1 2010诺贝尔化学奖——钯催化的交叉偶联反应[10]

不论是金刚石，还是石墨烯中的碳碳键均很牢固(键能大)，所以碳碳键的断裂和重组是不容易的，但它同时又是构成自然界中丰富多彩的各种有机物的基础。那么科学工作者怎么用化学的方法去合成其中对人们有用的物质呢？2010年诺贝尔化学奖的3位得主为解决以上问题提供了可能性。在有机化学中，最主要的反应就是碳原子之间的化学键的形成和断裂。碳原子的不同组合能够形成结构非常复杂、性质各不相同的分子。但由于碳碳键的键能很大，所以涉及碳碳键形成的化学反应通常需要对特定碳碳键进行活化或极化(让碳碳键的一端带部分正电荷，另一端带部分负电荷)。美国化学家理查德·赫克(Richard Heck)发现在金属钯的作用下，碳原子实现了相连，并且反应条件温和，反应速度也更快，简称钯催化的交叉偶联反应。日本化学家根岸英一和铃木章在赫克之后进一步探索了钯催化交叉偶联，他们改变温度、酸碱性、溶剂等反应条件，成功做出了其他化合物中的碳原子的连接。3人均有以自己名字命名的反应。

3.2 碳氢键活化的新进展

同样，碳氢键的直接官能团反应对于研究者在合成中有着很大的挑战性，吸引了很多科学家的关注。在过去的十几年中，经典的贵金属催化的碳氢键活化取得了很大进展，但是有毒有害的重金属残留以及成本高一直是难以解决的困难。最近以廉价易得的普通过渡金属催化的碳氢键活化反应，甚至是无过渡金属催化的碳氢键活化反应代表了该领域未来的发展方向。北京大学化学与分子工程学院施章杰教授课题组在对普通过渡金属催化的芳基碳氢键活化与芳基卤化物的偶联反应进行了系统的研究，取得了很好的成果[11]。

根据碳化学的上述3根主线，中心教学方法能帮助学者更快地建立自己的知识体系，达到事倍功半的效果。这种以点带面的教学方法可以更好地扩展相关内容，让教材变得更加丰富，使学生学得更加生动和有趣。

参 考 文 献

[1] 王园朝.大学化学,2010,25(3):16

[2] Kroto H W,Heath J R O,Brien S C,etal.Nature,1985,318:162

[3] 刘育亭,曹玲华.大学化学,1989,4(6):29

[4] 周公度.大学化学,1992,7(4):29

[5] 顾镇南,张泽莹.大学化学,1992,7(2):1

[6] Iijima S.Nature,1993,363:603

[7] 杨占红,李新海,李晶.大学化学,1998,13(4):30

[8] 吴江滨.物理通报,2010(11):2

[9] 王乃兴.核磁共振谱学:在有机化学中的应用.北京:化学工业出版社,2010

[10] 肖唐鑫,刘立,强琚莉,等.ChinJNature,2010,32(6):332

[11] 孙长亮,李必杰,施章杰.ChemRev,2011,111:1293