利用塑料串珠构建化学模型

韩晓 王朝晖

摘要：用塑料串珠等材料构建了具有笼状结构的C60分子模型，并利用此方法构建了可燃冰模型。借助实物模型，将抽象的结构具体化，帮助学生更好地认识分子以及晶体的微观结构，提高学生的建模能力和模型认知水平。

关键词：C60分子模型;可燃冰模型;模型认知

文章编号：1008-0546（2019）04-0086-03

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.023

一、问题的提出

“模型认知”是人类探索物质世界及其变化过程中，逐渐积累的具有化学特质的思维方法，不仅能够解密物质及其变化之規律，而且也为创造新物质提供理论支撑”。《普通高中化学新课程标准（2017版）》将“模型认知”作为化学学科核心素养之一，要求学生通过分析推理、抽象、归纳等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，在此基础上建立起模型，并能运用建立起的模型解释化学现象、揭示现象的本质和规律[2]。

化学科学和化学教学中的模型主要有实物模型，符号模型和思维模型等三种类型，其中实物模型是对事物实实在在的模拟，它能将真实物体的形状图画或者三维结构直观地反映出来，这些模型可能依据了几何原理对原型进行了扩大或缩小，也可能只是对原型的轮廓或结构进行了简单模拟。在化学教学中使用实物模型，可以将微观现象宏观化，抽象事物具体化，让学生比较容易接受原型、理解原型[3]。

学生在学习碳元素的三种同素异形体时，初高中化学教材都对C60分子进行了介绍，C60分子因其高对称性的笼状结构，自1985年发现以来，全碳笼状结构概念已经广泛影响到化学物理、材料等科学领域[4]。用传统的球棍模型构建C60分子时，需要考虑C60中碳原子的杂化方式，选择合适的球和塑料短棍搭建，以达到相应的曲率。笔者在教学中，发现用编织手工艺品的塑料串珠和柔软的鱼线构建的C60分子的实物模型，可以很好地展现分子的曲率。利用此方法，还可以构建可燃冰等具有笼状结构的模型，这些实物模型小巧方便易于观察。通过实物模型的构建，将内隐或看不见的物体外显化、可视化，培养学生的空间想象能力和建模能力，以及运用模型解决问题的能力。

二、C60分子模型的建立

1.模型材料

材料：不同颜色的具有合适孔径的塑料串珠，鱼线若干，如图1所示。

以C60球型分子模型为例介绍，在构建模型的过程中参照C60分子的拓扑图。C60分子是由12个五边形，20个六边形组成的类似足球结构的具有曲率的分子。用塑料串珠代表共价键，用柔软的鱼线连接串珠，串珠共用的点表示碳原子。

在构建C60分子过程中，选择C60分子的拓扑图（如图2-1）中心的五元环开始，取5颗串珠用鱼线穿起来，如图2-2所示，将5颗串珠分别标号为1到5，如串珠模型示意图2-3所示，将鱼线两端标号为a和b，为了便于观察，将鱼线a端的前端标注为红色。

将鱼线b端穿入第5号串珠，穿入方法如图3-1所示，构成了C60分子拓扑图的中心的五元环，如图3-2所示，并将该五元环命名为五元环A。将第5号串珠作为五元环A和第一个相邻的六元环的一个碳碳键，从鱼线b端再穿入5颗串珠，标号为6到10，如图3-3所示。紧接着将鱼线a端穿入第10号串珠，穿入方法如图3-4所示，此时，构成了和五元环A相邻的第一个六元环B，具体命名如图3-5所示。

再将鱼线b端穿入第1号串珠，穿入方法如图4-1所示，鱼线B端穿入1号串珠后，此时5号，10号，1号串珠拥有一个共同的交点，如图4-2所示，这个交点就是C60分子中的一个碳原子，因此塑料串珠代表碳原子之间的共价键，串珠共同的交点表示C60分子中的碳原子。

将1号和10号串珠作为和五元环A相邻的第二个六元环的两个碳原子间的共价键，将鱼线从a端再穿入4颗串珠，同1号和10号串珠构成六元环。如图4-3所示，将穿入的4个串珠标号为11号到14号，再将鱼线b端穿入第14号串珠中，穿入方法如图4-4所示。此时，1号，10号，11到14号这6颗串珠构成了和五元环A相邻的第二个六元环C，如图4-5所示。

根据上述构建模型的方法，以此类推，构建出Coo分子的拓扑图中第一圈和第二圈的结构，如图5-1标示，串珠模型见5-2所示。

由于正六边形内角为120度，正五边形的内角为108度，当五元环A和六元环B和C相邻的时候，∠1+∠2+∠3的角度小于360度，如图6-1所示。

随着这样五元环和六元环相连的结构的增多，构建的模型逐渐具有曲率，根据C60分子的拓扑图中五元环和六元环连接情况，以及C60分子中五元环周围都是六元环的结构特点，按照图6-2所示的顺序，继续构建分子，逐渐构建出球状结构，如图7所示。

3.模型建立的意义

C60分子模型的建立，得益于鱼线的柔软和塑料串珠的刚性，利用此方法可以构建多种具有笼状结构的分子及晶体结构，如可燃冰晶体。

可燃冰晶体具有笼状分子结构，水分子通过氢键形成笼状结构，甲烷分子处于笼内，如图8-1所示，表面小球是水分子，内部大球是甲烷分子。依据C60构建方法，利用塑料串珠和鱼线，构建可燃冰的串珠模型，将8-1的平面图转换成立体结构，如图8-2所示。串珠共用的点表示水分子，塑料串珠代表氢键，中间的大球表示甲烷分子，学生通过可燃冰串珠模型可以更好地分析最小的环中连接的原子总数，从而理解可燃冰的空间构型。

可燃冰晶体具有多种笼状结构，其中一种结构是由1个图8-2所示的笼分别用2个面与另外两个相同的笼共面而成，学生可以利用串珠模型构建共用2个面的笼状结构，如图9所示，构建的模型可以帮助学生分析中间可燃冰笼实际占有的水分子个数，认识可燃冰晶体的微观结构。

可以引导学生，上网查阅相关文献和著作，构建化学研究前沿的分子模型，从而了解化学科学研究动态和科学前沿，开拓学生的视野，感悟化学学科的魅力，激发他们学习化学的兴趣和热情。

三、总结与反思

构建模型是一个复杂的思维过程，化学模型的构建与运用也是研究化学科学的基本方法之一。通过C60分子模型和可燃冰模型的构建，让学生实际动手操作，使得抽象的微观结构具体化，降低了学生学习的难度，再引导学生检验或修改自己构建的模型，通过模型构建活动，让学生对分子及晶体结构有更深入的理解，为进一步学好晶体结构等化学知识奠定基础。教师在教学过程中让学生体会建模的思路、方法，让学生体验模型构建的过程，增进学生对模型本身的理解，培养学生建模的兴趣，提高学生对科学方法的认识和模型认知水平。

参考文献

[1]吴君磊.基于发展学生“模型认知”素养的教学设计——以苏教版“苯酚的性质和应用”为例[J].化学教与学，2018（1）：25-28

[2][3]李鹏鸽，龚文慧，秦蕊，王旭，夏志卿.模型认知素养及其在化学概念教学中的落实[J].教学与管理（中学版），2018（2）：64-66

[4]刘新锦，朱亚先，高飞等.无机元素化学（第2版）[M].北京：科学出版社，2010：54-57