无机化学教学中基础知识与前沿研究的协同作用

蔡苹，胡锴，罗威，程功臻

武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

无机化学是一门既“传统”又“时尚”的专业基础课，它不仅包含经典的基本化学原理和常见元素及其化合物的性质，而且要讨论科学研究的前沿、热点问题，可见其课程内容之丰富多样。然而，在有限的学时内，如何让学生既扎实地掌握基础知识，又能了解无机化学的最新研究进展，并将这些基础知识用于解释新的研究成果或者提出新的疑问，则对“教”和“学”提出了更高的要求。我们既有“不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海”的名言，也有“问渠那得清如许，为有源头活水来”的名句，可见夯实基础和紧跟前沿研究是缺一不可的，事实上，二者也是相辅相成的，我们应当在讲授基础知识时水到渠成地将前沿问题引入教学中。

然而，如何协调好基础知识讲解和前沿研究引入的时间分配，是个实际问题，因为学时数是不变的。以武汉大学化学专业的无机化学课程为例，课程共96学时，分上、下两学期完成，上学期主要讲授基本原理，下学期主要讲授元素化学，学时非常有限。以前我们也曾尝试过让学生利用课外时间自主阅读文献并进行文献讨论，但是在实行过程中，对于大一的新生，收效并不明显，他们大多数的讨论并不深入，找不到基础理论和文献报道实例的契合点。因此，在后来的教学中，我们提出将基础知识的教学与前沿文献的引入协同进行，即，在讲解基础知识时，不仅引用经典的实例，还将最新的文献报道作为例子来分析讲解，将基础知识讲解和文献阅读融为一体，这样的好处是减少了学生的盲目阅读、提高了学生的学习兴趣、丰富了教学内容、提高了教学效果，而且也不用担心学时的分配问题。然而，这需要教师在备课过程中下足功夫，仔细挑选文献，并进行合适的教学安排，比如，改编成题目，帮助学生加深对基础知识的理解；作为热点介绍，帮助学生认识到所学知识的重要用途，等等。

1 引入前沿研究，深化基础知识

化学是一门以实验为基础的学科，比如原子轨道能级图和原子核外电子的排布都是依据大量的光谱实验和量子力学计算所得到的结果，且是针对基态原子而言，那么激发态呢？大部分教材都没有专门把激发态的情况拿出来讨论。再如，利用配体的配合稳定作用，零价态元素在过渡金属化合物中较为常见，如Ni(CO)4、Pd(PPh3)4等。然而，含零价态主族元素的化合物极为少见。在这种时候，我们就可以查找相关文献，抛砖引玉引导学生去进一步学习。比如s区元素除了金属单质以外(零价氧化态)，仅存在相应的正价或负价态。然而，2016年，德国Julius-Maximilians-Universität Würzburg的Holger Braunschweig教授成功分离表征了首例卡宾稳定的s区同素异形体Be(0) (图1)[1]。教师在备课时可以收集整合文献报道中的相关信息，如C―Be―C三个原子位于一条直线上，Be(0)的电子组态与其基态的电子组态不一样，并且卡宾配体与Be之间除了存在σ-配键外，还存在着π键，提出以下问题帮助学生思考：

图1 单杂卡宾稳定的Be(0)化合物分子结构示意图

(1) 此化合物中Be(0)的电子组态为________，采用的原子轨道杂化方式是________ 。参考答案：1s22s02p2，sp杂化。

(2) 卡宾配体与Be之间存在的是________中心________电子π键，该π电子来自于________原子。参考答案：3，2，Be，具体分析参见图2。

图2 Be(0)化合物的成键模式图

(3) 若往化合物中加入质子强酸，对该化合物会有何影响？参考答案：加入当量的质子强酸会导致化合物的分解。

通过将这一篇文献的引入讲解，强调我们通常写出来的原子的电子组态及轨道能量的排布都是指原子在基态下的，激发态时，则需要具体情况具体对待。可见在基础教学过程中引入前沿研究，可以帮助学生深化基础知识。

2 深化基础知识，构建知识体系

当学生将基础知识掌握牢固，并能融会贯通时，其创新能力自然会得到提升。因而在授课过程中，教师除了深入浅出地讲解知识点之外，还需要举例告诉学生这些知识如何应用，虽然教材上也有，但教材的更新速度远不如文献更新得快。

比如，在学习氢元素时，我们的重点都放在氢(H)的正离子形式H+，而氢负离子H-，因其极不稳定，所以强调得不多。

由于H-只含有一个质子，对核外两个电子的控制力较弱，导致其可压缩性和变形性都很高，且是一个强的二电子σ给体。其与除Be以外的碱金属和碱土金属形成的都是离子型化合物，比如LiH、NaH和CaH2等，它们遇水发生剧烈反应，产生H2，能与卤化物发生复分解反应，也能和Lewis酸发生加合反应。在与过渡金属(离子)反应时，H-充当二电子的σ给体，与中心体形成配合物。事实上，包含H-的过渡金属氧氢化物(transition-metal oxyhydrides)已有诸多报道，这些含H-的化合物不仅在储氢材料中表现出极大的潜力，而且由于其离子扩散能力高，在电池材料方面的研究也引人瞩目。让人惊喜的是，新的研究还表明H-是非常好的π轨道的阻断剂，可用于新型材料的研究中心以降低材料的维度。

2018年，日本京都大学的Hiroshi Kageyama教授联合英国牛津大学的John E. McGrady教授和Michael A. Hayward教授等研究人员在高压下对H-的性质进行了深入细致的研究[2]。他们利用H-与O2-离子半径相近的特点，用立方型SrVO3与CaH2反应产生四方型SrVO2H (图3a，3b)，这个含H-的氧氢化物具有层状结构，VIIIO4平面层和SrH层相互间隔。这是因为用一个H-取代SrVO3(图3a，3c)中一个O2-离子(价轨道为p轨道)成为SrVO2H时，层与层间的金属V (价轨道为d轨道)的π–π重叠就被有效阻断(对比图3c和3d)，从而显著地改变了SrVO2H的轨道重叠方式。即便V―H键的可压缩性是V―O键的两倍，高压下也确实能实现SrVO2H从绝缘体到金属的相变，但是由于位于VIIIO4层间的H-没有π对称价轨道，导致上下层中钒的π对称d轨道无法相互作用，所以材料仍然是二维结构，其能带沿着ab平面而不是沿着c轴有更大的分散是SrVO2H转变到金属相的驱动力。可见正是由于氢负离子π阻断剂的作用，当SrVO3转变成SrVO2H时，三维Vdπ–O2pπ–Vdπ网状结构减小到二维层状结构。

图3 (a) SrVO3的晶体结构图；(b) SrVO2H的结构示意图；(c) SrVO3层间和层内轨道重叠示意图；(d) SrVO2H层间和层内轨道重叠示意图

这篇文献的亮点是氢负离子作为π阻断剂，但核心基础知识是氢负离子没有π对称价轨道，于科学研究来讲是典型的利用“经典知识”进行创新。当我们把这些文献中的具体知识引入实际教学过程中时，则可以帮助学生构建起完整的知识体系。

下面，我们以氢元素的教学为例来说明在教学中如何让基础知识与前沿研究协同作用。设计思想：结构决定性质，理论联系实践，基础知识与前沿研究相结合，依据教学需要引入文献。

从氢元素的核外电子组态1s1，讲授到其可能的成键类型，即共价键和离子键，其中离子键又可通过H+和H-离子来成键。讲授H+离子成键时，联系到离子极化学说的内容，H+由于极化能力非常强，导致NaHCO3的热稳定性比Na2CO3差，同时联系到侯氏制碱法的原理。

讲授H-单元成键时，除了讲授其与碱金属和碱土金属形成的离子化合物，还要补充讲解H-单元与过渡金属形成配位键的文献，其中H-单元提供一对电子给个过渡金属原子或离子，形成σ配位键，如图4a所示。通过对该配合物中心金属的氧化态、配位构型、磁性、可能的立体异构体，以及相对稳定构型的分析和讨论，掌握H-单元作为配体的特点(具有较大的反式效应)。

氢由于其结构特点(半径小)，因而具备形成多中心氢桥键的能力，通过对乙硼烷中三中心两电子键的阐述举例说明这一特点(图4b)，同时引导学生阅读相关文献。

不仅H-单元可以作为配体，H2分子单元也可以作为配体与金属中心或缺电子中心配位，联系H2分子轨道能级图，阐明在配位过程中，H2分子将成键轨道上的电子给出，相当于降低了H2分子的键级，削弱了H―H键，从而起到活化H2分子的作用，由此引申到催化剂，并引导学生阅读相关催化加氢的文献(图4c)[3]。

讲完H形成化学键后，继续讲授其在分子间作用力中的表现，即分子间氢键和分子内氢键，分子内氢键使物质的熔沸点降低，热力学稳定性变差；而分子间氢键则使物质的熔沸点升高，同时，有可能是一些本来不稳定的物质变得相对稳定，以N-5五氮唑为例[4]，如图4d，要求学生课后阅读五氮唑相关文献，进一步了解其特殊性，为氮族元素的学习做准备。

图4 教学过程中涉及到的相关图片

关于氢元素，我们不得不提的还有非常重要的一笔，那就是金属氢。2017年1月，哈佛大学物理学家艾萨克·席维拉团队宣布，制造出了地球上最稀有、最珍贵的材料——金属氢[5]，虽然，研究团队后来宣布，这块金属氢不见了，但是论文中的许多物理和化学过程，我们却可以拿到课堂上来讲授或者讨论。比如：氢分子在高压下，其中的氢原子间由两电子两中心的共价键转变为金属键的过程中(图4e)，是否涉及到高压下分子间作用力向原子间作用力的转变，或者说分子间作用力向化学键的转变，这都是可以引导学生讨论的问题，在讨论的过程中，培养学生的质疑精神和创新能力。

当然，通过引入前沿研究来深化基础知识和通过深化基础知识来构建知识体系的例子还有很多，需要作为教师的我们大量阅读文献，花大量的时间和精力挖掘文献中的基础知识，充分利用基础知识与前沿研究间的协同关系，提升教学质量，培养出基础扎实、有创新能力的学生。