运用证据推理 修正认知模型——例析共价键键长与键能关系

吉林 王永波

共价键参数是衡量分子结构和性质的重要指标，该部分内容位于2019人教版教材选择性必修《物质结构与性质》第二章第一节——共价键，包括共价键的键能、键长和键角三部分。笔者结合自己的教学心得总结如下几个问题并逐一进行梳理，以利于共同进步和提升。

教师在共价键参数的教学过程中通常会建立如下思维模型帮助学生构建知识体系。

该思维模型阐述了键长、键能和键角对分子稳定性和分子立体构型的影响。具体说来，一般原子半径越小，由该原子形成的共价键键长越短，键能越大，由该键形成的分子越稳定，因而键长和键能决定分子稳定性。键角是指分子中两个共价键之间的夹角，键长和键角决定分子的立体构型。因此键能、键长和键角共同决定分子的性质，这也是物质结构决定性质的体现。

问题1：证据推理与模型认知——共价键键能与键长关系

表1列举部分化学键的键长和键能数据，不难发现共价键键能与键长的关系：一般来说，键长越短，键能越大，推测由该键形成的分子越稳定。

表1 部分共价键键能和键长数据

运用此规律可以解决化学中的很多问题：如N2与H2在常温下很难发生化学反应，必须在高温下才能发生化学反应，F2与H2在冷暗处就能发生化学反应，而化学反应的实质是旧键断裂和新键生成，说明断开N≡N比断开F—F键困难。卤化氢的稳定性按照氟氯溴碘的顺序逐渐减弱，也可由键长越短、键能越大、键越牢固这一规律来解释，由于原子半径FHCl>HBr>HI。同族简单气态氢化物稳定性的判断可以应用该思维模型。

问题2：卤素单质(X—X)键能与键长的比较

表2列举了卤素单质(X—X)键能和键长数据，分析表中数据，发现X—X键的键能不符合键长越短，键能越大的规律，数据表明较为特殊的是F2，难道是结构决定性质这一规律不适用了吗？不，这恰恰是结构决定性质的最好诠释。在教学过程中教师要引导学生发现这一矛盾，运用原子结构知识解释其中的原因，引导学生通过讨论能够得出F—F键键能反常的原因：氟原子的半径很小，因此其键长很短，正是由于键长短，两氟原子形成共价键时，原子核之间的距离很近，排斥力很大，因此键能不大，F2的稳定性差，很容易与其他物质反应，这也是F2极其活泼的原因。

表2 卤素单质(X—X)键能与键长数据

问题3：碳碳单键、碳碳双键、碳碳三键键能与键长的比较

观察表3数据可知碳碳单键、碳碳双键、碳碳三键的键长逐渐减小，键能逐渐增大。根据键长越短，键能越大，由该键形成的分子越稳定的原理，碳碳单键、碳碳双键、碳碳三键的稳定性应该逐渐增大，而事实上乙烯和乙炔的化学性质比乙烷活泼得多，难道这又违背了结构决定性质的规律吗？教师引导学生从碳碳单键、碳碳双键、碳碳三键中共价键的成分进行分析可知，碳碳单键为σ键，碳碳双键一个是σ键、一个是π键，碳碳三键一个是σ键、两个是π键，而σ键比π键稳定性强，因此碳碳双键和碳碳三键因π键的存在而容易发生加成反应和氧化反应。从表3数据来看，碳碳双键的键能比碳碳单键键能的一倍大，比其二倍小，碳碳三键的键能也不等于碳碳单键和碳碳双键键能之和，正是π键的键能比σ键的键能小而导致的。经过这样的分析，学生就会清楚地知道，不能把所有分子中键能按照从大到小排序，进而确定分子稳定性。

表3 碳碳单键、碳碳双键、碳碳三键键能和键长数据

问题4：氮氮单键、氮氮双键、氮氮三键键能的比较

分析表4数据可知氮氮单键、氮氮双键、氮氮三键键能逐渐增大，且氮氮双键的键能大于氮氮单键键能的二倍，氮氮三键的键能大于氮氮单键键能的三倍。这与碳碳键的键能关系相矛盾，而氮氮单键依然是σ键，氮氮双键中一个是σ键、一个是π键，氮氮三键一个是σ键、两个是π键。难道在氮氮双键和氮氮三键中的π键比σ键更稳定？显然答案是肯定的。可这又是为什么呢？

表4 氮氮单键、氮氮双键、氮氮三键的键能和键长数据

换个角度，我们还可以从分子轨道理论加以解释。

在第二周期的8种元素中，只有O2和F2分子成键的2s和2p原子轨道能量差较大，不用考虑2s和2p原子轨道的相互作用，其分子轨道按图1排列，此时，E(π2p)>E(σ2p)。其他双原子分子如C2、N2等，由于其2s和2p原子轨道能量差小，当原子相互靠近时，不仅会发生s—s重叠和p—p重叠，而且会发生s—p重叠，以至改变能级次序，如图2所示，此时，E(π2p)

图1 图2

问题5：氧氧单键、氧氧双键键能的比较

分析表5数据可知氧氧双键的键长短、键能大，但氧氧双键的键能大于氧氧单键键能的二倍。通过问题4的分析我们知道这种情况与氮氮单键、氮氮双键、氮氮三键键能变化原理不同，氧氧单键是σ键，氧氧双键中一个是σ键、一个是π键，如果不是氧氧双键中的π键比σ键更稳定，那又是为什么呢？

表5 氧氧单键、氧氧双键的键长和键能数据

图3

图4

诚然，问题4和问题5已经涉及大学物质结构内容，在具体教学实施过程中，教师可视本校学生能力水平酌情处理，也可以引导学有余力的同学自行研究，为学生自主学习及能力培养搭建平台。

在教学过程中引导学生初步建立思维模型，运用客观事实制造认知冲突，自然能发现一些不符合一般思维模型的问题，在教学过程中教师不应该回避这样的问题，而是在引领学生构建思维模型的同时，提出可以深度思考的问题，引导学有余力的同学进行小组讨论或是项目研究，用已有知识解决问题，修正模型，以达到对知识深度理解的程度。这不仅是学习知识的一般过程，更是做学问和搞科研的思维过程。这样的教学模式恰恰迎合高考命题主旨：注重服务选才，科学引导教学。早在2014年公布的《关于深化考试招生制度改革的实施意见》中，就明确规定了高考内容改革的方向是“依据高校人才选拔要求和国家课程标准，科学设计命题内容，增强基础性、综合性，着重考查学生独立思考和运用所学知识分析问题、解决问题的能力。”这一要求在近三年的高考试题中表现得尤为明显。试题命制不再是单纯检验学生高中三年的学习成果，而是为选拔适应社会发展的高素质、高质量人才服务。当考题越接近生活，越有深度有难度，就会有一批实力强，知识储备颇多的人才被选出，有利于社会的发展。在教学过程中教师要适当挖掘源于教材却高于教材的知识，引导学生独立思考、发现问题、分析问题、解决问题，具备这种能力的同学可以游刃有余地驾驭高考试题。