碳元素教学中化学学科素养之宏微关联与变化平衡思想*

袁 焜，陈冬梅，崔雅琴，刘艳芝

(天水师范学院化学工程与技术学院，甘肃 天水 741001)

碳元素是自然界中最常见的非金属元素，它不仅是有机化合物分子的主要组成元素和主体骨架元素，也是生命的重要组成物质，且碳元素与生命的起源密切相关，在恒星演化过程中，碳元素是氦元素发生聚变的产物，广泛存在于宇宙之中，所以碳元素成为了生命的基础元素。可以说没有碳元素，就没有地球上的生命体。当碳元素作为单质存在时，它具有多种同素异形体。因此，碳元素被誉为自然界中最为神奇的物质之一。对化学物质和分子的认识，碳元素及其构成的物质分子是无法绕开的内容之一，其实在中学化学和大学无机化学课程中就编入了碳的同素异形体相关的学习内容。

有关碳元素的知识体系还在不断的发展和丰富中，未来一定会有新形式的碳物质与分子不断被发现和创造，对这些新的碳物质的研究也必将带来相关化学与分子科学理论的发展。其实，人类对碳元素及其材料与分子的不断深入研究和理解的过程，基本可以完美体现了化学学科核心素养的各个方面。目前，化学教育界公认的化学学科核心素养的具体内容应该包括证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、科学态度与社会责任、科学探究与创新创造意识等5个方面(图1)[1]。作为中学化学教育工作者，在教学中要善于通过化学与物质元素知识的教学内容为载体，潜移默化、润物无声的去培养初学化学的中学生的学科核心素养，碳元素恰好可以作为这种学科核心素养培养的理想载体。本文将通过对金刚石与石墨的宏观性质与微观结构的逻辑关联的讨论，以阐释化学学科核心素养中的宏观辨识与微观探析；此外，通过对石墨烯在高压这一极端物理条件下转化为钻石烯这一新颖碳纳米结构的物理化学过程特征及化学史的剖析，以阐释化学学科核心素养中的变化观念与平衡思想，以期为教师培养学生化学学科素养具有启发和指导价值。

图1 化学学科核心素养组成

1 碳元素与宏微关联及变化平衡思想学科素养

1.1 宏观辨识与微观探析

碳的同素异形体，有的晶莹剔透、有的则完全吸收可见光，有的坚硬、有的柔韧，它们从宏观上表现出巨大的差异，具有显著地感官可辨识性。当然，也有其中的一些碳的同素异形体，宏观上很难通过人的感官去辨识，比如纳米金刚石和碳量子点、富勒烯和碳纳米管等。生活经验告诉我们，宏观上可显著辨识的物质，必然在微观结构上具有显著的差异；宏观上不可显著辨识的物质，在微观结构与组成上也极有可能存在本质的不同。但是，经验永远无法代替科学的微观探析。宏观辨识与微观探析的学科素养就是要求化学学习者能通过识察一定条件下物质的外在变化的宏观现象，掌握物质及其变化的类别，从微观层面理解物质的结构、组成和性质的内在关联。

我们知道，金刚石和石墨是最早被发现和使用的两种碳的同素异形体。金刚石“璀璨夺目，受人青睐”，而石墨则“漆黑一片，默默无闻”，如果没有化学科学家的微观探析，人们或许无从得知这两种物质具有共同的本源。 1772年，化学之父拉瓦锡在空气中用凸透镜聚光加热金刚石至火红，象征永恒的宝石之王金刚石竟然消失得无影无踪，并证明产生了无色无味的二氧化碳气体(图2)[2]，而换做其他宝石，无论是红宝石或蓝宝石都能耐高温，完全不会有宏观的变化。钻石之王似乎有着致命弱点。宏观上的感官可及之处，或许也是微观探析的驱动力。拉瓦锡又在真空中加热钻石，钻石依然不耐高温，但这回没有消失，而是变成了黑乎乎的一小堆石墨。从而说明金刚石与石墨同属于碳元素的同素异形体。此后化学家长期认为，碳的同素异形体包括金刚石、石墨和无定形碳3 种。然而，正是宏观辨识与微观探析的素养和精神，并没有使得人类把对碳元素的认识仅仅停留在金刚石、石墨和无定形碳这三种碳的同素异形体上。拉瓦锡的实验几乎不需要复杂的仪器和设备，就做到了科学的微观探析，充分展现了科学思想的重要与实验的巧妙，其实验结论也足以颠覆当时人们的常规认识。时至今日，拉瓦锡的这个实验和他的微观探究的思想依然价值不灭，如“宝石之永恒”。也许拉瓦锡烧掉的两颗钻石“价值连城”，但从实验中贡献给人类的知识“永恒闪耀”，这是追求科学真理的精神，也是化学核心素养的力量。

图2 金刚石与石墨的宏观外在辨识与微观组成元素探析

1.2 变化观念与平衡思想

变化与平衡是自然规律核心思想的重要特征，化学学科与科学研究尤可体现这一特征。接受化学知识和专业的化学教育，就要求学生能认识到物质在一定的条件下是不断运动变化的，物质的化学变化由内因和外因共同驱动，量变和质变相互伴生；能从不同角度对复杂的化学变化及其特征与规律进行分类研究；能用对立统一、联系发展和动态平衡的观点剖析和预测化学反应与变化规律。

物理化学理论告诉我们，298.15 K 下，石墨的吉布斯自由能为 -1.71 kJ/mol，而金刚石的为 1.19 kJ/mol，所以石墨比金刚石更稳定，理论上讲，金刚石是有可能自发的转变为石墨的，但是这个转变达到平衡所需要的时间是目前人类文明难以企及的量级。虽然石墨比金刚石稳定，但是由石墨转化为金刚石的反应焓变并不大(约 40 kJ/mol)，似乎这种转变较容易进行。然而，这种转变所需的活化能非常高，一般的转化方法难以达到超高的活化能。但是如果使用催化的方法，这种转变就会成为现实。十八世纪后期，人们开始寻找石墨转化为金刚石的途径，直至上世纪中叶，罗西尼通过热力学计算[3]，奠定了合成金刚石的理论基础，要使石墨变成金刚石，至少需要1.5×104个大气压和 1500 ℃ 的高温物理环境。二十世纪50～60年代，能产生上述条件的仪器装置得以建成。石墨在5～6万大气压(5～6×103MPa)及摄氏1000至2000度高温下，同时用第Ⅷ族金属Fe、Co、Ni或副族金属Cr、Mn、Ta等做催化剂[4]，可使石墨转变成金刚石。目前世界上已有包括中国在内十几个国家人工合成出了金刚石，但人造金刚石的颗粒的“长大”技术还有待发展。

石墨不但可以转化为金刚石，它还可以转变为2D钻石(钻石烯，金刚烯，2D金刚石)。我们知道，石墨烯是一种只有一个碳原子厚度的二维薄膜。长期以来，材料与物理化学家们在不断尝试用碳原子做出类似的2D钻石薄膜[5]。巴西米纳斯吉拉斯联邦大学的物理学家 L.G.Cancado 等[6]将两片石墨烯片置于数万倍地球标准大气压的环境下压缩，其晶体结构便会从石墨变成钻石烯。在高压作用下，通过水中的氢原子(蓝)和氧原子(红)将压力传导到石墨烯上，两片石墨烯合并成了一片钻石烯(图3)。莫斯科国家科学技术大学的理论物理学家P.Sorokin 表示，“这是目前世界上最薄的钻石。钻石一直以它的坚硬之极和难以改变而闻名，但现在我们终于可以在纳米领域运用钻石的各种惊人的属性了”。由于其磁性，2D钻石烯可能会在自旋电子领域派上用场，真可谓“不压不成材”。这种一定条件下碳素物质的转化是化学中的普遍规律，更是化学学科思想与核心素养最重要的方面。

图3 石墨烯在高压下合并成2D钻石

2 总结

有关碳元素的知识体系还在不断的发展和丰富中，未来一定会有新形式的碳物质与分子不断被发现和创造，对这些新的碳物质的研究也必将带来相关化学与分子科学理论的发展。其实，人类对碳元素及其材料与分子的不断深入研究和理解的过程，基本可以完美体现了化学学科核心素养的各个方面。本文通过对金刚石与石墨的宏观性质与微观结构的逻辑关联的讨论，阐释了化学学科核心素养中的宏观辨识与微观探析；通过对石墨烯在极端物理条件下转化为钻石烯的物理化学过程特征及化学史的剖析，剖析了化学学科核心素养中的变化观念与平衡思想，以期为教师在教学过程中培养学生化学学科素养提供启发和指导价值。