摘要：以“氫鍵的形成”為例，從宏觀可見的現(xiàn)象入手，結合簡單易行的實驗，使學生切實感觸氫鍵的存在。由表及里、由淺入深、由此及彼，不斷豐富和完善對氫鍵的認識和理解，提供認識物質結構、性質及其相互關系的學科視角，實現(xiàn)“宏觀辨識和微觀探析”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關鍵詞：氫鍵;核心素養(yǎng);宏觀辨識;微觀探析

文章編號：1008-0546（2020）10-0058-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.016

“宏觀辨識與微觀探析”是高中化學核心素養(yǎng)的構成內(nèi)容之一。其中，宏觀辨識是學生認識化學的出發(fā)點，微觀探析則是對事物本質的理解[1]。兩者的結合體現(xiàn)了從分子、原子層次認識物質結構、性質、能量轉變及其相互關系的學科視角。

北師大化學系吳國慶教授曾指出：“宏觀與微觀聯(lián)系是化學不同于其他科學最特征的思維方式，離開這個基本點就不是化學”。而這一思維方式在選修模塊《物質結構與性質》的學習過程中尤為重要?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》中明確指出：本課程模塊將從原子、分子水平上認識物質構成的規(guī)律，以微粒之間不同的作用力為線索，側重研究不同類型物質的有關性質，進一步豐富學生物質結構的知識，提高學生分析問題和解決問題的能力。通過本課程模塊的學習，提升學生有關物質結構的基本認識，深入認識物質的結構與性質之間的關系，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)[2]。

在此，筆者以該模塊中“氫鍵的形成”為例，開展“宏微結合”視角下的教學實踐與探索。

一、教學分析

“氫鍵的形成”位于蘇教版選修3《物質結構與性質》的專題3，在此之前學生對化學鍵以及范德華力已經(jīng)有了一定的認知。而氫鍵作為一種特殊的分子間相互作用，它與化學鍵和范德華力又有怎樣的聯(lián)系與區(qū)別，對物質的性質又會產(chǎn)生怎樣的影響，對于學生來說依舊是看不見、摸不著，內(nèi)容抽象、理論性強。

高中化學關于氫鍵形成的教學文獻數(shù)量并不多，從文獻研究來看教學方法上主要側重于理論講授法。如王成秩、胡志剛老師的《化學教學中的比較邏輯——“氫鍵的形成”教學設計》[3]、黎茂榮老師的《從教材“一般”到課堂“不一般”的研究——以人教版<化學2>“氫鍵”為例》[4]、高杰、王磊老師的《培養(yǎng)學生高級思維能力的“分子間作用力與物質性質”探究教學》[5]，三文均是從氨氣、水、氟化氫的沸點數(shù)據(jù)反常人手展開氫鍵的教學。而通過實驗探究來認識氫鍵的案例更少，陸瑾瑾老師在《“氫鍵”的教學實踐》[6]一文中通過觀察汞、汽油、水三種液體液滴的形狀來比較氫鍵、范德華力和化學鍵的大小，實驗中所用金屬汞有毒，對操作環(huán)境有較高的要求;另一方面，汽油是混合物，對于說明微粒結構、微粒間作用和物質性質的關系帶來了復雜性。徐惠老師在《以數(shù)字化探究實驗引領“分子間作用力”教學》[7]一文中則通過溫度傳感器測定正丁醇和正己烷揮發(fā)時溫度變化程度的差異，簡單直觀地說明了正丁醇分子間氫鍵的存在，但對于沒有數(shù)字化實驗儀器與設備的學校來說，仍無法進行該項實驗研究。

二、設計思想

基于上述分析和研究，本節(jié)課的設計從兩個維度人手：一是加強學科之間的融合，借助學生日常生活中能接觸到的宏觀現(xiàn)象，引導學生思考隱藏其背后的微觀原因;二是借助常見的儀器、模型和化學試劑，以更加安全、有效和簡易的實驗，使學生直觀地感觸氫鍵的存在，將無形化為有形，降低學生對氫鍵理解的難度，再結合理論數(shù)據(jù)進行深入分析，從而增加可接受性，促進學生對氫鍵的認識。這樣既符合學生已有的認知規(guī)律，又有利于學生微粒觀的形成。

三、教學目標

1.知道氫鍵形成的條件及氫鍵的概念、分類和特點，理解氫鍵對物質性質產(chǎn)生的影響。

2.通過研究水中氫鍵的形成過程，結合氫鍵強弱的對比實驗、氫鍵對物質性質產(chǎn)生影響的探究實驗，理解氫鍵的本質，體會氫鍵的特點以及和范德華力和化學鍵的區(qū)別。

3.通過實驗，培養(yǎng)學生的探究意識和觀察能力，體會物質微觀結構對宏觀性質的影響。

四、教學流程

教學流程如圖1所示。

五、教學過程與反思

1.認識氫鍵存在的現(xiàn)象

【引入】水是地球對人類的饋贈，也是一切生命活動的開始，生命體重要的生理活動都要依賴水，甚至在水中發(fā)生。這也是為什么我們在別的星球尋找生命的痕跡時，總是找尋水的跡象。不過，你可知道，外表“溫柔”的水，內(nèi)部卻蘊含著不可小覷的力量。

【分組實驗】硬幣滴水實驗。下面請同學們來完成一個小實驗：向一枚一元硬幣上，慢慢滴水，請你試一試這枚硬幣上最多能滴多少滴水而不外溢？最多的一組，學生滴到了50滴，這個數(shù)目都超出了學生的估計。

【演示實驗】對比：向一元硬幣上滴加正己烷：25滴左右。

【問題討論】1.硬幣上為什么能滴那么多水而不外溢？2.水和正己烷均由分子組成，分子間作用力的強弱與哪些因素有關？3.為什么一元硬幣上水的滴數(shù)遠多于正己烷？4.水相對分子質量較小，在常溫常壓下卻是液體，如何解釋這一反?，F(xiàn)象？

【學生分析】通過物理學科選修3-3第七章對表面張力的學習，學生能分析得出一元硬幣上能滴一定數(shù)目的液體是由于液體的表面張力。這一宏觀現(xiàn)象說明組成物質的分子之間存在著相互作用，且水分子之間的相互作用強于正己烷分子之間的相互作用。然而，基于原有認知，范德華力大小受相對分子質量大小的影響，水的相對分子質量遠小于正己烷，分子之間的相互作用應比正己烷分子的相互作用弱，因此對后兩個現(xiàn)象學生無法解釋。

【模型展示】水分子間的氫鍵實物模型，如圖2。

【知識小結】組成水分子的氧原子半徑較小但電負性很大，且比氫大得多。從而使氫和氧之間的共用電子對，強烈偏向氧，氧原子負電性明顯增強，而氫原子幾乎成為裸露的“質子”，正電性明顯。液態(tài)水中，分子間距離相對氣態(tài)水要小的多，這樣一個水分子呈正電性的氫原子和另一個水分子呈負電性的氧原子之間就會產(chǎn)生一種不同于范德華力的靜電作用，這種特殊的作用就是——氫鍵。

教學反思：表面張力是物質所表現(xiàn)出來的宏觀性質，是學生在物理學科中已學知識。通過硬幣滴水的實驗喚起了學生對原有認知的新思考，學生從直觀現(xiàn)象領會到了化學和物理學科對同一現(xiàn)象不同層面與角度的理解，體會了學科間的聯(lián)系與區(qū)別。同時，通過硬幣上滴正己烷的對比實驗，引發(fā)學生已有理論知識和實驗現(xiàn)象的矛盾，促進學生深入思考，也由此引出氫鍵的概念。而借助結構模型的展示，形象地將水分子及其空間分布呈現(xiàn)在學生眼前，實現(xiàn)從微觀不可見向宏觀可見的轉化，學生較快地理解了水分子中的氫鍵是如何形成的。

2.理解氫鍵存在的意義

【問題討論】從硬幣滴水實驗，我們已經(jīng)感受到了氫鍵的作用強于范德華力，那么氫鍵是否屬于化學鍵中的一種，與化學鍵相比，它的強度又如何？

【分組實驗】在玻璃片上不同位置分別滴加幾滴正己烷和水，觀察液滴滴落后形狀的差異，再與水銀開關中的水銀相比較。

【學生描述】正己烷的液滴攤開很大，而水滴則相對聚攏，呈半球狀。水銀開關中的液滴則呈球形，且不管水銀開關怎么放置，汞的液滴始終呈圓球形。

【資料卡】液滴的形狀差異，意味著液體內(nèi)部微粒之間的作用力不同。內(nèi)部作用力越大，液滴表面積越小，越趨向球狀。

【學生分析】汞中微粒間作用力>水中微粒間作用力>正己烷中微粒間作用力，即金屬鍵>氫鍵>范德華力

【數(shù)據(jù)展示】展示具體數(shù)據(jù)（見表1）。

【知識小結】所以，盡管人們把氫鍵也稱作“鍵”，但與化學鍵相比要弱得多，并不屬于化學鍵，而是存在于分子之間一種特殊的相互作用，但是它又強于普通的分子間作用力——范德華力.從而使含有氫鍵物質的性質表現(xiàn)出了一些特殊性。

教學反思：引導學生對比水、正己烷、汞三種液體的液滴形狀，從液滴的外觀差異這一宏觀現(xiàn)象，挖掘微觀的本質原因，使學生對氫鍵、范德華力、化學鍵強度大小的認識不再停留在數(shù)據(jù)分析，而是有了直觀感性的感受。實驗中用水銀開關代替了直接觀察汞的液滴，相對比較安全，該開關在電子產(chǎn)品市場很容易購買，且可以反復使用。選擇正己烷代替了汽油，用純凈物代替了混合物，且正己烷是低毒性試劑，實驗安全性相對較高。

【問題討論】

1.觀察玻璃片表面，正己烷和水的液滴是否還存在？如何解釋這個現(xiàn)象？

2.為什么氨氣極易溶于水？

3.一般來說，從液體變成固體，密度會增大的，但為什么冰的密度比水??？

4.水的化學性質也是比較穩(wěn)定的，2000℃以上才能分解，這是否和水分子間存在氫鍵有關？

5.觀察對羥基苯甲醛的樣品，描述它的狀態(tài)，寫出其結構簡式，對羥基苯甲醛分子間是否可能存在氫鍵？對比鄰羥基苯甲醛的狀態(tài)，和對羥基苯甲醛有何不同，能否嘗試分析其中的原因？

【學生分析】1.一段時間后，正己烷液滴消失，水滴還在，說明正己烷比水更易揮發(fā)。這是由于水分子間存在氫鍵，改變它的狀態(tài)必須提高溫度，額外提供更多的能量打破氫鍵，從而水的沸點較高，較難揮發(fā)。2.氨分子和水分子之間可以產(chǎn)生氫鍵，加強了氨分子和水分子的締合，所以在水中溶解度增大。4.水的分解斷開的是水分子中的氫氧共價鍵，與氫鍵無關。

【教師分析】3.溫度降低，水結冰，從水的晶胞結構圖中我們可以看出，每個水分子周圍的氫鍵有固定的方向和數(shù)目，也就是說氫鍵是有方向性和飽和性的。因此，氫鍵的存在就迫使在四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向4個相鄰的水分子相互吸引，最終形成了四面體空間網(wǎng)狀結構。這種排列方式使得冰中水分子的空間利用率不高，留有相當大的空隙。所以，當水結冰時體積反而會膨脹，但質量不變，所以密度變小，從而浮在水面上。也正是這個原因，在寒冷的冬天水總是從表面結冰，而水底的溫度不會過低，保護了水底生物。綜上來看，是氫鍵給予了水力量，而水又為生命的延續(xù)帶來了希望。5.鄰羥基苯甲醛中，由于羥基和醛基相鄰，所以羥基上的氫和醛基上的氧之間產(chǎn)生了氫鍵，使分子內(nèi)部的締合更加緊密，而分子間的相互作用反而變?nèi)趿?。因此鄰羥基苯甲醛的熔沸點比對羥基苯甲醛低，對羥基苯甲醛為固體，而鄰羥基苯甲醛為液體。因此，氫鍵不僅僅可以存在于分子之間，還可以存在于分子內(nèi)。

教學反思：通過系列問題的討論，學生進一步建立了物質宏觀性質和氫鍵結構的聯(lián)系。問題l、2、4學生能自主分析。而問題3學生回答起來比較困難，由老師補充分析闡述。學生感受到了水中氫鍵的存在對于地球生命延續(xù)的重要意義。問題5則引導學生觀察了對羥基苯甲醛和鄰羥基苯甲醛常溫常壓下的狀態(tài)，依舊從肉眼可見的物質狀態(tài)差異，幫助學生理解分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵的不同，加深了對氫鍵存在范圍的理解。

3.“看見”氫鍵存在的影像

【觀看視頻】直到2013年11月，我國中科院國家納米科學中心科研人員利用非接觸原子力顯微鏡，在國際上首次拍到了氫鍵的照片，實現(xiàn)了氫鍵的實空間成像。

【投影】8-羥基喹啉分子間氫鍵的實空間圖像（圖3）。

教學反思：通過網(wǎng)絡查找中國科普博覽網(wǎng)頁了解，隨著微觀物理學和新的物理實驗方法與實驗技術的發(fā)展，現(xiàn)代化學物質結構研究進入了一個新的階段，能將肉眼難以觀察到的微觀現(xiàn)象轉化為可看可知的實際影像。我國科學家的這一研究成果在當時即引發(fā)了世界各國的關注。但課堂教學之后，筆者在文獻的深入研究中卻發(fā)現(xiàn)，2014年荷蘭科學家對該圖像提出了質疑，因為用同樣的方法在不存在氫鍵的1，2-吡啶乙炔中也“看到”了類似8-羥基喹啉的氫鍵圖像（圖4）。因此，在氫鍵的教學中是否引用該素材需要審慎。

4.“觸摸”氫鍵存在的力量

【敘述】那么，同學們是否想親手“觸摸”，感覺氫鍵的存在呢？

【分組實驗】有一瓶未知液體：觀察：無色透明油狀液體。用棉簽蘸取少量液體涂在手指上，學生感覺有點粘稠，再取少量該液體滴入水中，卻沒有分層，說明這個油狀液體可以溶于水。

【問題】這是大家非常熟悉的一種有機物“甘油”。分析甘油的結構，結合今天你對氫鍵的認識，大膽猜測為什么甘油會有較大的粘度，但是又能和水以任意比互溶？

【學生分析】因為甘油分子中有多個羥基，可能形成較多的分子間氫鍵，從而增大了甘油的粘度。當甘油與水混合，又可以和水分子之間形成分子間氫鍵，增大了甘油在水中的溶解度。

【總結】氫鍵對物質性質產(chǎn)生的影響，正是體現(xiàn)了微觀結構對宏觀性質的決定作用。當然，物質的某種性質，可能是多種微觀因素共同決定的結果，我們也需要辯證看待。 教學反思：文獻調(diào)查發(fā)現(xiàn)，液體分子間形成氫鍵，則分子間親和力增大，則其粘度增大。如分子量為92的甲苯與甘油的粘度的比較。20℃時，甲苯的粘度為5.903毫泊，甘油為10690毫泊。這是由于甘油液體分子間形成氫鍵，則其粘度很大，而甲苯液體分子間不能形成氫鍵，則其粘度很小[8]。盡管氫鍵對粘度的影響課本沒有要求，但在課本知識基礎上稍作延伸，能使學生對氫鍵的認知從“看見”又上升到“觸摸”，實驗過程中學生饒有興趣，有學生猜到了可能是甘油，因為老師敢大膽地讓他們觸摸，應該沒有毒害。甘油如油般的黏膩但也能和水相互溶解的特點，給學生留下了深刻印象，從而拓寬了氫鍵對物質性質影響的認識。

5.展望氫鍵的未來

【敘述】氫鍵對物質的性質產(chǎn)生影響的同時，還是關乎人類生命和生活的一種神奇的力量。生命體中許多大分子的內(nèi)部也存在氫鍵。生物遺傳密碼的DNA雙螺旋結構中的兩條螺旋鏈也正是用氫鍵相互結合的。同時必須遵循的堿基互補配對原則，A只能配T，C只能配G，也是由它們之間形成氫鍵的數(shù)目決定的，所以可以說“沒有氫鍵就沒有生命”。

【問題思考】在大學《無機化學》中提到：三氯甲烷和丙酮混合，三氯甲烷分子中的氫原子三氯甲烷中的氫原子可以和丙酮分子的氧原子產(chǎn)生分子間氫鍵，你能嘗試解釋其中的原因么？

【學生分析】三氯甲烷分子中氫原子雖然沒有直接和電負性很強的氮、氧、氟等原子直接連接，但在三個氯原子共同吸引作用下，使碳氫鍵之間的電子對強烈偏向于碳原子，從而使氫原子的正電性增強，也能與丙酮的氧原子之間產(chǎn)生氫鍵。

【小結】自20世紀初發(fā)現(xiàn)氫鍵以來，人們對氫鍵的研究還在繼續(xù)，新的形式的氫鍵被不斷發(fā)現(xiàn)，從最初正常的氫鍵到Π型氫鍵、雙氫鍵、藍移型氫鍵以及新近的單電子氫鍵，我們對氫鍵的認識經(jīng)歷了一次次質的飛躍，對氫鍵的理解也不斷地豐富和完善。正如我們的課本上所說，物質結構的探索永無止境！

教學反思：高中階段對于氫鍵的認識，仍建立在直接與N、O、F相連的氫原子才能形成?；谖倚W生原有基礎，在課堂教學中做了適度拓展，使學生對氫鍵形成的認識有所加深。事實上，隨著技術的發(fā)展和研究深入，從氫鍵的定義到結構，再到應用的進展，當今世界對氫鍵的認識和理解越來越豐富。作為老師，我們也需要有與時俱進的眼光，邁開跟上時代發(fā)展的步伐。通過我們的課堂教學，使學生意識到化學中任何一個理論都是在爭議中不斷更新和發(fā)展的陽、。這一思想也滲透到了課后的問題探究中。課后，老師帶領參加化學競賽的學生，借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)，從丙酮和三氯甲烷混合時液體溫度變化的宏觀現(xiàn)象人手，再結合氫鍵從微觀角度來分析其中的原因，并將研究結果總結，在期刊發(fā)表了《運用數(shù)字化實驗再識氫鍵》[10]一文，滿足了不同學生的學習需求。

6.板書設計

板書設計如圖5所示。

六、結語

微觀結構的不可見性和抽象性給學生的學習帶來了一定的困難。因此，在教學的過程中，需要教師充分挖掘生活、生產(chǎn)中學生熟悉的典型素材，從宏觀現(xiàn)象和性質人手，再從微觀結構剖析本質，使具象思維和抽象思維有機結合，促進學生物質結構思維能力的發(fā)展。此外，還應通過多樣化、多元化的方式，培養(yǎng)學生的學習興趣，關注學習過程中的深度體驗，同時也要關注學科之間的聯(lián)系，比如物理學科中關于物質結構的內(nèi)容，從而培養(yǎng)良好的科學研究態(tài)度。

本節(jié)課的教學立足從模型展示、實物對比、數(shù)據(jù)分析、文獻資料、新聞報道多方面人手，側重實驗探究，并從課上延伸到課后。學生真切感受了微觀粒子間的相互作用，產(chǎn)生了對物質微觀世界的探求的渴望，形成了良好的學科觀念，由表及里、由淺入深、由此及彼，不斷豐富和完善對氫鍵的認識和理解，實現(xiàn)了“宏觀辨識和微觀探析”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

參考文獻

[1] 陳世江.培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析的素養(yǎng)——以“金屬鍵”教學為例[J].化學教與學，2018（6）：30-31

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[3]王成秩，胡志剛.化學教學中的比較邏輯——“氫鍵的形成”教學設計[J].化學教學，2015（1）：46-48

[4]黎茂榮.從教材“一般”到課堂“不一般”的研究——以人教版《化學2》“氫鍵”為例[J].化學教與學，2017 （1）：34-35，65

[5] 高杰，王磊.培養(yǎng)學生高級思維能力的“分子間作用力與物質性質”探究教學[J].化學教育，2014，35（7）：10-12

[6]陸瑾瑾，“氫鍵”的教學實踐[J].化學教學，2013（1）：34-36

[7]徐惠.以數(shù)字化探究實驗引領“分子間作用力”教學[J].化學教育（中英文），2017，38（15）：20-23

[8]袁加程，淺析氫鍵對物質物理性質的影響[J].化學教學，2003（4）：45-47

[9]李淑妮，翟全國，蔣育澄，胡滿成，楊奇，高勝利.原子間的另一種作用力——氫鍵[J].化學教育（中英文），2019，40（22）：15-20

[10]張婷，張金怡，謝天宇，奚潤心，運用數(shù)字化實驗再識氫鍵[J].中學化學教學參考，2018（19）：32-34