李靖靖,盧艷霞,董彩霞,楊聯(lián)芝,王宇飛

(1.中州大學(xué)化工食品學(xué)院,鄭州 450044;2.鄭州師范學(xué)院化學(xué)系,鄭州 450044)

隨著科技的飛速發(fā)展和社會的急劇變革,教育目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教育方法等都在發(fā)生巨大的變化。高校師生之間已經(jīng)不再是單一的授受關(guān)系,可能是同伴關(guān)系、幫助者與被幫助者、服務(wù)與接受服務(wù)的關(guān)系等,在日常教學(xué)活動中盡可能地滲透一些社會價值觀、人生觀等人文教育對于學(xué)生日后走向社會有極大益處。本文從最常見的元素“碳”說起,論述了角色定位、和諧共處等社會常識,將人文教育滲透在有機(jī)化學(xué)專業(yè)課程中。

1.從“碳”的常識談及其在地球生命中的重要性

1.1 碳是一切生命的基礎(chǔ)

有機(jī)化學(xué)知識與日常生活密切相關(guān),可以說幾乎滲透到生活的每一個領(lǐng)域,在理論課講授的同時,適當(dāng)和日常生活相聯(lián)系,使學(xué)生對該課程抱有新鮮感、神秘感,有利于激發(fā)學(xué)生對有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

眾所周知,“碳”是一切生命的基礎(chǔ),而有機(jī)化學(xué)則是研究“碳”的化學(xué)。在學(xué)生入門階段,充分講解“碳”的常識及其重要性,對于今后的學(xué)習(xí)有百利而無一害,能夠激發(fā)學(xué)生對于本門課程極大的好奇心和極強(qiáng)的求知欲。從貴重的金剛石、灰色的石墨、黑色的煤炭這三種東西在自然界里形狀不同,實質(zhì)卻是同一種化學(xué)元素“碳”講起,說明碳在地球上所組成的物質(zhì)種類繁多,形態(tài)各異,在地球化學(xué)中所起的作用非常大,可以說沒有碳就沒有生命。

碳的生命史上第一個階段是融化的巖漿。該融化物在地下深處和在巖脈里冷卻成各種巖石,碳在這些巖石中聚成片狀或球狀的石墨,有些則形成貴重的金剛石晶體,大部分的碳在巖體凝固的時候跑掉:有的形成容易飛散的烴類化合物和碳化物,從巖脈升上來,聚集成石墨,有的同氧化合成二氧化碳,升到地面上來?；鸪蓭r會把二氧化碳截留在巖石的縫隙里,留在空隙里的二氧化碳是大氣中的五六倍。二氧化碳有時會從地下噴到地面上來,有些和易于散逸的化合物在一起聚成氣流,或者和水混在一起形成碳酸礦泉,人們利用這種泉水醫(yī)病,因為二氧化碳在這種水里是過飽和的,水面上經(jīng)常有二氧化碳的氣泡冒出來仿佛水在沸騰。

在所有化學(xué)元素中只有碳元素能夠和氧、氫、氮等元素結(jié)合生成多種多樣的化合物,這類化合物叫做有機(jī)化合物,有機(jī)化合物能生成復(fù)雜而多樣的蛋白質(zhì)、脂肪、糖、維生素等含在生物體組織和細(xì)胞里。由于碳生成無數(shù)的化合物,就能產(chǎn)生極其繁多的動植物品種,世界上的動植物至少有幾百萬種。碳在自然界的循環(huán)是非常奇妙的:動物呼吸時要呼出二氧化碳,植物光合作用時吸收二氧化碳,產(chǎn)生淀粉、糖類、纖維素等供動物利用,而植物體本身最后腐爛變成石油和煤為動物提供能源。從地球化學(xué)的效果來看,地球上再也沒有比碳元素更重要的元素了。如此重要的元素在與其他元素合作時“能屈能伸”,非常平易近人,正因為如此,“碳”才顯得異常重要。

1.2 “碳”在自然界中的循環(huán),從而服務(wù)于地球生命

空氣和陽光是生命存在的必要條件,生命存在必要條件是外部能量以及保證能量轉(zhuǎn)化的環(huán)境。眾所周知,從幾億年前地球上就有了生命在生活、繁衍,無數(shù)動物一刻不停地消耗著氧氣,釋放著二氧化碳,地球上的氧氣沒被耗盡,大氣中的二氧化碳含量沒有大幅度增加,是由太陽、植物和水把含碳物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化,使得地球生命生生不息。據(jù)統(tǒng)計地球上所有植物的葉子加在一起,其表面積是地球表面積的幾十倍,龐大的植物體系是生物養(yǎng)料化工廠,該工廠利用的原料就是二氧化碳,15畝樹林每天要消耗 1噸二氧化碳,放出 730千克氧氣,也就是說地球上的綠色植物每年制造 4860億噸氧氣,吸收 6657億噸二氧化碳,產(chǎn)生的葡萄糖和淀粉不盡其數(shù)。

“碳”在生命的存續(xù)中功不可沒。所有的生命消耗了含碳的養(yǎng)料,產(chǎn)生了含碳的廢物,該廢物又被植物等利用再生成養(yǎng)料。如此周而復(fù)始使得地球生命生生不息,“碳”是生命的載體。

2.從“碳”的雜化軌道談及個人的社會角色定位

有機(jī)化合物較之無機(jī)物有大得多的分子量,有機(jī)化合物有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。同分異構(gòu)體的發(fā)現(xiàn),啟示化學(xué)家去探索有機(jī)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)──分子中原子的排布和組合方式,推動了有機(jī)化學(xué)的發(fā)展。

2.1 雜化軌道理論

①碳原子的 sp3雜化軌道:從碳原子的正四面體結(jié)構(gòu)入手談到 sp3雜化理論。

甲烷是最簡單的烷烴,其分子式為 CH4。實驗證明甲烷是正四面體結(jié)構(gòu),要進(jìn)一步了解烷烴的結(jié)構(gòu),必須用碳原子的雜化軌道理論加以解釋。碳原子在基態(tài)時電子的構(gòu)型為1s22s22px12py1,其中 2p軌道的兩個電子是未成對的,按照這樣的電子層結(jié)構(gòu),碳原子應(yīng)是兩價的。事實證明,碳原子在絕大多數(shù)有機(jī)化合物中都是四價。按照雜化軌道理論,在形成甲烷分子時 ,首先碳原子的 2s軌道上被激發(fā)一個電子到 2pz軌道上去。然后由一個 2s軌道和三個 2p軌道雜化形成四個能量相等的 sp3雜化軌道 (圖 2-2)。這四個雜化軌道是完全相等的,每一個 sp3雜化軌道含有 1/4s成分和 3/4p成分,sp3雜化軌道是有方向性的,一頭大,一頭小 (圖 2-3),大的一頭表示電子云偏向這一邊,成鍵時交蓋的程度比沒有雜化的 s軌道和 p軌道都大,所以 sp3雜化軌道所形成的鍵比較牢固。四個 sp3雜化軌道對稱地排布在碳原子周圍,它們的對稱軸之間的夾角為 109.5°,這樣的排布可以使四個軌道彼此在空間的距離最遠(yuǎn),電子之間相互斥力最小,體系最穩(wěn)定 (圖 2-4)。

②sp2雜化:所謂 sp2雜化是指激發(fā)態(tài)的碳原子以一個2s軌道和兩個 2p軌道進(jìn)行雜化形成三個處于同一平面上的三個 sp2雜化軌道,這三個 sp2雜化軌道間的夾角為 120°,沒有參與雜化的 p軌道垂直于三個 sp2雜化軌道所形成的平面見圖 3-1。

在形成乙烯分子時,兩個碳原子各以一個 sp2雜化軌道以“頭碰頭”的方式重疊,形成 C-Cδ鍵,每個碳原子上的另兩個 sp2雜化軌道分別于氫原子的 1s軌道重疊形成 C-Hδ鍵,兩個碳原子上沒有參與雜化的 p軌道以“肩并肩”的方式重疊形成π鍵,乙烯分子中的雙鍵是由一個δ鍵和一個π鍵組成的。其鍵長、鍵角見圖 3-2。

由于形成π鍵的原子軌道的重疊程度小于δ鍵,因此其穩(wěn)定性也小于δ鍵,容易斷裂,而且π電子流動性較大易發(fā)生極化。

③sp雜化:乙炔是最簡單的炔烴,分子式為 C2H2,碳原子采取 sp雜化,碳原子外層四個價電子以一個 2s軌道與一個 2p軌道雜化,形成 2個 sp雜化軌道。形成乙炔分子時,兩個碳原子各以一個 sp雜化軌道以“頭碰頭”的方式重疊形成C-Cδ鍵,另一個 sp雜化軌道分別與氫的 1s軌道重疊形成C-Hδ鍵。乙炔分子的 C、H原子在一條直線上,互成 180°的夾角 (圖 3-3)。其三鍵為直線型。

每個碳原子上還有兩個沒有參與雜化的 p軌道,這兩個p軌道互相垂直 (圖 3-4),它們以“肩并肩”的方式重疊形成兩個互相垂直的π鍵 (圖 3-5)。因此乙炔的叁鍵是由一個δ鍵和兩個互相垂直的π鍵組成的。乙炔的兩個電子云圍繞 C-Cδ鍵形成一個圓筒狀 (圖 3-6)。

2.2 從碳的雜化軌道談到人生在社會中的角色分配及角色融合

作為教師,為學(xué)生做人生輔導(dǎo)有著得天獨厚的條件,在課堂中隨時插入一些社會常識,培養(yǎng)學(xué)生的價值觀、人生觀是舉手之勞,當(dāng)然教師要充分考慮所涉及的內(nèi)容。大學(xué)生在家庭是小皇帝,在學(xué)校常以自我為中心。讓同學(xué)們弄懂“碳”在自然界之所以那么重要,主要在于其合作精神,為了能夠盡可能地與其他元素配合,為了使體系更穩(wěn)定,便讓自己的軌道重新分配組合。影射到同學(xué)們身上,要學(xué)習(xí)“碳”的雜化軌道方法,認(rèn)識自己在各種場合的角色,在不同場合對自己的角色進(jìn)行整合定位,取長補(bǔ)短,形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗力增強(qiáng)的新生有機(jī)體。注重引導(dǎo)、培養(yǎng)同學(xué)們的社會角色意識和社會歸屬感,在專業(yè)理論課堂中培養(yǎng)學(xué)生確立自己的社會角色,培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。如果同學(xué)們能真正體會到“碳”的角色融合精神,將來步入社會組建自己的事業(yè)團(tuán)隊一定會牢不可破,事業(yè)會蒸蒸日上。

3.從共軛效應(yīng)談到和諧社會

3.1 共軛二烯烴

1,3-丁二烯是共軛二烯烴中最簡單的一種,其成鍵的碳原子均為 sp2雜化,每一個碳原子的 sp2雜化軌道互相重疊或與氫的 1s軌道重疊形成 C-Cδ鍵或 C-Hδ鍵,這些δ鍵處在同一平面上,鍵角接近 120°(圖 3-7)。每個碳原子上沒有參與雜化的 p軌道都垂直于δ鍵所在的平面,因此,除 C1與 C2、C3與 C4可以“肩并肩”的方式重疊形成π鍵外,C2與 C3之間的電子云也可部分重疊 (圖 3-8),從而減弱了C1與 C2、C3與 C4之間的成鍵能力 ,故 C1與 C2、C3與 C4所形成的價鍵的鍵長增長,而 C2與 C3所形成的價鍵的鍵長縮短,使鍵長趨于平均化。形成了四個碳原子在內(nèi)的四個 p軌道為一體的大π鍵,其結(jié)果是 C1-C2或 C3-C4的π電子并不只局限在兩個碳原子核周圍 (電子的定域),而是可以擴(kuò)展到四個碳原子核的周圍,這種現(xiàn)象稱電子的離域。在 1,3-丁二烯中,發(fā)生了π電子的離域。凡是能發(fā)生電子離域的分子結(jié)構(gòu)稱為共軛體系。由于電子離域所形成的大π鍵叫做離域鍵。電子的離域使共軛體系的內(nèi)能降低,降低的數(shù)值稱為離域能。這種由于分子內(nèi)原子間的相互影響,引起電子云密度平均化的現(xiàn)象,叫共軛效應(yīng)。共軛體系有以下特點:①共軛體系中所有的原子處在同一平面上,形成大π鍵的 p軌道都垂直于這個平面;②共軛體系內(nèi)的單、雙鍵鍵長趨于平均化,即單鍵的鍵長縮短,雙鍵的鍵長增長,且共軛鏈越長,單、雙鍵的平均化程度越大;③電子效應(yīng)沿共軛鏈傳遞時,在共軛鏈上出現(xiàn)正、負(fù)交替現(xiàn)象。并且電子效應(yīng)沿共軛鏈傳遞時,不隨鏈的增長而減弱。④共軛體系由于π電子離域,體系內(nèi)能降低。

圖 3-7 1,3-丁二烯的鍵長、鍵角

圖 3-8 1,3-丁二烯 p軌道重疊示意圖

3.2 從共軛效應(yīng)講到人與人之間的和諧相處、共同發(fā)展

共軛效應(yīng)強(qiáng)調(diào)相互配合,相互制約。配合和制約都要遵循有機(jī)體的結(jié)構(gòu)規(guī)律,“共軛”必須在一定的結(jié)構(gòu)模式和結(jié)構(gòu)規(guī)則下才能發(fā)揮最大效應(yīng)。從共軛效應(yīng)的四個特點可以引申到人際交往的時間和空間越大,人的精神生活就越豐富。古人云:獨學(xué)而無友,則孤陋寡聞?，F(xiàn)代社會具有信息性、開放性和整體互動性的特點,科技越發(fā)展,分工越細(xì),越需要溝通和整合,這樣才能充分發(fā)揮整體效益,孤軍奮戰(zhàn)的時代已成為過去,個人的才干只有在團(tuán)隊合作中才能夠得以體現(xiàn),只有團(tuán)隊的發(fā)展壯大,個人的才能將會得到社會的承認(rèn),將會贏得社會的尊重。

對大學(xué)生人文教育既要注重“以德教化”,也要注重“以法規(guī)范”,培養(yǎng)出知法守法、依法做人的合格公民。

總之,基于碳元素的種種優(yōu)點,在自然界中的重要性才會被表現(xiàn)的淋漓盡致,所到之處充滿了和諧與關(guān)愛,使得整個世界因“碳”而精彩。

21世紀(jì)是知識經(jīng)濟(jì)時代,知識經(jīng)濟(jì)要求的人才必須是人文素質(zhì)與科學(xué)素養(yǎng)相結(jié)合的人才。在世界教育發(fā)展目標(biāo)由應(yīng)試教育向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)變的今天,致力于提高國民素質(zhì)為目的的教育思想是社會可持續(xù)性發(fā)展理論的重要組成部分。教師與學(xué)生接觸最多,影響最大,適當(dāng)?shù)匕讶宋乃刭|(zhì)教育滲透進(jìn)專業(yè)理論課堂可謂是一舉兩得,既加深了學(xué)生對專業(yè)理論課的理解,又提高了人文道德素養(yǎng)。新的教育形勢要求教師在教育教學(xué)能力、知識理論水平以及實踐研究能力等方面的不斷發(fā)展與提高,教改必將帶來課堂教學(xué)面貌的全新變化,從而以高質(zhì)量的課堂教學(xué)推動教育教學(xué)的改革和發(fā)展。

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