吳俊明 錢秋萍

摘要： 尊重并關(guān)注物質(zhì)結(jié)構(gòu)的存在，善于進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維，關(guān)注物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)的關(guān)聯(lián)等等，是化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。研究化學(xué)、學(xué)習(xí)化學(xué)都必須重視進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維?；趯?duì)化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維發(fā)展的歷史回眸，指明化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維主要由3個(gè)基本問題的思維構(gòu)成;化學(xué)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維主要有4種基本方法。分析了中學(xué)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維內(nèi)容、中學(xué)化學(xué)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維教學(xué)應(yīng)該注意的6點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維; 物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維教學(xué); 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng); 中學(xué)化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）11-0007-10中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

“結(jié)構(gòu)”一詞有結(jié)合構(gòu)造之義，可以表示組成整體的各部分的搭配和安排。作為表達(dá)客觀世界存在狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，它在意識(shí)形態(tài)領(lǐng)域和物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域中都得到廣泛應(yīng)用。從系統(tǒng)科學(xué)的角度看，結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)內(nèi)部諸要素的組織形態(tài)，包括諸要素及其組織方式。化學(xué)科學(xué)中的結(jié)構(gòu)則是指化學(xué)實(shí)體（化學(xué)物質(zhì)）內(nèi)部各構(gòu)成要素以及各構(gòu)成要素相互間的結(jié)合與構(gòu)造方式[1]。

本文擬就化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的形成、內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、方法和重要性，以及中學(xué)化學(xué)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的教學(xué)做一些初步的討論。

1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維是化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的核心與特點(diǎn)之一

世界由物質(zhì)組成，化學(xué)是在分子、原子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化規(guī)律的一門自然科學(xué)。要了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，就必須進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維。不了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，就不能深入地了解、解釋物質(zhì)的性質(zhì)和變化，更難以合成復(fù)雜的新物質(zhì)來滿足現(xiàn)代社會(huì)日益增長(zhǎng)的需要。例如： 金剛石與石墨同是碳的單質(zhì)，為什么性質(zhì)差別很大;為什么碳可以形成巨量的化合物？再如： 化石燃料燃燒產(chǎn)生的NO會(huì)形成酸雨、破壞臭氧層，是有害氣體。要除去產(chǎn)生的NO，最佳方案是利用下列反應(yīng)： 2NON2+O2。由反應(yīng)的ΔrHθm=-180kJ·mol-1 ΔrGθm=-173.8kJ·mol-1可以判斷： 在熱力學(xué)上該反應(yīng)是可以自發(fā)進(jìn)行的，但事實(shí)并不是這樣。利用前線軌道理論可以確定該反應(yīng)能壘很高，不可能正常進(jìn)行，在動(dòng)力學(xué)上是禁阻的，只有制備專用催化劑，才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程（比如： 2NOPt Pd/Al2O3N2+O2）。

新材料的合成與表征必須以結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維，否則就不可能從本質(zhì)上理解材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并獲得新材料。例如，摩爾定律預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件的尺寸會(huì)越來越小，然而當(dāng)硅電子器件的尺寸從宏觀狀態(tài)演化到小分子尺度比如單個(gè)有機(jī)硅分子時(shí)，量子效應(yīng)將起到主導(dǎo)作用，宏觀下的電學(xué)規(guī)律將不再適用，量子隧穿效應(yīng)等使摩爾定律面臨挑戰(zhàn)。上海師大肖勝雄教授、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)科林·納克爾斯教授、Latha·文卡塔拉曼教授以及丹麥哥本哈根大學(xué)杰瑪·所羅門教授通力合作，通過掃描隧道顯微鏡斷裂分子結(jié)（STMBJ）測(cè)試，結(jié)合密度泛函計(jì)算，從本質(zhì)上解釋了電導(dǎo)與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Si[222]具有破壞性的d鍵量子干涉效應(yīng)，在單分子電導(dǎo)測(cè)試中顯示出超級(jí)單分子絕緣性能甚至低于同等尺寸的絕對(duì)真空，實(shí)現(xiàn)了在15nm以下的單分子超級(jí)絕緣，在單分子尺度阻止了量子隧穿。他們通過電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，為摩爾定律突破到單分子級(jí)別提供了可行性支持，對(duì)單分子電子學(xué)以及量子計(jì)算機(jī)等研究領(lǐng)域具有重要意義[2]。

學(xué)會(huì)進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維可以提升探討宏觀世界、微觀世界及其相互聯(lián)系的能力。因此，物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維是化學(xué)學(xué)科思維的核心與特點(diǎn)之一。像尊重并關(guān)注原子、分子的存在，善于進(jìn)行原子思維、分子思維那樣，尊重并關(guān)注物質(zhì)結(jié)構(gòu)的存在，善于進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維，關(guān)注物質(zhì)結(jié)構(gòu)跟其性質(zhì)的關(guān)聯(lián)，是化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。研究化學(xué)、學(xué)習(xí)化學(xué)都必須重視進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維。排斥和忽視物質(zhì)結(jié)構(gòu)的思維都不是科學(xué)的化學(xué)思維。

2 化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維發(fā)展的歷史回眸

一般認(rèn)為，化學(xué)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究始于對(duì)親和力的研究。早在公元前，古希臘哲學(xué)家恩培多克勒（Empedocles，公元前約490～435）曾假定萬(wàn)物都含有愛和憎兩種成分，它們?cè)趷鄣挠绊懴陆Y(jié)合，在憎的影響下分離[3]。為了解釋物質(zhì)微粒為什么能夠結(jié)合在一起，中世紀(jì)的歐洲煉金術(shù)士借用“affinity（親和力，本意是姻親關(guān)系）”這個(gè)詞提出了“化學(xué)親和力”概念。例如煉金術(shù)士馬格努斯（Albertus Magnus， 1193或1206～1280，德）就曾用這個(gè)術(shù)語(yǔ)來解釋化學(xué)變化的原因[4][5]

。到了17、 18世紀(jì)，親和力逐步由化學(xué)變化的動(dòng)因變成了物質(zhì)微粒結(jié)合的動(dòng)因，人們把親和力歸結(jié)為機(jī)械作用，認(rèn)為親和力具有純粹力學(xué)的性質(zhì)，此時(shí)的“化學(xué)親和力”是以“物質(zhì)由微粒構(gòu)成”為基礎(chǔ)的。

18世紀(jì)末，人們對(duì)靜電現(xiàn)象的研究已經(jīng)相當(dāng)深入。1800年伏打電堆問世后，尼科爾森（W. Nicholson， 1753～1815，英）實(shí)現(xiàn)了水的電解;戴維（H. Davy， 1778～1829）實(shí)現(xiàn)了苛性鉀和苛性鈉的電解……1814年貝采里烏斯（Jons Jakob Berzelius， 1779～1848）基于這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出了電化二元學(xué)說：“所有的化合物都可以分割成帶相反電荷的兩部分”，把原子之間的結(jié)合歸結(jié)為靜電相互作用，從而用靜電作用對(duì)親和力學(xué)說作了重大發(fā)展[6]。

19世紀(jì)上半葉，人們發(fā)現(xiàn)一些有機(jī)化合物雖然有類似的組成，但卻有不同的性質(zhì)。如1824年前后，維勒（F. Whler， 1800～1882）與李比希（J. Liebig， 1803～1873）發(fā)現(xiàn)氰酸鹽與雷酸鹽具有相同的經(jīng)驗(yàn)式;1824年維勒發(fā)現(xiàn)尿素與氰酸銨也具有同一經(jīng)驗(yàn)式……1827年貝采里烏斯用“同分異構(gòu)”來概括這一現(xiàn)象，并在1830年又發(fā)現(xiàn)葡萄酸與天然酒石酸具有同一經(jīng)驗(yàn)式。大量的同分異構(gòu)現(xiàn)象使人們想到有機(jī)化合物性質(zhì)的不同與組成它們的原子的結(jié)合方式有關(guān)，引發(fā)了對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)問題的關(guān)注[7]。

在化學(xué)結(jié)構(gòu)思維開啟時(shí)期，化學(xué)家們主要從兩個(gè)不同的側(cè)面來展開思維： 凱庫(kù)勒（F Kekule， 1829～1896）的重點(diǎn)在于原子的排列次序，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的樣式和形象;而布特列洛夫（А.М.Бутлеров， 1828～1886，俄）的著眼點(diǎn)在于原子之間的相互作用和影響，看重物質(zhì)內(nèi)部的原子結(jié)合關(guān)系。他們分別提出了不同的結(jié)構(gòu)概念，形成了兩種結(jié)構(gòu)觀。實(shí)際上，凱庫(kù)勒和布特列洛夫各自側(cè)重的兩個(gè)方面是緊密聯(lián)系在一起的，是同一個(gè)問題（化學(xué)結(jié)構(gòu)）的兩個(gè)不同側(cè)面（化學(xué)相互作用和空間分布方式）： 化合物中各組成成分之間的相對(duì)位置、排列次序（即空間分布或空間樣式）會(huì)使物質(zhì)分子具有不同的結(jié)構(gòu)，然而各組成成分之間的相互作用卻是化學(xué)結(jié)構(gòu)存在的前提。這兩個(gè)方向的思維后來都為化學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)： 從化學(xué)相互作用方面探索化學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了化學(xué)鍵理論或化合價(jià)理論形成;從空間樣式角度探索化學(xué)結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致了有機(jī)空間化學(xué)、無(wú)機(jī)配位化學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)理論的形成。以化合價(jià)和化學(xué)鍵為基本概念的現(xiàn)代化學(xué)結(jié)構(gòu)理論將原子之間的相互作用與原子的空間分布聯(lián)系統(tǒng)一了起來。在現(xiàn)代化學(xué)中，討論物質(zhì)的結(jié)構(gòu)必定涉及其中的化學(xué)鍵，這已經(jīng)成了一種范式、一種公認(rèn)的準(zhǔn)則。化學(xué)鍵反映著分子中原子之間直接的（主要的、強(qiáng)烈的）或間接的（次要的、較弱的）聯(lián)系。但是，僅僅從化學(xué)鍵的角度研究分子，只能解決比較簡(jiǎn)單的分子體系的問題，只能提供一種比較抽象化的圖景，只有將化學(xué)鍵和空間因素結(jié)合起來，才有利于解決比較復(fù)雜的體系的問題，提供一種比較具體的、更與實(shí)際符合的圖景。因此，現(xiàn)代化學(xué)在進(jìn)一步深入地研究化學(xué)鍵理論的同時(shí)，越來越重視對(duì)空間效應(yīng)的研究[8]。

到了19世紀(jì)末，化學(xué)家們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探究主要是揭示分子怎樣由原子構(gòu)成，并通過化學(xué)反應(yīng)來研究分子立體結(jié)構(gòu)，只是對(duì)簡(jiǎn)單分子的結(jié)構(gòu)有所了解。20世紀(jì)中葉以后，化學(xué)家們先后發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，提出了DNA三維多級(jí)結(jié)構(gòu)模型，建立了應(yīng)用X射線分析直接測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的純數(shù)學(xué)理論，在研究激素、抗生素、蛋白質(zhì)等大分子生物物質(zhì)和新型藥物分子以及非經(jīng)典配合物的結(jié)構(gòu)方面取得了重大進(jìn)展;開辟了超微粒子、納米材料以及分子機(jī)器、分子器件結(jié)構(gòu)研究等新領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)化學(xué)研究從單純?yōu)榱岁U明分子結(jié)構(gòu)發(fā)展到研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、精細(xì)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)等，開始了進(jìn)行分子設(shè)計(jì)、超分子組裝等方面的嘗試。對(duì)超快分子過程、多光子過程、電子能量轉(zhuǎn)移、各種激發(fā)和退激發(fā)過程、化學(xué)反應(yīng)中間體研究、生物活性大分子的構(gòu)象變化等進(jìn)行的研究，促使化學(xué)家們除了靜態(tài)結(jié)構(gòu)外，還關(guān)注物質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的研究[9]。對(duì)化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)和性能之間相互關(guān)系的研究，逐漸形成了結(jié)構(gòu)化學(xué)這門學(xué)科?；瘜W(xué)鍵理論和結(jié)晶化學(xué)原理等，是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)理論的基本內(nèi)容。

總的看來，人類對(duì)化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的發(fā)展過程大體上有如下特點(diǎn)：

●由發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的影響，到形成結(jié)構(gòu)概念

●由關(guān)注靜態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)到關(guān)注動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)

●由關(guān)注物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)到也關(guān)注物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)

●由結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和探查到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

●由發(fā)現(xiàn)分子的結(jié)構(gòu)到發(fā)現(xiàn)泛分子的結(jié)構(gòu)，等等

化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維逐步精細(xì)化、層次化、復(fù)雜化，內(nèi)容日益深入、豐富;無(wú)機(jī)化學(xué)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的原始基礎(chǔ)（例如提出原子論、化學(xué)親和力、電化二元說等）;物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的產(chǎn)生跟有機(jī)化學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)（例如發(fā)現(xiàn)各種同分異構(gòu)現(xiàn)象等）;量子力學(xué)理論的建立為現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維提供了理論基礎(chǔ);現(xiàn)代化學(xué)則大大豐富了現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的內(nèi)容，拓展了現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的方法。

3 化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的基本結(jié)構(gòu)與內(nèi)容

化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維主要由3個(gè)基本問題的思維構(gòu)成： （1）物質(zhì)的結(jié)構(gòu)由哪些基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）構(gòu)成？（2）基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）之間是怎樣相互作用的？（3）基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）是怎樣在空間分布的、產(chǎn)生了哪些空間效應(yīng)？

3.1 關(guān)于基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）的思維

基本結(jié)構(gòu)單元思維關(guān)注物質(zhì)的不同層次結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元是什么、有哪些特點(diǎn)，以及不同層次結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元的相互關(guān)系等，其成果通常簡(jiǎn)稱為微粒觀，主要包括：

●物質(zhì)可以分為原子、分子片、結(jié)構(gòu)單元、分子、超分子、高分子、生物分子、納米分子和納米聚集體、原子和分子的宏觀聚集體、復(fù)雜分子體系及其組裝體等不同層次的微粒[10]。

●原子觀： 原子是化學(xué)反應(yīng)的基本微粒，可以構(gòu)成更大、更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)微粒;原子可以分為原子核和電子，原子核和電子也是可分的，但在化學(xué)反應(yīng)里不能再分;原子不停地運(yùn)動(dòng)……

●分子觀： 分子由原子按照一定方式構(gòu)成，分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的一種微粒，分子也在不停地運(yùn)動(dòng)……

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)中的結(jié)構(gòu)概念進(jìn)一步擴(kuò)展，變?yōu)橹阜Q原子結(jié)合成分子或晶體以及進(jìn)一步集聚成功能材料和功能體系（如催化劑）這些層次上的結(jié)構(gòu)，包括分子和晶體中的各種化學(xué)鍵;原子及原子基團(tuán)的空間排布;分子的轉(zhuǎn)動(dòng)、原子間的振動(dòng)、電子的運(yùn)動(dòng)等各種內(nèi)部運(yùn)動(dòng)以及這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)給出的能級(jí)的分布。

3.2 關(guān)于基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）之間相互作用的思維

基本結(jié)構(gòu)單元相互作用的思維既關(guān)注基本結(jié)構(gòu)單元間的強(qiáng)相互作用，也關(guān)注基本結(jié)構(gòu)單元間的弱相互作用，因?yàn)楹笳咭部赡軙?huì)對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)和化學(xué)變化產(chǎn)生不可忽略的影響。具體內(nèi)容有：

●結(jié)構(gòu)微粒之間強(qiáng)相互作用形成的化合價(jià)和化學(xué)鍵（簡(jiǎn)稱價(jià)鍵），包括離子鍵（電價(jià)鍵）、共價(jià)鍵、金屬鍵等，它們的形成原因各不相同，性質(zhì)也不同。

●價(jià)鍵的數(shù)目和強(qiáng)度（鍵能）。元素原子的化合價(jià)與價(jià)鍵數(shù)的關(guān)系，形成單鍵、雙鍵或三鍵以及共軛鍵等的條件;價(jià)鍵鍵能的意義，影響價(jià)鍵鍵能的因素，價(jià)鍵鍵能對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系等。

●分子的電子結(jié)構(gòu)跟分子中的電子云分布情況（包括對(duì)稱性等）、分子的幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

●物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)中，不直接相連的原子之間弱相互作用的存在情況、原因與本質(zhì)，等等。

分子軌道理論則從軌道變化等角度揭示了組成微粒間的相互作用。

3.3 關(guān)于基本結(jié)構(gòu)單元（組成微粒）空間關(guān)系及空間效應(yīng)的思維

關(guān)注原子的排列順序和空間分布情況，以及原子的空間分布對(duì)物質(zhì)性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響。例如：

●基本結(jié)構(gòu)單元之間的相對(duì)位置、排列次序、空間分布和相互作用如何展開（包括指向、間距）。

●結(jié)構(gòu)微粒的空間關(guān)系和相互作用如何決定結(jié)構(gòu)的存在和具體形象。

●結(jié)構(gòu)微粒的幾何因素如何影響物質(zhì)的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。

●各種空間效應(yīng)的比較以及協(xié)同作用結(jié)果（整體效應(yīng)）如何，等等。

4 化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的思維方法

化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的思維方法主要有黑箱—假說驗(yàn)證方法、模型思維方法、量子思維方法和對(duì)稱性思維方法4種基本類型。

4.1 黑箱—假說驗(yàn)證方法

所謂“黑箱”是指內(nèi)部構(gòu)造和機(jī)理不能直接觀察的事物或系統(tǒng)。黑箱方法是通過外部觀測(cè)和試驗(yàn)，建立輸入信息和輸出信息之間的關(guān)系，來探索黑箱的內(nèi)部構(gòu)造和機(jī)理的方法?；瘜W(xué)物質(zhì)是由其基本單元相互作用、相互聯(lián)系而構(gòu)成的系統(tǒng)，由于人的肉眼不能直接觀察物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以把物質(zhì)（的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況）視做黑箱，通過典型化學(xué)反應(yīng)性能試驗(yàn)，來勾畫物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的輪廓，甚至某些細(xì)節(jié)。因此，由性質(zhì)推測(cè)結(jié)構(gòu)就自然地成為人們獲得物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的常用方法。這種方法的有效性在于物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與其微觀性質(zhì)乃至宏觀性質(zhì)是關(guān)聯(lián)的，其本質(zhì)屬于黑箱方法。但是，由黑箱方法得到的“結(jié)論”具有猜測(cè)、假設(shè)性質(zhì)，它需要得到驗(yàn)證。而且，這種驗(yàn)證常常需要恰當(dāng)?shù)暮辍⑥D(zhuǎn)換。例如，由金剛石和石墨的硬度不同，可以推測(cè)它們具有不同的晶體結(jié)構(gòu);由二氯甲烷沒有同分異構(gòu)體，可以推測(cè)其分子不是平面結(jié)構(gòu)，且具有高度對(duì)稱性……

從物質(zhì)的性質(zhì)出發(fā)，可以弄清物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定它的典型化學(xué)反應(yīng)性能和其他方面一些性能，是由性質(zhì)推定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的依據(jù)。物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)關(guān)聯(lián)策略是化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的非常重要的策略，是化學(xué)研究實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀結(jié)合的橋梁。即使現(xiàn)在已經(jīng)能夠用特殊手段直接獲得某些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖像，它仍不失其在化學(xué)研究和教學(xué)訓(xùn)練中的重要意義。

4.2 模型思維方法

模型是人們表達(dá)對(duì)事物（系統(tǒng)）的認(rèn)識(shí)的一種重要方式，可以對(duì)事物的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、應(yīng)用以及交流帶來很大的便利，在科學(xué)、技術(shù)和生產(chǎn)活動(dòng)中被廣泛地應(yīng)用。在化學(xué)的研究和教學(xué)中即是如此。例如，在原子和分子的教學(xué)中，由于不能直接觀察，對(duì)原子和分子的認(rèn)識(shí)，需要利用一定的模型來把握它們的結(jié)構(gòu)、性能和變化。模型的意義在于能夠推尋原型未被發(fā)現(xiàn)的信息，具有預(yù)測(cè)功能。模型是在運(yùn)用中被完善、發(fā)展和分化的，就屬性而言有理論模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、思想模型、符?hào)模型、理想模型等等類型。從形式看，在科學(xué)活動(dòng)中常用的模型有語(yǔ)義模型（例如以語(yǔ)言或文字符號(hào)形式描述一類物質(zhì)的通性或結(jié)構(gòu)情況）、圖像模型（以二維圖形、圖像等為主要形式）、物質(zhì)模型（由實(shí)物構(gòu)成，通常是三維有形物體）、數(shù)學(xué)模型（用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述和處理研究對(duì)象）以及非實(shí)物的、無(wú)形的抽象模型，等等[11]

。目前，化學(xué)教學(xué)中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型主要是語(yǔ)義模型、圖像模型或物質(zhì)模型（例如電子云模型、晶體結(jié)構(gòu)模型、空間分布模型等等）。直接跟思維聯(lián)系的“模型”主要是語(yǔ)義模型，但不排除用圖像模型、物質(zhì)模型來表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的結(jié)果。

模型能夠溝通科學(xué)現(xiàn)象與其本質(zhì)，以簡(jiǎn)單、清晰的形象或意象表達(dá)直觀、明確的含義，作為接近原型的重要手段，因而被化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究廣泛采用。結(jié)構(gòu)化學(xué)中的模型大體上可以分為基本單元/系統(tǒng)模型（如分子模型、原子模型）、空間關(guān)系模型（如理想晶體模型、構(gòu)型模型、構(gòu)象模型、共軛鍵模型）和相互作用模型（原理模型，如化學(xué)鍵模型、雜化軌道模型等）、綜合性模型（如理想氣體模型、DNA雙鏈螺旋模型）等主要類型。物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式屬于符號(hào)模型，它具有書面語(yǔ)言形態(tài)，也可以劃屬于語(yǔ)義模型。

模型思維涉及模型的建立、檢驗(yàn)和應(yīng)用。根據(jù)事實(shí)構(gòu)建、檢驗(yàn)、完善物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型來解決有關(guān)的問題等等，是化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的主要內(nèi)容?；瘜W(xué)中的模型的建立和發(fā)展依賴于對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的概括，也依賴于得到驗(yàn)證的科學(xué)原理的指導(dǎo)。

4.3 量子思維方法

為了解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，普朗克（M. Planck， 1858～1947，德）在1900年提出了量子概念，假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍。后來的研究表明，不但能量表現(xiàn)出這種不連續(xù)的分離化性質(zhì)，角動(dòng)量、自旋、電荷等物理量也有這種不連續(xù)的量子化現(xiàn)象，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。可以說，整個(gè)世界都是由量子組成的。量子化現(xiàn)象主要表現(xiàn)在微觀物理世界，描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學(xué)，跟以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理有根本的區(qū)別。量子力學(xué)基于微觀粒子波粒二象性，用波函數(shù)描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以薛定諤（E. Schrdinger， 1887～1961，奧）方程確定波函數(shù)的變化規(guī)律，用算符或矩陣方法對(duì)有關(guān)的物理量進(jìn)行計(jì)算，來研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是現(xiàn)代物理學(xué)的一種基礎(chǔ)理論。1980年代，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主費(fèi)曼（R. Feynman， 1918～1988，美）曾提出，自然界本質(zhì)上是遵循量子力學(xué)的。

現(xiàn)在，量子理論的影響已經(jīng)超出了物理學(xué)的范疇，逐漸成為一種新的世界觀和思維方式——量子思維方式。其特點(diǎn)/法則是： 不連續(xù)性、躍遷、復(fù)雜因果關(guān)系、不確定性等等[12， 13]。本文討論的量子思維不是這種廣義的、借代性的術(shù)語(yǔ)，而是專指化學(xué)中的量子思維（特稱化學(xué)量子思維/量子化學(xué)思維）。

量子化學(xué)是應(yīng)用量子力學(xué)的原理和方法來處理和研究化學(xué)問題的一門學(xué)科，主要研究電子云的密度與空間分布——化學(xué)鍵的本質(zhì)及其在化學(xué)反應(yīng)中的變化、分子間的相互作用、微觀結(jié)構(gòu)及其跟宏觀性能的關(guān)系等。1927年海特勒（W. Heitler， 1904～1981，德）和倫敦（Fritz London， 1900～1954，德）通過求解氫分子的薛定諤方程尋找氫分子基態(tài)能量曲線的最低點(diǎn)，結(jié)合光譜分析進(jìn)行討論，來揭示共價(jià)鍵的本質(zhì)。繼之，基于電子配對(duì)的價(jià)鍵理論在1930年代建立，開啟了化學(xué)量子思維的發(fā)展歷程[14， 15]?，F(xiàn)代量子化學(xué)思維主要內(nèi)容和發(fā)展成果可概括為：

●將量子力學(xué)的原理和化學(xué)的直觀經(jīng)驗(yàn)緊密結(jié)合，在經(jīng)典化學(xué)中引入量子力學(xué)理論和一系列新概念，例如雜化、共振、σ鍵、π鍵、電負(fù)性、電子配對(duì)等，其結(jié)果是形成化學(xué)鍵的理論（VB）。

●從分子的整體性出發(fā)，考察分子中電子的運(yùn)動(dòng)狀況，以新的概念（分子軌道）來克服價(jià)鍵理論中強(qiáng)調(diào)電子配對(duì)造成分子電子波函數(shù)難以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的缺點(diǎn)，結(jié)果導(dǎo)致形成莫利肯（R.S. Mulliken， 1898～1986，美）分子軌道理論，闡明了分子的共價(jià)鍵本質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)。

●基于分子的許多性質(zhì)是由最高占據(jù)軌道和最低未占軌道決定（前線軌道理論）這個(gè)規(guī)律來討論周環(huán)反應(yīng)的立體化學(xué)選擇定則，從動(dòng)態(tài)角度來判斷和預(yù)言化學(xué)反應(yīng)的方向、難易以及產(chǎn)物的立體構(gòu)型等，其結(jié)果是提出分子軌道對(duì)稱守恒原理（伍德沃德霍夫曼規(guī)則），把量子力學(xué)由靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)。

●基于基態(tài)是非簡(jiǎn)并態(tài)多電子體系，其電子密度決定該體系基態(tài)的一切物理性質(zhì)，把單個(gè)電子的波函數(shù)變成電子密度的概念來進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化程序，減少計(jì)算量。這個(gè)思路的實(shí)現(xiàn)，結(jié)合NDDO（忽略雙原子微分重疊）、CNDO（全略微分重疊）、INDO（間略微分重疊）等量子化學(xué)計(jì)算方法……可以計(jì)算分子體系的能量，分子的平衡性質(zhì)，過渡態(tài)和反應(yīng)途徑，分子的電、磁和光學(xué)性質(zhì)等等，使化學(xué)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算協(xié)力探討分子體系的新時(shí)代?，F(xiàn)在，根據(jù)量子化學(xué)計(jì)算已經(jīng)可以進(jìn)行一些分子的合理設(shè)計(jì)與物性預(yù)測(cè)[16]。

4.4 對(duì)稱性思維方法

分子中核的平衡骨架決定了它的對(duì)稱性，所有分子波函數(shù)必須嚴(yán)格地滿足分子對(duì)稱性的一定要求，而這些波函數(shù)制約著分子中電子的分布、振動(dòng)光譜、核磁共振譜等等。當(dāng)分子對(duì)稱性高時(shí)，這些限制是很嚴(yán)格的，僅由對(duì)稱性知識(shí)往往就能獲得有關(guān)分子中電子結(jié)構(gòu)的一些有用的定性結(jié)論，并由光譜推斷有關(guān)分子的結(jié)構(gòu)。因此，分子的對(duì)稱性以及用數(shù)學(xué)精確地確定它的方法是很重要的，對(duì)稱性思維方法成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的一種重要方法，分子對(duì)稱性概念和符號(hào)可以精確地描述物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。考察物質(zhì)分子的對(duì)稱操作和對(duì)稱元素，考察物質(zhì)分子的對(duì)稱群，是對(duì)稱性思維的主要內(nèi)容。對(duì)稱性思維方法可視為一種特殊的模型思維方法。

4.5 化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維材料的獲得方法——實(shí)驗(yàn)

物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)難以直接觀察，其本質(zhì)規(guī)律又很抽象。但是，物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響其性質(zhì)而在宏觀上有所表現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)觀察可以獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的材料。對(duì)實(shí)驗(yàn)所得材料進(jìn)行加工需要以抽象的理論思維和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)思維（計(jì)算）做工具。對(duì)于復(fù)雜一點(diǎn)的分子，有關(guān)薛定諤方程的求解難度很大。目前的應(yīng)對(duì)策略主要包括理論探索與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合;量子化學(xué)研究與結(jié)構(gòu)化學(xué)研究結(jié)合;區(qū)分整體性問題與局部性問題并抓住主要問題使問題簡(jiǎn)化;采用適當(dāng)?shù)慕铺幚矸椒?動(dòng)態(tài)研究與靜態(tài)研究結(jié)合等。

進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著微觀物理學(xué)和新的物理實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究廣泛應(yīng)用各種波譜、質(zhì)譜、電子顯微鏡、電化學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)，從物質(zhì)的表面到體相，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從空間結(jié)構(gòu)到電子結(jié)構(gòu)，高靈敏度、快速、實(shí)時(shí)地進(jìn)行自動(dòng)控制、記錄和數(shù)據(jù)處理的綜合探測(cè)，提供包括元素組成、分子中原子排列的空間形式（鍵長(zhǎng)、鍵角、配位結(jié)構(gòu)等）和電子結(jié)構(gòu)（包括電子的組態(tài)、電子云密度、電子的空間排布及能級(jí)等）以及動(dòng)態(tài)信息（包括反應(yīng)中間產(chǎn)物的構(gòu)型變換、電子在各能階存活的壽命、晶格的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)模式）等大量有用信息，能從大量的結(jié)構(gòu)測(cè)定和計(jì)算工作中總結(jié)出許多有用的概念和規(guī)律。經(jīng)典結(jié)構(gòu)化學(xué)中根據(jù)物質(zhì)的組成和性質(zhì)來推斷分子結(jié)構(gòu)，化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性能之間相互依賴、相互制約的研究，已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)中直接應(yīng)用新的實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而探討微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的相互關(guān)系的研究。

概括了大量化學(xué)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)理論以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)賴以產(chǎn)生的共同前提和實(shí)踐基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)化學(xué)研究離不開量子化學(xué)的理論解釋和論證，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)中使用的新實(shí)驗(yàn)方法大多以量子化學(xué)基本原理為依據(jù)，需要運(yùn)用量子化學(xué)的原理和計(jì)算結(jié)果加以分析。這兩門學(xué)科的發(fā)展密切聯(lián)系并相互促進(jìn)。它們的發(fā)展推動(dòng)著整個(gè)化學(xué)學(xué)科從主要是歸納經(jīng)驗(yàn)材料的定性的科學(xué)，逐步成為定量的理論科學(xué)[17]。

5 中學(xué)化學(xué)中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維

討論中學(xué)化學(xué)中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維，需要對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行分析。

5.1 對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)容的分析

5.1.1 初中化學(xué)課程中規(guī)定的內(nèi)容

根據(jù)教育部頒發(fā)的《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》，初中化學(xué)課程中涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的內(nèi)容是：

●“初步認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微觀構(gòu)成（課程目標(biāo)）”，“能用微粒的觀點(diǎn)解釋某些常見的現(xiàn)象”;

●“認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微粒性，知道分子、原子、離子等都是構(gòu)成物質(zhì)的微?！?

●“知道原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的”;“知道原子可以結(jié)合成分子、同一元素的原子和離子可以互相轉(zhuǎn)化，初步認(rèn)識(shí)核外電子在化學(xué)反應(yīng)中的作用”。

總的看來，初中化學(xué)課程中只要求初步的結(jié)構(gòu)整體思維和結(jié)構(gòu)單元思維，不涉及結(jié)構(gòu)單元相互作用的思維和結(jié)構(gòu)單元空間分布的思維。由于有關(guān)的知識(shí)技能較少、較淺，不需要也不足以形成對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)最低程度的全面認(rèn)識(shí)[18]。

5.1.2 高中化學(xué)必修課程中規(guī)定的內(nèi)容

根據(jù)教育部頒發(fā)的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，高中化學(xué)必修課程中涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的內(nèi)容集中于“主題3： 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及化學(xué)反應(yīng)規(guī)律”和“主題4： 簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物及其應(yīng)用”，主要內(nèi)容是：

●原子核外電子的排布，認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)、元素性質(zhì)以及元素在元素周期表中位置的關(guān)系;

●化學(xué)鍵，離子鍵和共價(jià)鍵的形成;

●化學(xué)鍵的斷裂和形成與化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)變化及能量變化的關(guān)系;

●碳原子的成鍵特點(diǎn);

●甲烷、乙烯、乙炔、苯以及乙醇、乙酸、乙酸乙酯等簡(jiǎn)單有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)、碳原子成鍵類型及官能團(tuán);

●有機(jī)化合物的同分異構(gòu)現(xiàn)象;

●分子的空間結(jié)構(gòu)。

總的看來，高中化學(xué)必修課程中有了結(jié)構(gòu)單元相互作用思維和結(jié)構(gòu)單元空間分布思維的內(nèi)容，但要求不是太高，能適應(yīng)大多數(shù)高中學(xué)生的學(xué)習(xí)需要和學(xué)習(xí)能力[19]。

5.1.3 高中化學(xué)選擇性必修課程中規(guī)定的內(nèi)容

高中化學(xué)選擇性必修課程中物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的內(nèi)容較多，主要分布在“模塊2物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”（見表1）、“模塊3有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”（見表2）和“系列3發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”（見表3）中，主要內(nèi)容是：

●原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和排布規(guī)律;

●微粒間的相互作用，共價(jià)鍵的本質(zhì)和特征;

●分子的空間結(jié)構(gòu);

●晶體和聚集狀態(tài);

●有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)，有機(jī)化合物中的官能團(tuán)和化學(xué)鍵;

●聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。

“系列3發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”承載了高中化學(xué)選修課程中物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的重要內(nèi)容。

由上列諸表可見：

跟實(shí)驗(yàn)版課程標(biāo)準(zhǔn)[23]比較，高中化學(xué)選擇性必修部分（“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊）中，跟物質(zhì)結(jié)構(gòu)本體觀念相應(yīng)的知識(shí)（物質(zhì)結(jié)構(gòu)價(jià)值、方法等），跟物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本觀念相應(yīng)的知識(shí)（結(jié)構(gòu)微粒及其相互作用、空間結(jié)構(gòu)等），跟物質(zhì)結(jié)構(gòu)拓展觀念相應(yīng)的知識(shí)（結(jié)構(gòu)與物質(zhì)狀態(tài)、性質(zhì)關(guān)系等）大幅增加，比較豐富，特別是還提出了不少應(yīng)用性問題和活動(dòng)任務(wù)，不但使有關(guān)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀念的形成有了可能，也很有必要。為了促進(jìn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)、技能和觀念的學(xué)習(xí)，還注意了學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)態(tài)度的養(yǎng)育。

由于內(nèi)容大量集中且比較抽象，使“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊的教學(xué)難度比較突出。

6 中學(xué)化學(xué)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的教學(xué)

中學(xué)化學(xué)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維的教學(xué)應(yīng)該注意下列諸點(diǎn)：

（1） 執(zhí)行課程標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;尊重學(xué)生的選擇權(quán)和選擇結(jié)果，不隨意增減內(nèi)容。

（2） 注重符合物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維規(guī)律，首先抓好物質(zhì)結(jié)構(gòu)核心概念的教學(xué)，注重形成正確的物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀念并用于指導(dǎo)其他內(nèi)容的教學(xué)。

（3） 物質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)容比較抽象，要注意抽象思維跟具象思維結(jié)合，使物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維得以順利開展，積極地以具象思維促進(jìn)學(xué)生抽象思維能力的提升和發(fā)展。

（4） 抓住典型題材培養(yǎng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維能力。

（5） 重視培養(yǎng)興趣，重視打好基礎(chǔ)，重視學(xué)用結(jié)合，重視強(qiáng)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)、引導(dǎo)學(xué)后小結(jié)。

（6） 重視有關(guān)的物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（例如原子結(jié)構(gòu)理論、對(duì)稱性知識(shí)等）的鞏固與應(yīng)用。

據(jù)網(wǎng)絡(luò)媒體2018年5月報(bào)道： 20世紀(jì)50年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碳有時(shí)可以形成5鍵。2016年，一個(gè)德國(guó)團(tuán)隊(duì)展示了如何制造6鍵的超級(jí)碳。AK Fazlur Rahman博士在俄克拉荷馬州的俄克拉荷馬科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)院做了一個(gè)關(guān)于碳的講座。他利用2016年的論文來挑戰(zhàn)他的學(xué)生，要求證明存在超過6鍵以上的碳的可能性。意想不到的是，他的一個(gè)名為George Wang的學(xué)生發(fā)現(xiàn)可能有七鍵的碳（圖1）。Wang的計(jì)算結(jié)果顯示了碳和氫7鍵的穩(wěn)定性，還顯示了相同兩種元素的8鍵組合會(huì)不穩(wěn)定。這些計(jì)算現(xiàn)在發(fā)表在《Journal of Molecular Modeling》中。一名高中生居然取得了結(jié)構(gòu)化學(xué)方面的巨大突破！這件事能給我們哪些啟示？值得深思。

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