高中化学中的量子力学思想
汪小波
构造原理、电负性、键参数、VSEPR理论、杂化轨道理论、氢键等知识均与两次获得诺贝尔奖的美国化学家鲍林相关。鲍林的卓越成就可激发学生对化学科学的热情，激励学生献身科学事业的情感，在更深的层次上去把握化学知识。教学中应强调化学理论知识的应用，而应用理论知识来解释化学问题的能力是化学学习水平高低的重要标志。
微观世界的特征是量子性和概率性。选修3理论性强，内容十分抽象，微观世界服从的规律完全不同于现实宏观世界，更增加了教学难度。化学史可帮助学生清楚知识的来龙去脉，有利于理解教材。古希腊人用四元素论来解释物质世界，当留基伯和德谟克利特从哲学角度提出原子概念，这是一次重大的思想创新；1803年道尔顿提出科学的原子概念；1900年普朗克提出量子概念；1904年汤姆生发现了电子；1911年卢瑟福发现了原子核；1913年提出玻尔原子模型；1923年X射线散射实验证实光的粒子性；1924年德布罗意提出物质波概念；1925年海森堡提出测不准原理；1926年奥地利物理学家建立薛定谔方程，电子云模型建立起来了；1927年实验证明了电子的波动性。1954年鲍林因对化学键本质的研究获诺贝尔化学奖；1966年马利肯因提出分子轨道理论获诺贝尔化学奖；1981年日本科学家福井谦一提出前线轨道理论、霍夫曼提出分子轨道对称守恒原理同时获诺贝尔化学奖；1998年波普尔因发展量子化学计算方法获诺贝尔化学奖，使得理论上进行分子设计并用实验验证成为可能。量子化学处理问题时，更多的是把电子看成是波，如用分子轨道对守恒原理和前线轨道理论阐释周环反应。描述电子运动规律的是波函数Ψ(x,y,z)（原子轨道）, 描述核外电子概率密度的是Ψ2(x,y,z)（电子云）。教学中应严格按量子力学理论来表述问题，如共价键是成键原子轨道的线性组合Ψ＝ΣСiΨi，是原子轨道的重叠,而不能讲成是电子云的重叠；不要受原子结构示意图的误导,把电子绕核运动讲成是电子有固定的运动轨道。科学家超凡的智慧表现在对传统思想的抛弃上，否则20世纪初就难以建立起量子力学和相对论。创新在于打破传统，挑战一切不可能。今天量子力学已进入量子计算机时代。2016年8月16日在国际上发射的首颗量子通信卫星，使中国在量子通信领域成为开创者。
关于构造原理的教学
鲍林是迄今为止唯一两次独享诺贝尔奖的科学家，也是人类有史以来20位最杰出的科学家之一。他根据光谱实验结果提出了构造原理。我在教学中以问题为导向构建问题空间，让学生的思维在其中自由发散，营造一种活跃的课堂气氛。问题1.书写Fe、Fe2+、Fe3+的电子排布式，然后分析Fe2+、Fe3+的氧化性和还原性的强弱，要求学生写出5个表现Fe2+还原性的离子方程式，3个Fe3+表现氧化性的离子方程式。这一教学设计充分体现了点拨发散教学的教学思想，也体现了物质结构决定物质性质的化学思想方法。问题2.分析MnO2在酸碱性条件下的氧化性：由于Mn2+是存3d5的结构，故MnO2有较高的氧化性，与浓HCl反应在实验室制Cl2。问题3.写出你熟悉的最外层电子数为1和2的元素原子的电子排布式。要求学生进行充分的发散不要囿于ⅠA和ⅡA。问题3.基态原子的电子排布遵循哪些规律？从这一问题出发，复习能量最低原理、基态与激发态原子的概念,进而引出电子跃迁和与之相关的光谱知识。问题5.同一原子中两个电子的运动状态相同吗？描述电子运动状态的物理量是哪些？
20世纪30年代，鲍林为了描述化学键的性质提出了电负性概念。由于电负性差异导致分子中电子云分布不均匀而呈现极性。量子化学已能较精确的计算每个原子的带电荷量，从而为研究反应历程， 发现新的反应规律创造了条件。鲍林用了一个极简单的电负性概念代替了复杂的量子力学计算，其大道至简的科学思想为化学家所称道。自从鲍林提出了电负性概念后，引来全世界许多化学家对其进行研讨。主要集中在两方面，第一，关于电负性的标度问题，提出了许多计算电负性值的公式，如著名量子化学家温元凯教授（鲍林的学生）提出的公式；有人用量子化学方法计算分子中的电子密度来定量表示电负性大小，因为分子中电子云密度由分子轨道Ψ＝ΣСiΨi中的Сi值确定；1989年Allen根据光谱数据提出了计算电负性的新公式。第二，在概念内涵的拓展上，引申出了基团电负性、分子电负性等概念。同种元素的原子的电负性还与Z／Y值和杂化轨道类型有关。如C-H键的酸性由C原子按sp3、sp2、sp的顺序増强。
关于电负性概念在中学化学的应用，可引导学生做如下归纳:①判断元素的非金属性、金属性的强弱？事实上元素化合价的正负与电负性存在相关性，可进行互判。启发学生发散:判断元素金属性强弱的方法有哪些？（有五种）②判断键的极性大小。键的极性与分子极性是电子云在局部范围和分子整体范围的分布问题，从而引导学生从本质上准确把握键的极性和分子极性的关系。
键参数、VSEPR理论与杂化轨道理论的教学
键参数是表征化学键性质的物理量，其中键长和键角决定了分子的立体构型。理论上用量子力学方法可近似计算出键长和键角，而鲍林通过X衍射光谱等实验测定出了一大批键角和键长的数据，为量子化学的发展作出了很大的贡献。怎样判断分子的立体构型呢？方法1、等电子原理(如CO2和NO2＋等）；方法2、VSEPR理论，该理论是基于分子能量应处于最低状态而提出；方法3、杂化轨道理论，该理论是1931年手鲍林提出来的。杂化轨道理论是对VSEPR理论的解释。杂化轨道是能量相近的同一原子中原子轨道的线性组合Ψ＝ΣСiΨi，而共价键是成键原子轨道的线性组合，分子轨道（MO）则是整个分子中所有原子轨道的线性组合。分子轨道理论是最先进的物质结构理论，而休克尔分子轨道理论（HMO）可描述平面结构的碱基分子中的п电子运动，成为研究量子生物学的重要工具。不能深刻理解杂化轨道理论，就不能进入有机化学世界。杂化轨道类型有sp杂化、spd杂化、f轨道参与的杂化等等。杂化轨道理论以其深刻性和抽象性，在化学中有极其广泛的应用。
氢键知识的教学
鲍林在上世纪30年代首先阐明了氢键本质，认为氢键是不同于化学键的特殊作用力。氢键主要是影响物质的的物理性质。北京大学江颖教授（五通桥中学毕业）首次在实验控制条件下拍摄到了氢键和水分子的真实照片，并在国际上首次揭示了水的全量子效应。氢键这个知识点有很好的培养学生发散思维能力的作用，它不仅表现在化学中有众多方面的应用，在生命科学中也随处可见它的应用，如DNA的稳定性问题，尽管氢键是一种弱相互用，但DNA双螺旋结构中无数的氢键，导致DNA分子具有很高的稳定性，甚至在上千的古尸中，科学家们还能从中提取DNA进行科学研究，未来可实现已灭绝的动物重返地球生命世界。正是因为氢键，使得常温下水呈液态，以及冰的密度小于液态水。没有氢键便没有生命。今天，氢键还在超分子化学领域中大显身手，超分子化学可望在生命起源研究上发挥重大作用。鲍林还在上世纪50年代，利用氢键理论提出了蛋白质二级结构中的α-螺旋和β-折叠结构（选修5）。只有具备了丰富的化学学科素养，才能深刻理解和把握化学史，才能将科学家的创新思维感染学生，从而激发学生创新热情。
从分析化学到分析科学是化学家的创新历程
量子化学家徐光宪院士认为，化学的核心任务是合成化学和分析化学。分析化学因仪器分析的日新月异而获得空前发展，仪器分析手段又不断推动组合化学和超分子化学等学科研究。选修3和选修5介绍了光谱分析中的原子吸收光谱（AAS）、原子发射光谱(AES)、红外光谱(IR)、核磁共振谱(NMR)，测Mr的质谱法(MS)、X射线衍射光谱等等，它们背后的理论依据是量子力学原理。能级是能量量子化直观描述。AES、AAS是电子在原子能级中跃迁的结果；NMR是核自旋与外加磁场方向不同产生能级，原子核发生跃迁的结果；紫外可见光谱（UV-Vis）是分子中电子跃迁的结果；IR是分子振动和转动量子化的结果。仪器分析的强劲优势正逐渐取得传统的化学分析。联用技术、智能化的仪器分析方法具有高效、快速、准确的优点，电子技术和信息技术的渗透，分析化学已成为化学科学中发展最为迅猛的领域，逐渐形成分析科学，成为众多学科共同参与形成的综合性学科。各种分析方法的图谱的解析非常繁琐，但将实测的图谱在计算机上进行比对，可迅速准确得出分析结果。有人认为21世纪科技发展前景，在很大程度上取决于和依赖于分析科学。分析化学的发展也自然反映到高中化学教材中，实现了化学知识的更新，拓展了学生的科学视野。
汪小波，四川省夹江中学退休教师，四川省特级教师。曾任多届夹江县政协常委、夹江中学教科室主任。曾获乐山市优秀人才、乐山市优秀教师、夹江县首届名教师等称号。发表论文论著80多篇（部），有多个教育科研课题获省市成果。
赵文碧，四川省青神县河坝子人，三苏文学社社长、主编，擅长写散文与地方传说，代表作品有《火烧玉蟾寺》、《丞相敬师》等，作品常见于《三苏文学》微信公众号、江山文学网、都市头条、金榜头条、美篇、百度等。
个人简历
唐小虎，笔名：梦里，酷爱文学。喜爱散文、歌词创作。《三苏文学》常务社长，微信号／wxid_s3otpbxws4pn21，青神县作家协会会员。与音乐走廊合作之歌曲《锦绣青神》、《相知相守风雨同舟》、《南方的雪》等广为传唱。被百度音乐、MVBOX、酷狗等音乐平台收录其中。多篇散文作品在省、市级多家自媒体平台发表；主要作品：《青神之夜》、《峨眉情缘》、《老家的味道》、《天下太平 人皆向往》、《汉阳时光：一捧江水 半轮诗月》、《桂花香溢 岁月沉香》、《“东方明珠”之印象.白果》、《开放包容之浪漫丽江》、《腾冲之约》、《梦幻泸沽湖，摩梭走婚俗》、《洱海的风令人醉》、《邛海结缘》等。
三苏文学将在每年年底评选当年三苏文学的优秀作者，按投稿量、浏览量、评论数、获精次数、上红榜各占25％，前三名将获得精美荣誉证书及至尊奖杯，并同时在《三苏文学》微信公众号、都市头条、金榜头条、今日头条、百度等平台广泛颁布彰显荣耀，到时可以做现场颁奖活动。欢迎文学老师们踊跃参加、积极支持、互相转告。
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