基于化学学科思维培养的苯的教学拓展

惠海涛

摘要： 根据苯的分子式及反应事实推测苯的结构，论证凯库勒式结构的缺陷;通过聚合反应建立苯与乙炔、多聚乙炔之间的联系;将苯的结构在空间扩展，关注苯与联苯类化合物、稠环芳烃、石墨烯之间的关联;将平面结构的石墨烯在空间卷曲，形成石墨与富勒烯、碳纳米管结构间的内在统一;将石墨的六边形结构重构，关注石墨与金刚石的差异与转化;借助数列知识和极限思想，从含碳量的角度分析稠环芳烃转化为石墨的过程，运用欧拉公式分析足球烯中的五边形和六边形个数，体现了化学与数学的学科融合;以诺贝尔化学奖为背景，介绍化学史中的相关研究及当前最新研究进展，渗透人文精神教育，培育思维的批判性、严谨性、敏捷性、整体性和创造性。

关键词： 苯; 结构; 化学学科思维; 思维培养; 教学研讨

文章编号： 1005-6629（2019）2-0089-05            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

科学的进步与发展离不开想象力，美国教育家杜威说过，“科学最伟大的进步是由崭新的大胆的想象力所带来的”，英国物理学家法拉第也说过，“一旦科学插上幻想的翅膀，它就能赢得胜利”。在中学化学教学中，如何培养学生的想象力呢？

高中阶段学生的思维较为活跃、想象力较为丰富，教师在教学过程中应当点燃学生的思维火花，让学生感受到思考的乐趣，以期实现从“知识指向的学习”到“思维指向的学习”的转变。苯在中学有机化学教学中无疑有着独特的地位，无论是推测苯分子的结构，还是探查苯与石墨、富勒烯等其他物质在结构上的关联，这当中都蕴含着丰富的思维方法。在教学中基于实验现象和相关数据的分析，对苯的结构展开推理、证实、证伪的过程有利于培养思维的批判性和严谨性;从苯到聚乙炔、稠环芳烃、石墨烯、富勒烯、碳纳米管、金刚石的一系列学习视角的转换，有利于培养思维的敏捷性和整体性;对石墨转变为金刚石过程的学习与思考，有利于培养思维的创造性。

1  从凯库勒之梦到苯的芳香结构——苯的结构探析

1.1  苯分子式的确定

1825年法拉第从生产煤气的剩余液体中分离出一种液体物质，它无色透明、略有香味。1834年德国科学家米希尔里希通过蒸馏安息香酸（即苯甲酸）和石灰的混合物的方法在实验室中得到同样的液体，并将其命名为“苯”。后来法国化学家日拉尔经过测定，发现苯蒸气的密度是同温同压下乙炔的3倍，其中碳的质量分数为92.3%[1]，由此可以引导学生计算出苯的分子式C6H6。

1.2  苯结构的确定

自从苯的分子式确定以后，人们就对其结构产生了极大兴趣。从分子式来看，苯的不饱和度较大。学生根据苯分子的不饱和度为4，构造出了许多结构，如链状结构、环状结构、立体结构：

那么苯的真正结构是怎样的呢？根据其化学性质，如不能与酸性高锰酸钾溶液或溴水发生反应，证明苯中不存在碳碳双键或碳碳叁键，这些结构先后被否定了。1865年，凯库勒因“梦”见苯环结构而名声大震。根据梦境（有说是梦到了蛇，也有说是梦到了猴子），凯库勒提出了苯环的单双键交替的正六边形结构，很好地解释了一些反应事实。

苯的凯库勒式结构是否十分准确呢？此时教师引导学生寻找反应事实及数据并进行分析，比如苯不能使高锰酸钾溶液褪色;再如苯的邻位二元取代物只有一种;又如烷烃中脱去2mol氢原子形成1mol双键要吸热，但1，3-环己二烯（）脱去2mol氢原子生成苯却放热，即苯比1，3-环己二烯更加稳定。上述证据都说明了苯中并不存在普通的碳碳双键。后来人们在正六边形的中间加入圆圈，体现出苯中独特的化学键，并用图1所示的比例模型来表示其独特结构。随着科学的发展，我们对苯分子结构的认知更加深入，科学家们已经借助扫描隧道显微镜，获得了苯分子的图像（见图2）。在对苯的凯库勒式结构辨析的过程中，学生的严谨性思维得以发展，证据推理意识得以加强。

2  诺贝尔奖的三次垂青——正六边形结构的空间延伸

2.1  从苯到多聚乙炔

如前所述，日拉尔测定出苯蒸气的密度是同温同压下乙炔的3倍，事实上乙炔在高温下（400～500℃）可以发生环形三聚合作用，生成苯[2]：

这个反应苯的产量很低，没有制备价值，却为研究苯的结构提供了有利的线索。类似地，乙炔还可以发生四聚合反应，生成环辛四烯（

）。若将更多的乙炔分子进行聚合，则得到聚乙炔，以下所示为反式聚乙炔的结构片段。

日本化学家白川英树和美国化学家黑格、马克迪尔米德正因对多聚乙炔导电性能的研究而获得了2000年诺贝尔化学奖。在这部分内容的教学中，追寻着科学家的研究之路，学生的思維方式为： 将苯与乙炔建立联系，再将乙炔分子逐渐聚合而“扩展”，从三聚反应到四聚反应，再到多聚反应，其想象能力得到了初步发展。

2.2  从苯到联苯及稠环芳烃

乙炔分子能发生聚合而使结构逐渐扩展，那么能否将苯的结构也进一步扩展以得到新物质呢？容易想到的是从苯衍生出来的联苯类化合物和稠环芳烃。一系列联苯类化合物的结构如下所示[3]：

下面展示的是来源于沥青的一组稠环芳烃，它们彼此虽然不是同系物，但其组成和结构都是有规律变化的。根据结构，我们可以写出以下三种物质的分子式： C10H8、 C16H10和C22H12。

2.3  从苯到石墨烯

当稠环芳烃中的苯环越来越多时，生活中与之相关的形象便逐步在脑海中浮现出来： 体育场上的足球网（见图3）、自然界中的蜂巢（见图4）、中国古典建筑中的六边形窗棂（见图5），这些形象与稠环芳烃的结构何其相似。

接下来，石墨的结构便在头脑中出现，其结构看起来与稠环芳烃也是极其相似的，然而从物质类别上看两者也有不同之处： 稠环芳烃属于烃，其中含有氢原子，而石墨是碳的单质。那能否将稠环芳烃转变为石墨呢？若能实现这种转化，其思路又是什么呢？这就自然要考虑将稠环芳烃中的含氢量进一步减小或将其含碳量进一步增大。这种转化是否容易呢？为此，我们需要先讨论稠环芳烃中的含碳量问题。上述三种稠环芳烃的分子式分别为C10H8、 C16H10和C22H12，若将8个苯环甚至更多的苯环并在一起，所得物质的化学式该如何表达呢？我们发现，这一系列物质的化学式是以C10H8为首项、C6H2为公差而形成的等差数列，利用等差数列的通项公式可求得这一系列物质的化学式为C6n+4H2n+6（n∈N，且n≥1）。这一系列物质中碳元素质量分数的最大值为多少呢？有学生提出利用极限法，思路如下：

C%=limn→∞12×（6n+4）12×（6n+4）+1×（2n+6）×100%

=12×6n12×6n+1×2n×100%=97.3%。

而其中即使是萘（C10H8），其含碳量也已高达93.75%，可见要想再增大稠环芳烃中的含碳量使之转变为石墨是较为困难的。不过，科学工作者已对此做了相关研究，并取得了一定成果： 王朝刚以萘为原料、四水合乙酸镍为催化剂，以3︰1的摩尔比进行自生压炭化，所得产物的石墨结晶度为57.1%。随着稠环芳烃中苯环数目的增加，炭化产物中石墨结晶程度还会有明显提高[4]。

提到石墨，就自然会想到石墨烯。2004年，英国两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，这两位科学家也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。

2.4  富勒烯与碳纳米管

无数的正六边形向外生长，得到了石墨的平面结构。如果换一种思维角度，把平面网状结构在空间卷曲和封闭，会形成怎样的立体结构呢？其结果就是产生了石墨的两种同素异形体——足球烯（见图6）和碳纳米管（见图7）。

英国科学家克罗托、美国科学家斯莫利和柯尔于1985年发现了足球烯，并因此获得了1996年的诺贝尔化学奖。足球烯分子具有60个顶点和32个面，其中12个面为正五边形，20个面为正六边形，整个分子形似足球，因此得名。因为建筑师巴基敏斯特·富勒曾设计出一种著名的“网格球顶”的拱形建筑，因而足球烯又被称为“富勒烯”或“巴基球”。后来又将包括C60在内的所有含有偶数个碳原子所形成的分子统称为富勒烯。

从培养学生的思维角度可设计问题： 能否求出C60中的正五边形和正六边形的个数呢？根据欧拉公式：

顶点数（V）+面数（F）=棱数（E）+2

设C60中五边形和六边形的个数分别为x个和y个，则该分子中顶点数V=60，面数F=x+y，棱数E=3×602=90。由欧拉公式得：

60+（x+y）=90+2①

另一方面，棱数也可以由多边形的边数之和（不要重复计算）来表示，则又有：

5x+6y2=90②

联立解上述两方程，得x=12， y=20，即C60分子中有12个面为正五边形，20个面为正六边形。借助于数学思维解决化学问题，这对培养学生学科间的联系能力大有裨益。

1991年，碳单质的另一种形式——碳纳米管诞生了。碳纳米管中，碳原子排列成一个长的管状圆柱体。通常情况下，碳纳米管比较轻便、柔韧且极其坚固，可用作超强电缆[5]。

我们考量石墨烯、石墨、足球烯、纳米碳管，这些物质都是碳的同素异形体，它们在结构上有内在的关联吗？图8展示了这几种物质的内在联系。在教学中，引导和启发学生分析各种物质的结构与内在关联，在对物质宏观辨识的基础上进行微观结构探析，充分发挥其想象力和推理能力，将使他们对化学产生别样的感悟。

3  点石成金之路——正六边形结构的重构

石墨的同素异形体中最为学生所熟悉的就是金刚石。和前面提到的几种物质不同，金刚石中不再含有平面正六边形结构。观察金刚石的结构片段（见图9），一种视角是观察到以碳原子为中心的正四面体结构（见图10），另一种视角是观察

到六边形结构（见图11），不过此六边形是椅式结构而非平面正六边形。

结构的差异在物质的性质上如何表达和体现呢？查阅熔点数据，石墨的熔点（3652℃）比金刚石（3550℃）还高，这似乎不合常规，因为金刚石为原子晶体，石墨为混合型晶体，金刚石的熔点似乎应该更高一些。但如果我们从化学键的角度来看，石墨晶体片层内共价键的键长是1.42×10-10m，金刚石晶体内共价键的键长是1.55×10-10m，石墨中键长更短，鍵能更大，因而破坏起来也就更难，故而石墨的熔点更高。

从热力学角度看，两者的稳定性也有差别：

C（石墨，s）C（金刚石，s）  ΔH=+1.9kJ·mol-1

常温常压下，1mol石墨转变为金刚石需吸热1.9kJ，即石墨比金刚石更加稳定。那这一反应能否发生？如果反应能发生，需要寻找到怎样的反应条件？教师引导学生继续分析，石墨的标准生成吉布斯自由能ΔfGm=0，而金刚石的ΔfGm=2.900kJ·mol-1，上述反应的ΔrGm=2.900kJ·mol-1>0，说明该反应不能自发进行。但石墨和金刚石的密度分别为2.260g·cm-3和3.515g·cm-3，即上述反应是一个体积变小的反应，尽管固相反应受压强影响很小，但是加压显然对上述反应是有利的[6]。在课堂中引导学生对具体数据进行分析，通过定性与定量分析推出合理的结论，认识到反应条件对化学反应的影响，有利于深化学生的认知水平。

那么石墨转变为金刚石是否已变为现实？如果能在实验室或生产中实现这种转变，其意义堪比点石成金。1954年，霍尔等人以熔融的FeS作溶剂，在严格控制的高温、高压条件下使石墨第一次转化为人造金刚石[7]。20世纪70年代末人们开始从另一个角度来思考人造金刚石的问题，利用激光技术、微波技术把分子拆开成原子。如1986年日本大阪大学的Katsuki Kitahama完成了在硅片上用激光诱导沉积方法制备金刚石薄膜的研究[8]：

CH4+H2微波放电（50kPa）硅基体温度950℃金刚石薄膜

1998年，我国李亚栋、钱逸泰等人以Ni-Co-Mn和金为催化剂，将CCl4与过量金属钠置于427K的高压釜中反应生成杂有大量非晶态碳的金刚石[9]：

4Na+CCl4427K催化剂C+4NaCl

近几年，复旦大学刘智攀与上海大学谢耀平等研究人员通过模拟研究，解释和回答了多年来一直困扰科学家的问题： 为什么石墨在5～20GPa的压力之下会转变成六角型金刚石（hexagonal diamond）而不是形成像理论所预测的更为大家熟悉的立方型金刚石（cubic diamond），相关研究已于2017年2月发表在《美国化学会志》上[10]（见图12）。

图12  刘智攀等人的研究图示

值得一说的是，在化学史上还有一则关于人工合成金刚石的乌龙事件。1893年，法国化学家莫瓦桑声称通过实验首次制备出了金刚石。此后，人们纷纷去重复莫瓦桑的实验，结果无一成功。后来真相被揭开，原来是莫瓦桑的助手由于对反复无休止的实验感到厌倦，于是悄悄地将一颗天然钻石混入实验产品中去，从而成就了莫瓦桑的一时虚名。当真相揭开的时候，莫瓦桑已经作古。莫瓦桑由于研制氟气、所谓的合成金刚石在化学界名噪一时。1906年诺贝尔奖评选时，莫瓦桑击败了发现元素周期律的门捷列夫，使得门捷列夫无缘获奖，在化学史上留下深深的遗憾。二人在1907年相继去世[11]。

在教学中教师提供化学史及最新的科研成果素材，其目的并非要求学生能达到科学家的研究水平，而是为了开阔学生的科学视野，培养学生的科学思维，使学生了解知识的由来、发展及应用，让学生学会像科学家那样思考问题，知道从哪些方面去分析和解决问题。

4  结语

科学想象和推理在形成人的理性思维、科学精神和促进个人智力发展的过程中发挥着不可替代的作用。在教学中挖掘宏观世界中苯、石墨、足球烯、碳纳米管等物质之间的联系，并从微观角度构建物质间的转变，引导学生用化学的眼光观察世界，用化学的思维思考世界，用化学的语言表达世界，探寻事物的变化规律和内在联系对培养学生学科素养无疑是有利的。本课例促进了学生思维能力、实践能力和创新意识的发展。

参考文献：

[1][11]白建娥， 刘聪明. 化学史点亮新课程[M]. 北京： 清华大学出版社， 2012： 67， 214～215.

[2][3]邢其毅， 徐瑞秋， 周政， 裴伟伟. 基础有机化学[M]. 北京： 高等教育出版社， 1993： 229， 298～299.

[4]王朝刚. 稠环芳烃炭化行为研究[D]. 北京： 北京化工大学硕士学位论文， 2014.

[5]Michael J. Padilla and other. 科学探索者： 化学反应[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2013： 125.

[6][7]武汉大学， 吉林大学. 无机化学（下册）（第三版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1994： 734～735， 736.

[8]傅献彩. 大學化学（下册）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2003： 654.

[9]杨奇， 乔成芳， 崔孝炜， 曹宝月， 周春生， 邸友莹， 高胜利. 非金属元素的同素异形体（二）——再谈碳的同素异形体[J]. 化学教育， 2017， 38（22）： 12～31.

[10]YaoPing Xie， XiaoJie Zhang， ZhiPan Liu. Graphite to Diamond： Origin for Kinetics Selectivity [J]. Journal of the American Chemical Society， 2017， 139（7）： 2545～2548.