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对7个化学疑难问题解析及思考 　　摘要：解析了7个源自学生的疑问：为什么钾密度比钠小，为什么CO2以双键结合而SiO2却是单键，为什么晶体硅能作半导体而金刚石却不能，为什么有叁键结构的N2却不易加成，为什么Fe参加反应先失去最外层电子；为什么SiCl4极易水解而CCl4却不易，为什么P的最高价含氧酸可以是H3PO4而N却是HNO3。解决学生疑问、清除学习障碍的同时，更严谨认识“结构决定性质，性质反映结构”的科学原理。实践表明，解析疑难问题可以激励学生提出问题的兴趣，开阔学生的知识眼界，提升教师积淀深厚的专业功底。 　　关键词：物质结构；疑难问题解析；化学教学研讨 　　文章编号：1005?C6629（2017）4?C0091?C04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B 　　物质结构与元素周期律是化学重要理论，可帮助学生树立“结构决定性质，性质反映结构”为核心的物质结构观，同时培养学生类比思维和知识迁移能力。“通过研究典型，归纳共性，使得无数复杂、离散的化学知识变得简单、有序。但是，隐藏在共性背后的特性既是教学的难点，也是学生常见的学习障碍，因而不可等闲视之”[1]。特别是在类推失败后，学生本能地想知道：“为什么不能类推？”“为什么会失败？”这就需要教师深入解释其中的化学原理，帮助学生清除学习障碍。 　　笔者从多年收集疑难问题中，遴选出了7个重现率较高的问题，并尝试从物质结构理论角度进行解释，在帮助学生开阔与发散思维的同时，也深化对“结构决定性质、性质反映结构”规律的认知。 　　问题1 为什么钾的密度比钠小 　　通常情况下，同主族的单质的密度随着序数的增大而增大。但在常温下，钠的密度为0.971g?cm-3，钾为0.86g?cm-3。为什么钾的密度反而比钠小？ 　　钠、钾的晶胞属于体心立方堆积（如图1），每个晶胞均含有2个原子。 　　问题2 为什么CO2中是碳氧双键，而SiO2中却是硅氧单键 　　CO2中C原子和O原子形成2个双键，而SiO2中Si原子和O原子却形成4个单键。为什么同一主族的最高价氧化物，成键方式会不同？ 　　已知：E（C-O）=358kJ?mol-1，E（C=O）=805kJ?mol-1，E（Si-O）=466kJ?mol-1，E（Si=O）=638kJ?mol-1。假设SiO2具有与CO2相同结构，即形成O=Si=O。则可通过键能近似计算“双键式SiO2”转化为“单键式SiO2”的焓变：ΔrHm=638×2-466×4=-588kJ?mol-1。计算结果表明“双键式SiO2”结构不稳定，Si原子与O原子会通过Si-O单键形成热力学稳定的结构。 　　同理可算出“单键式CO2”转化为“双键式CO2”的焓变：ΔrHm=358×4-805×2=-178kJ?mol-1。所以C原子与O原子倾向于通过C=O双键形成热力学稳定的结构[2]。 　　成键方式的差异导致晶体结构不同。在SiO2中，形成Si-O单键后，O原子还剩余一个价键，可再与另外一个Si原子结合，形成无限聚合态――原子晶体。在CO2中，形成C=O键后，O原子已用完两个价键，所以就形成了分子晶体。 　　问题3 Fe参加反应时，为什么先失去最外层电子，而非能量最高的电子 　　基态26Fe原子的核外电子排布式是[Ar]3d64s2，Fe2+的核外电子排布式是[Ar]3d6，学生不明白：Fe原子参与反应时，为什么先失去4s上的?子，而不是根据“能量越低越稳定”原则，失去能量最高的3d上的电子？ 　　多电子原子中，电子具有的能量E决定于主量子数n和角量子数l [3]。我国化学家徐光宪教授根据E与n、l的关系，归纳得到一个近似规律：（n+0.7l）值越大，原子轨道能量越高。得出原子轨道能量E的高低顺序与鲍林依据光谱实验测定的结果一致：1sE3d，所以参与反应时，Fe原子先失去4s上的电子――既是最外层电子也是离子中能量最高电子。 　　问题4 为什么晶体硅是半导体，而金刚石却不可以导电 　　金刚石晶体中，每个C原子通过sp3杂化，与相邻的4个C原子形成共价单键，再不断向外伸展形成无限聚合的空间网状结构。由于每个C原子的4个价电子均参与成键，已不存在自由电子，所以金刚石不能导电。可结构与金刚石相似的晶体硅为什么却是半导体？ 　　半导体通常是由于热激发产生价电子和空穴而导电[5]。因为硅原子半径大，对电子的吸引能力弱，少数成键的共用电子在热运动下会摆脱共价键的束缚而成为自由电子，并在原位留下空穴。其他电子在外加电场作用下迁移过来填补这些空穴，同时又留下新的空穴……借助电子和空穴的定向迁移，晶体硅能导电。而在金刚石中，由于碳原子半径小，对共用电子的吸引能力强，共用电子对被牢固地束缚在成键原子周围而无法成为自由电子，所以金刚石不能导电[6