【摘要】從人教版、魯科版與蘇教版3個版本《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教科書選出12個經(jīng)典結(jié)構(gòu)，用三維虛擬技術(shù)解構(gòu)還原，化抽象為具體，析微觀結(jié)構(gòu)之美，不盲從教科書，給予讀者空間想象美的感受與樂趣。 【說明】1、本文已設置快捷轉(zhuǎn)載，不受白名單限制，均可轉(zhuǎn)載，可寫推薦，但不能修改。 2、一篇文章最多只能鏈接10個視頻，本文有15個視頻，有5個視頻只能通過超鏈接方式連接。 中學化學研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是培養(yǎng)和提高學生的空間想象能力。培養(yǎng)空間想象能力也需要通過操作訓練，子曰，工欲善其事，必先利其器，為此就需要有效的手段，三維虛擬技術(shù)是值得重視和推薦的手段。 傳統(tǒng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學模式一般為：二維圖形→三維模型→二維圖形，即客觀原因造成初學者是依靠課本等材料中的大量二維圖形去想象他們知之甚少的三維世界，這種先入為主的訓練可能導致學生觀察三維世界怎么看都是二維的；三維虛擬技術(shù)手段的使用可使教學模式變?yōu)椋喝S模型→二維圖形→三維世界，即先從三維模型中提煉空間感受能力，這樣在觀察二維圖形時也能將模型立體化，而這一切最終是為了探索未知的微觀三維世界。 目前流行的晶體可視化軟件如Diamond、Chem3D、Vesta等因互動功能相對較弱，適合有一定晶體學基礎的人員使用，尤其是科研使用，不適合基礎較弱的中學精細化的結(jié)構(gòu)教學要求，三維虛擬技術(shù)設計的模型能很好的通過平移、滾動、縮放、旋轉(zhuǎn)、變形、增添或刪除原子（團）、鏡像、切割、材質(zhì)透明化、添加音效及觸動預先設置的動畫等操作循序漸進地動態(tài)構(gòu)建模型，如同自己用一磚一瓦逐步搭建房屋一樣來構(gòu)建晶體模型，想怎么說就能怎么說，這將大大提升中學階段結(jié)構(gòu)教學的效率。 從依據(jù)教育部《普通高中化學課程標準（2017年版）》編寫的3本《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》涉及的結(jié)構(gòu)案例考慮，氫劍選擇12個經(jīng)典案例用三維虛擬技術(shù)進行解讀。 【摘要】在課本密置層與非密置層的基礎上引入半密置層概念完善“金屬晶體的堆積方式”，將金屬晶體的4種基本堆積方式有機融合，并通過三維動畫直觀地表達出來。 晶體學的理論基礎是群論，但中學講群論顯然不符合實際，故“金屬晶體的堆積方式”這一簡單卻實用的模型成為中學學習各類晶體結(jié)構(gòu)的基礎，但遺憾的是，相對于舊版的《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》，2017版的教科書將這一部分內(nèi)容或刪除（人教版），或淡化處理、從正文部分降格至“拓展視野”（蘇教版與魯科版），估計考量的是這一部分內(nèi)容太抽象，例如立方最密堆積（面心立方）的形成若沒有較好的手段，不易對學生講清楚這個問題。但氫劍以為，刪除這部分內(nèi)容，晶體結(jié)構(gòu)的根也被拔除了。 氫劍利用三維虛擬技術(shù)金屬晶體的4種基本堆積方式成因提出“半密置層”概念來完善緊密堆積規(guī)律，僅僅用十余分鐘左右的時間突破了這一教學難點，效果顯著，諸君請看視頻。 二、切晶胞——晶胞中不同位置原子均攤原理
【摘要】通過對點陣點模型（將原子抽象成沒有大小的質(zhì)點）與密堆積模型（原子有大?。┑?/strong>“無隙并置”及對密堆積模型的切割與復原操作，理解晶胞中不同位置原子均攤原理。 如果將晶胞不同位置的原子抽象成沒有大小的質(zhì)點，而晶體是晶胞“無隙并置”的結(jié)果，那么不難理解，位于晶胞頂角、棱邊、晶面、內(nèi)部的原子分別貢獻原子的1/8、1/4、1/2、1，與晶胞的平行六面體外形是立方形還是六方形等無關；但若考慮密堆積后原子的大小，不同類型晶胞的原子在不同位置被切割后原子的形狀不同，從這個角度考慮不同位置的原子對晶胞的貢獻是不同的，這可以從視頻中利用三維虛擬技術(shù)對各類型晶胞進行切割，在切割后的基礎上直接將幾何體拼接感受到。演繹直觀形象，表達趣味生動，想象力豐富，富有啟發(fā)性。 三、氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)
【摘要】以“金屬晶體的4種基本堆積方式”中的面心立方為基礎，氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)可看作體積較大的氯離子作面心立方堆積，體積較小的鈉離子填入面心立方的八面體空隙而成，從面心立方堆積角度看氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)特點，知識的結(jié)構(gòu)體系有了淵源，也有了傳承。 直接用課本氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)示意圖與傳統(tǒng)實物模型講解其結(jié)構(gòu)，將割裂氯化鈉晶體與在這之前學習的“金屬晶體堆積方式”中的立方最密堆積（面心立方）的關聯(lián)，失去這種關聯(lián)，氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)顯得更孤立無趣。故教材不可輕言刪除或淡化“金屬晶體的堆積方式”這一重要內(nèi)容。 描述離子化合物的結(jié)構(gòu)，通常引入離子配位多面體：將陽離子周圍鄰接的陰離子的中心互相連成的多面體稱為陽離子的配位多面體，將配位多面體作為結(jié)構(gòu)單元，觀察它們互相連接的方式，是描述離子晶體結(jié)構(gòu)的重要方法。通常由于陰離子半徑比陽離子大，可以認為離子晶體結(jié)構(gòu)是半徑較小的陽離子插入半徑較大陰離子形成的配位多面體空隙的中心形成的。 NaCl晶體結(jié)構(gòu)中Na+半徑為0.098nm，Cl-離子為0.181nm，Cl-離子明顯大于Na+半徑，NaCl晶體可看著大的Cl-離子按立方最密堆積排列，小的Na+填在八面體的空隙之中，故研究NaCl晶體結(jié)構(gòu)可從立方最密堆積形成的面心立方晶胞特點切入。 NaCl型的結(jié)構(gòu)具有廣泛性，已知有400多種組成比為1∶1的化合物采用這種結(jié)構(gòu)型式，NaCl晶胞參數(shù)a=562.779pm。 氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)視頻從立方最密堆積出發(fā)，通過填隙獲得NaCl晶胞，分析了建立在立方最密堆積基礎上的NaCl晶體結(jié)構(gòu)特征，舉例說明晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析的意義，并動態(tài)表達了從NaCl晶胞到CaC2晶胞的拉伸過程。 【摘要】金剛石用極低的堆積率34.01%造出自然界最堅硬的物質(zhì)，源自其高超的設計理念——碳原子形成的最穩(wěn)定的交叉型構(gòu)象與椅式構(gòu)象。通過虛擬碳原子填隙，切割球體觀察原子密接觸截面，隱去多余碳原子而凸顯構(gòu)象圖形等技術(shù)手段抽絲剝繭，準確解構(gòu)出金剛石令人驚嘆的構(gòu)型能力。 講共價晶體，金剛石是繞不過去的，金剛石結(jié)構(gòu)特別之處在于：一方面，其堆積的空間利用率極低；可另一方面，金剛石卻是天然存在的最硬的物質(zhì)，這一切源于金剛石獨特的結(jié)構(gòu)——由碳原子形成的兩種最穩(wěn)定的構(gòu)象，交叉型構(gòu)象與椅式構(gòu)象貫穿整個晶體，各個方向都結(jié)合得完美，晶體不易滑動與解理。 如何推導金剛石堆積的空間利用率？關鍵在于金剛石堆積中碳原子緊密接觸的方位在哪。借鑒解決立體幾何問題常用的做輔助線方式，在金剛石晶胞體對角線方向按規(guī)律放置兩個虛擬的碳原子（輔助球），等比例縮放球體觀察，體對角線方向5個碳原子（其中2個是虛擬碳原子，實際不存在）緊密接觸，由此推出體對角線長度為8倍的碳原子半徑，從而得到金剛石堆積的空間利用率僅為34.01%。 而表達金剛石結(jié)構(gòu)中由碳原子形成的交叉型構(gòu)象與椅式構(gòu)象，需要在結(jié)構(gòu)環(huán)境中隱去多余的原子，凸顯構(gòu)成交叉型構(gòu)象的8個碳原子與構(gòu)成椅式構(gòu)象的6個碳原子，且圖形能在整體晶格與指定構(gòu)象之間自由切換，這一切均能通過互動式的三維虛擬模型準確地表達出來，這是其它手段難以實現(xiàn)的。【案例4】金剛石晶體結(jié)構(gòu)——教師版
【案例4】金剛石晶體結(jié)構(gòu)——學生版（點擊上面圖片進入視頻鏈接） 五、金剛石結(jié)構(gòu)中1個碳原子連接的12個六元環(huán) 【摘要】用類似搭積木的方式構(gòu)造出金剛石結(jié)構(gòu)中1個碳原子連接的12個六元環(huán)，方法看似笨拙，效果卻令人信服。 金剛石結(jié)構(gòu)中1個碳原子連接的12個六元環(huán)，有許多學生坦言這個問題是背會的，不是學會的！在這個視頻中，先用數(shù)學方法分析金剛石晶體結(jié)構(gòu)中每一個碳原子連接六元環(huán)的個數(shù)，然后在三維虛擬模型中一個一個地搭建出這12個六元環(huán)，通過這個視頻，有學生說：“細致直觀，終于理解為什么是12個環(huán)了！”【案例5】金剛石結(jié)構(gòu)中1個碳原子連接的12個六元環(huán) 【摘要】手性是21世紀化學研究的重要領域，率先將α-石英的手性問題引入中學化學課本是人教版的亮點，但不能從結(jié)構(gòu)闡明α-石英的手性，亮點作用畢竟有限。本案例利用三維虛擬技術(shù)在α-石英晶胞內(nèi)構(gòu)建 [SiO4]四面體形成的小螺旋結(jié)構(gòu)，然后通過晶胞在三維空間的有序堆疊又“發(fā)現(xiàn)”[SiO4]四面體形成的大半徑雙螺旋結(jié)構(gòu)——決定石英的手性結(jié)構(gòu)。 3個版本的《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教材均涉及石英的結(jié)構(gòu)，感覺“蘇教版”的編寫最落伍，使用的二氧化硅晶體的結(jié)構(gòu)模型圖與舊版一樣，而這幅插圖在表達二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)中Si—O—Si鍵角（∠SiOSi約為144°）的準確度方面是有問題的；魯科版舊版與蘇教版居然共用同一幅插圖，但新版魯科版偷偷將二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)插圖換了，也不通知蘇教版一聲。 而人教版走得更遠，也更接地氣，石英結(jié)構(gòu)型式多樣，但人教版重點介紹的是在自然界最常見的低溫石英（α-石英），低溫石英的結(jié)構(gòu)中有頂角相連的硅氧四面體形成螺旋上升的長鏈，沒有封閉的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)決定了它具有手性（左、右型），被廣泛用作壓電材料，如制作石英手表。 然后呢？沒有然后了，好比隔靴搔癢，也沒有從結(jié)構(gòu)角度解釋為何α-石英有手性。其實3本“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”教材均通過存在手性異構(gòu)體的分子如乳酸或甘油醛分子等引入手性概念，人教版“分子的手性”一節(jié)內(nèi)容編排在石英結(jié)構(gòu)內(nèi)容之前，人教版內(nèi)容的先、后安排為進一步探究α-石英的手性現(xiàn)象打下基礎，但人教版淺嘗即止，沒有進一步從結(jié)構(gòu)上深入探討α-石英的手性，滿足不了部分求知欲較強的學生，困難何在？沒有利器！ 現(xiàn)在利器來了！先依據(jù)晶體學數(shù)據(jù)制作出α-石英晶胞的三維虛擬模型，有了直觀的三維虛擬模型，在晶胞內(nèi)部很容易辨認出[SiO4]四面體形成的小螺旋結(jié)構(gòu)，然后通過晶胞在三維空間的有序堆疊又“發(fā)現(xiàn)”[SiO4]四面體形成的大半徑雙螺旋結(jié)構(gòu)——決定石英的手性結(jié)構(gòu)。從空間排布來看，大、小螺旋的關系是[SiO4]四面體形成小螺旋的同時反向構(gòu)造出大螺旋。當隱去多余[SiO4]四面體、只留下形成大半徑雙螺旋結(jié)構(gòu)的[SiO4]四面體時，類似生命DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)形態(tài)的景觀出現(xiàn)了，這是用三維虛擬技術(shù)探究α-石英晶體結(jié)構(gòu)層層遞進、抽絲剝繭的結(jié)果！ α-石英屬于三方晶系，晶胞參數(shù)a為491pm，c為540pm，Si—O鍵長157.6pm和164.4pm，Si原子與O原子均為sp3雜化，∠SiOSi約為144°。每個α-石英晶胞擁有3個“SiO2”微粒。 【摘要】石墨晶體兼?zhèn)涔矁r晶體、分子晶體、金屬晶體的特征，稱之為混合型晶體，許多晶體不能簡單歸類為共價晶體、分子晶體、金屬晶體與離子晶體中的某一類，這是事物的復雜性，石墨晶體是認識晶體結(jié)構(gòu)復雜性的開端。 關于晶體結(jié)構(gòu)的復雜性，人教版《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》在“金屬晶體與離子晶體”一節(jié)的第三部分“過渡晶體與混合型晶體”有專述，魯科版也在“幾種簡單的晶體結(jié)構(gòu)模型”一節(jié)的第五部分談到“晶體結(jié)構(gòu)的復雜性”，而蘇教版除了說石墨是混合型晶體，并沒有相應的論述。 晶體結(jié)構(gòu)的復雜性是培養(yǎng)學生辯證思維極佳素材，人教版在談到過渡晶體時的切入點是“幾種氧化物的化學鍵中離子鍵成分的百分數(shù)”，氫劍2010年左右就鋁及其化合物兩性問題引入玻爾的“互補哲學”與中國古代“陰陽學說”理念互證解讀美國鋁業(yè)公司“電解熔融氯化鋁制鋁”問題，受“陰陽八卦圖”啟示繪制一張“離子鍵與共價鍵互補的陰陽八卦圖”，反響熱烈，后專門錄制一節(jié)課《鋁及其化合物的性質(zhì)與用途》（見下面鏈接的公開課視頻），氫劍以為，鋁的兩性與石墨一樣，是培養(yǎng)學生辯證思維的經(jīng)典案例，新版課本淡化處理“鋁及其化合物的性質(zhì)”實不可??！ 與石墨有關的新型材料石墨烯的發(fā)現(xiàn)揭示出簡單的工具也有可能做出諾獎級的成果，石墨晶體由層型分子堆積而成，層間作用力微弱，英國曼徹斯特大學二位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫因甚至用普通膠條就“撕出”單個原子厚度的石墨材料——石墨烯，石墨烯的厚度僅為0.3nm，是目前為止發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬的材料，具有非常高的熱傳導性和電傳導性等優(yōu)越性能，二位科學家由此榮獲2010年諾貝爾物理學獎。 各個版本《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》均談到石墨晶體結(jié)構(gòu)，石墨晶體結(jié)構(gòu)的重要性可見一斑，或許是淡化“金屬晶體的堆積方式”的緣故，均未劃分出石墨晶胞研究其結(jié)構(gòu)特點，故氫劍利用三維虛擬技術(shù)分析了六方石墨與三方石墨兩種晶型的結(jié)構(gòu)，并釋疑了面心立方與R心六方的異同，請看視頻。
公開課《鋁及其化合物的性質(zhì)與用途》（點擊上面圖片進入視頻鏈接）
六方石墨又稱α-石墨，在這種晶體中，層型分子的相對位置以ABAB……的順序重復排列，A和B是指層的相對位置，若以第一層A的位置為基準，第二層B的位置沿晶胞a軸和b軸的長對角線位移1/3，第三層又和第一層相同。晶胞參數(shù)a＝245.6pm，c＝669.6pm。 六方石墨晶胞占有的碳原子個數(shù)為：8×1/8＋4×1/4＋2×1/2＋1＝4 六方石墨又稱β-石墨，在這種晶體中，層型分子的相對位置以ABCABC……的順序重復排列，若以第一層A的位置為基準，第二層B、第三層C的位置沿晶胞a軸和b軸的長對角線相向位移1/3，第四層又和第一層相同。晶胞參數(shù)a＝245.6pm，c＝1004.4pm。 三方石墨晶胞占有的碳原子個數(shù)為：8×1/8＋4×1/4＋2×1/2＋2＋1＝6 【摘要】干冰晶胞看似簡單，卻有不簡單的CO2分子軸的空間取向及帶有“欺騙性”的點陣結(jié)構(gòu)。 很多人粗粗看一下干冰晶胞，覺得很簡單，面心立方晶胞，配位數(shù)為12。事實上，干冰晶胞并不簡單，干冰晶體點陣型式不是面心立方，為什么呢？ 干冰是典型的分子晶體，為立方型晶胞，晶胞參數(shù)a=562.4pm，碳原子位于頂點和面心位置，故一個CO2分子周圍有12個緊鄰的分子，頂點、上下晶面、左右晶面、前后晶面4種位置的CO2分子軸分別平行于立方體的4條體對角線，利用三維虛擬模型通過平移可以演示4種不同取向的CO2分子構(gòu)造干冰晶胞的過程，CO2分子軸的不同取向是為了緊密堆積的需要。 許多人誤以為干冰的點陣是面心立方，面心立方的特征是可作面心平移，即將原晶胞框架的頂角平移至原晶胞的面心位置得到的新晶胞與原晶胞無異，由于頂角與面心的CO2分子軸方向不同，干冰無法通過面心平移實驗，而只能按照簡單立方的結(jié)構(gòu)平移，故干冰的點陣型式為簡單立方，而不是面心立方。 說來容易理解難，但有了三維虛擬模型的平移與轉(zhuǎn)動實驗的直觀演示，疑慮煙消云散，請觀看視頻。
【案例8】干冰晶體的結(jié)構(gòu)（點擊上面圖片進入視頻鏈接） 【摘要】甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)在有機化學中起著十分重要的作用，用雜化軌道理論解釋甲烷的結(jié)構(gòu)是完美的，但雜化過程比較抽象，且是動態(tài)變化的，靜物模型教學效果顯然不佳，三維虛擬動畫模擬是最佳的選擇。 雜化軌道理論是由美國偉大化學家鮑林L.Pauling于1931年提出，成功解釋了許多分子的空間構(gòu)型。 所謂雜化是指在形成分子的過程中，由于原子間的相互影響，若干類型不同而能量相近的原子軌道相互混雜，重新組合成一組能量相等，成分相同的新軌道，這一過程稱為雜化。 以甲烷為例，甲烷碳原子2s軌道上一個電子激發(fā)到2p軌道，2s軌道與2p軌道能量接近，1個2s軌道與3個2p軌道相互混雜，形成能量相等、成分相同的4個sp3雜化軌道。 雜化前后軌道數(shù)目不變，但雜化后軌道伸展方向、形狀發(fā)生改變；雜化軌道成鍵時，要滿足原子軌道最大重疊原理（即“頭碰頭”形成σ鍵）和化學鍵間最小排斥原理——顯然雜化過程比較抽象，且是動態(tài)變化的，靜物模型教學效果顯然不佳，三維虛擬動畫模擬是最佳的選擇，如果確定了雜化前后軌道形狀，中間過程可以有合理的想象。有了直觀的三維虛擬動畫模擬雜化過程，語言解釋是多余的。 甲烷的四個碳氫鍵都是σ鍵，σ鍵的特點是：第一，比較牢固。因為形成σ鍵時原子軌道發(fā)生最大程度的重疊，而且通過軸向重疊形成的鍵，電子集中在兩個原子核之間，核對它們吸引力較大，因此鍵牢固；第二，σ鍵能圍繞對稱軸自由旋轉(zhuǎn)。這是因為旋轉(zhuǎn)不會影響原子軌道的重疊程度，因而不會影響軸間夾角和鍵的強度。形成烷烴的碳原子均為sp3雜化的碳原子，它們都具有四面體的結(jié)構(gòu)特征，碳的正四面體結(jié)構(gòu)在有機化學中起著非常重要的作用。 【摘要】苯的平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是有機化學里程碑式的成就，盡管苯的結(jié)構(gòu)及它的表達方式已經(jīng)討論一百多年且依然沒有滿意的結(jié)果，但在中學階段用雜化軌道理論通過苯環(huán)形成大π鍵的角度解釋苯分子的平面正六邊形結(jié)構(gòu)是有說服力的。 苯是最簡單的芳香烴，分子式為C6H6。C6H6分子中6個C原子均采用sp2雜化，3個sp2雜化軌道位于同一平面，每個C原子各用1個sp2雜化軌道和1個H原子1s軌道形成C—Hσ鍵，各用2個sp2雜化軌道彼此重疊形成C—Cσ鍵，12個σ鍵處在同一平面上，所以苯分子呈平面型結(jié)構(gòu)，6個C原子與6個H原子均在同一平面，6個C原子組成一個正六邊形，碳碳鍵長均相等，所有的鍵角均為120°。 每個C原子各剩下1個p軌道，這6個p軌道垂直于σ鍵所在的平面，且相互平行，因此這6個p軌道可以通過側(cè)面重疊形成一個離域π鍵（離域π鍵指包括了3個或3個以上的C原子或其他雜原子間形成的化學鍵）。
【案例10】苯環(huán)的大π鍵（點擊上面圖片進入視頻鏈接） 十一、冰-Ih晶體結(jié)構(gòu)中的氫鍵 【摘要】學習氫鍵沒有比冰更具代表性的晶體，氫鍵也完美解釋了冰的特殊性質(zhì)，從冰-Ih晶體結(jié)構(gòu)中劃分出六方晶胞解析，相當于找到研究冰的結(jié)構(gòu)的發(fā)力點。 水在不同溫度和壓力下，可結(jié)晶出超過11種的晶型，人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的雪、雨、自然界的冰和各種商品冰均為冰-Ih，3本教材有關冰的結(jié)構(gòu)插圖均為冰-Ih，但均未劃分出冰-Ih的晶胞，使學生對冰的結(jié)構(gòu)學習少了一個支撐點。 從冰-Ih中劃分出的晶胞為六方晶胞，晶胞參數(shù)a=451.35pm，c=735.21pm，晶胞8個頂點各有1個水分子，平行于c軸棱邊上各有1個水分子，晶胞內(nèi)部有2個水分子，故一個冰-Ih晶胞擁有8×1/8＋4×1/4＋2＝4個水分子，因為氫鍵有飽和性、方向性，每個水分子只與周圍4個水分子以氫鍵連接，這5個水分子在空間形成四面體構(gòu)型，四面體4個頂點各有1個水分子，體心處有1個水分子，故冰中水分子的配位數(shù)僅為4，低配位數(shù)使冰晶體中水分子的空間利用率較低，因此冰的密度小，冰-Ih的密度僅為0.9168g/ cm3。由于每個氫鍵均在2個水分子間形成，故平均每個水分子形成4×1/2＝2個氫鍵，一個晶胞含有4×2＝8個O—H…O氫鍵。 本視頻用三維虛擬模型展示了冰-Ih的氫鍵體系，探討了氫原子的無序分布狀況，并從中劃分出六方晶胞，分析了冰-Ih的六方晶胞結(jié)構(gòu)特點。
【案例11】冰-Ih的氫鍵——學生版（點擊上面圖片進入視頻鏈接） 【摘要】膽礬晶體結(jié)構(gòu)有一套復雜的三維氫鍵體系，在二維平面表達這套氫鍵體系殊為不易，單純從中學《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》的教學角度來看，沒必要將膽礬晶體結(jié)構(gòu)研究挖的這么深，但氫劍通過這個案例想表達的是，借助互聯(lián)網(wǎng)檢索關注國際最新結(jié)構(gòu)研究，然后利用三維虛擬技術(shù)的表達化抽象為具體，大大降低教學難度，可以拓展中學結(jié)構(gòu)教學的廣度與深度——不是嗎？ 很多人對膽礬晶體的關注源于2009年廣東高考題，試題給出的膽礬晶體結(jié)構(gòu)示意圖如下： 這樣簡化的且為平面的膽礬晶體結(jié)構(gòu)示意圖給出的結(jié)構(gòu)信息是有限的，但翻閱國內(nèi)的大學教材和檢索相關論文，還是覺得廣東這道高考題給出的膽礬晶體結(jié)構(gòu)信息最豐富，直到檢索到Michael T. Ruggiero等人2015年發(fā)表于《Physical Chemistry Chemical Physics》這篇論文《Origins of contrasting copper coordination geometries in crystalline copper sulfate pentahydrate》，通過下載相關晶體學數(shù)據(jù)，用三維虛擬技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，2009年廣東高考給出的膽礬晶體結(jié)構(gòu)示意圖也是有問題的，為了講清這個問題，本節(jié)文本會長點，讀者也可以直接觀看膽礬晶體三維虛擬模型解讀視頻。
膽礬的化學組成為CuSO4·5H2O，膽礬的 5 個結(jié)晶水，有 4 個是和 Cu2+ 配位的，還有1個和 SO42- 結(jié)合。Cu2+是八面體配位的，但由于Cu2+的電子構(gòu)型為3d9，與具有Oh對稱性的d10電子構(gòu)型相比少了一個電子，由此顯現(xiàn)的姜·泰勒效應使八面體發(fā)生畸變，x和y軸4個鍵縮短，而z軸相對地延長，即Cu2+是拉長的八面體，平面上是4 個配位水，軸向上是和 SO42-的O配位，故膽礬化學式可寫作[Cu(H2O)4]SO4·H2O。 膽礬是三斜晶體，晶胞參數(shù)a＝611.6pm，b＝1071.6pm，c＝596.1pm，α＝82.36°，β＝107.31°，γ＝102.61°。 膽礬晶胞8個頂點各有1個[Cu(H2O)4]2+配位離子，上、下晶面各有1個[Cu(H2O)4]2+配位離子，注意這兩種位置的[Cu(H2O)4]2+配位離子配位水取向不同，這2種不同的Cu2+離子分別記Cu(b)（頂點位置）和Cu(a)（上、下晶面位置）；晶胞前后晶面各有2個SO42-離子，晶胞內(nèi)部有2個沒有配位的結(jié)晶水，故一個膽礬晶胞擁有[Cu(H2O)4]2+配位離子數(shù)目為8×1/8＋2×1/2＝2，SO42-離子數(shù)目為4×1/2＝2，沒有配位的結(jié)晶水數(shù)目為2個，即1個膽礬晶胞含有2個“CuSO4·5H2O”化學式。 2、配位水取向不同的二種[Cu(H2O)4]2+配位離子 膽礬晶體結(jié)構(gòu)中水分子與兩個對稱的Cu2+離子[Cu(a)和Cu(b)]配位，配位水分子在Cu(a)和Cu(b)中以兩種顯著不同的取向存在。在上、下晶面的Cu(a)的情況下，配位水分子的取向?qū)е滤臍湓訋缀踉?span lang='EN-US'>Cu(a)-水配位鍵的平面內(nèi)（水平面）；相反，在晶胞8個頂點Cu(b)的情況下，配位水分子傾斜，導致有一定夾角的幾何形狀（水角度），兩者之間的銅-水配位鍵鍵長也有顯著差異。 Cu(a)-水平面和Cu(b)-水角度的銅-水配位鍵鍵長的實驗平均值分別為194.2pm和196.5pm。兩種配位類型中水分子都有2個氫鍵，其中水平面與非配位的硫酸鹽氧原子形成氫鍵，而水角度與結(jié)晶的水和配位的硫酸鹽氧原子形成氫鍵。值得注意的是，每個Cu2+離子具有2個對稱的水分子（總共4個），并且傾斜角在各自的對之間是一致的。 故膽礬晶體中有三種不同結(jié)構(gòu)環(huán)境的水：第一種是只與非配位的硫酸鹽氧原子形成氫鍵的水，記為水平面；第二種是與結(jié)晶的水和配位的硫酸鹽氧原子形成氫鍵的水，記為水角度；第三種是既與硫酸鹽氧原子形成氫鍵、又與水角度形成氫鍵的結(jié)晶水，它們的個數(shù)比水平面∶水角度∶結(jié)晶水＝2∶2∶1，這就不難理解膽礬升高溫度按三個階段分別脫去水分子的個數(shù)為2個、2個、1個。 回頭再看2009年廣東高考給出的膽礬晶體結(jié)構(gòu)示意圖（圖12）中的問題： 1、存在兩種配位水取向不同的[Cu(H2O)4]2+配位離子，本文記為Cu(a)和Cu(b)，分別位于晶胞晶面與頂角，而這幅插圖沒有體現(xiàn)，或者只有一種[Cu(H2O)4]2+配位離子； 2、Cu(a)中的配位水只與非配位的硫酸鹽氧原子形成氫鍵；Cu(b)中的配位水既與結(jié)晶的水、也與配位的硫酸鹽氧原子形成氫鍵；而結(jié)晶水既與硫酸鹽氧原子形成氫鍵、又與水角度形成氫鍵的結(jié)晶水。其它不說，Cu(b)中的配位水與配位的硫酸鹽氧原子形成氫鍵，可這幅插圖中配位的硫酸鹽氧原子（與銅離子連接的硫酸鹽氧原子）沒有示出氫鍵。 膽礬晶體中存在兩種類型的銅-水幾何結(jié)構(gòu)，其起源可以通過固態(tài)堆積排列來解釋，有興趣的讀者可參看原文。 單純從中學《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》的教學角度來看，沒必要將膽礬晶體結(jié)構(gòu)研究挖的這么深，但氫劍通過這個案例想表達的是，借助互聯(lián)網(wǎng)檢索關注國際最新結(jié)構(gòu)研究，然后利用三維虛擬技術(shù)的表達化抽象為具體，大大降低教學難度，可以拓展中學結(jié)構(gòu)教學的廣度與深度——不是嗎？ 視頻中的三維虛擬模型是氫劍采用互動式三維虛擬技術(shù)制作的。在相關插件支持下，用鼠標即可對結(jié)構(gòu)模型進行平移、滾動、旋轉(zhuǎn)、縮放、變形、增添或刪除原子及觸動預先設置的動畫等操作。
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