60分子信息模块教学探索'> C60分子信息模块教学探索

摘要：介绍了C60分子信息模块教与学的几种具体有效方法。用直观教学法调动学生感官，让学生形成对晶体结构的感性认识，促进学生学会绘画图形、观察图像、切割模型等学习方法；用C60分子信息训练学生的抽象思维，让学生学会用计算、推理、公式、建模等方法凝炼知识、升华思维。

关键词：C60分子；信息模块教学；三维建模；中学化学教学研讨

文章编号：1005C6629（2016）10C0073C03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1985年，科学家用激光照射石墨时，通过质谱法首次检测出C60分子，Kroto等美国科学家因此而获得1996年诺贝尔化学奖[1]。

C60分子信息具体指C60的碳原子数、价电子数、单双键数、棱边数、多面体面数等知识。C60分子信息模块教学指将C60分子知识信息整合后，将知识细化分层教学，技能分解深入教学，思维阶梯设置教学。

由C60分子构成的晶体为分子晶体。C60分子中含有60个碳原子；每个碳原子有4个价电子均参与成键，且形成4个共价键，其中2个单键2个双键；每个C60分子中双键数为30个，单键数为60个；每个C60分子是由12个正五边形、20个正六边形构成的32面体；每个C60的32面体分子可由正20面体切割12个五棱锥而来；C60这一多面体分子的顶点数、面数和棱数的关系遵循欧拉定理：顶点数+面数-棱边数=2；在一定程度上对C60分子的原子成键、立体几何等的综合分析的思维方法可以迁移到对C70及更复杂的三维分子结构的分析过程中去。笔者以C60分子结构信息为主，采用绘画体验法、切割法、观察法、计算法、推算法、欧拉定理公式法、三维建模法等七种方法，探究了C60分子信息模块教学，赘述体会以飨读者。

1 绘画体验法

题1 跟我画C60分子，体验C60分子中的五边形、六边形个数，C60分子中的碳碳双键数。

解析：

第一步：画1个正五边形。

第二步：在正五边形周围画5个正六边形。

第三步：在第一、二步画出的图形周围画10个六、五边形交替排列。

3步即可完成半个C60分子结构绘图（见图1）。

由此可体验出C60分子中五边形、六边形总个数分别为12、20。

第四步：画出半个C60分子中的15个碳碳双键。

即可体验C60分子中的碳碳双键数为30个（见图2）[2]。

2 观察法、切割法、计算法

题2 单质硼有无定形体和晶体两种。已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体（见图3），其中含有20个等边三角形和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及计算确定：

①该基本结构单元是由 个硼原子构成的；键角是 ；所含B-B键的数目是 。

②若将晶体硼结构单元中的每一个顶角均削去，余下的部分和C60晶体的结构相同，据此确定：C60是由 个正六边形和 个正五边形构成；一个C60中含有 个碳碳单键，有 个碳碳双键。

解析：

观察法：①观察图片（见图3），图中画出了20个正三角形，12个顶点，故此晶体结构单元由12个B原子组成；键角是60°；所含B-B键的数目是30。

切割法――多面体切割推导法：②若将晶体硼结构单元中的每一个顶角（一个正五棱锥）均削去，余下的部分即为一个由12个正五边形和20个正六边形构成的32面体，类同一个C60分子结构；从而推出C60分子中碳碳双键数为30个，碳碳单键数为60个。

计算法：（1）共价键数=棱边数计算法。令此晶体结构单元由x个B原子组成：图中每个B原子组成5个单键，共构成5x/2个单键；正二十面体有20个正三角形，共有（20×3）/2条棱边。单键数=棱边数，得x=12。

（2）平面顶点分摊计算法。每个正三角形分摊3×1/5个顶点，20个正三角形共有顶点20×3×1/5=12个，键角60°。

3 推算法

题3 固态时，C60属于分子晶体。C60分子中每个碳原子参与形成3个键（单、双键），每个碳原子均达8电子稳定结构。则C60分子中含有单、双键的数目分别为 。

解析：（1）双键折单键推算法：令图4中单、双键数分别为x、y个，每个C60分子中双键y个折算成单键2y个，则x+2y=（60×4）/2，每个C60分子中棱边数x+y=（60×3）/2，故C60单键数为x=60个，双键数y=90-60=30个。

（2）剩余价电子补充构键推算法：C60分子中每个碳原子已拿出3个价电子形成了3个单键，60个碳原子总共耗去价电子60×3=180个，总共还剩余60×1=60个价电子，剩余价电子可构成30个碳碳单键，将原已形成的单键补充重构出30个碳碳双键，余下单键数=90-30=60[3]。

4 欧拉定理公式法

题4 1996年诺贝尔化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家。C60分子是形如球状的多面体（如图4），该结构的建立基于以下的考虑：

①C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键

②C60分子只含有五边形和六边形

③多面体的顶点数、面数和棱数的关系，遵循欧拉定理：

顶点数+面数-棱边数=2

据上所述，可推知C60分子有12个五边形和20个六边形，C60分子所含的双键数为30。

请回答下列问题：

（1）固体C60与金刚石相比较，熔点较高者应是 ，理由是 。

（2）试估计C60跟F2在一定条件下能否发生反应生成C60F60 （填“可能”或“不可能”），并简述其理由 。

（3）通过计算，确定C60分子所含单键数。

（4）C70分子也已经制得，它的分子结构模型可以与C60同样考虑而推知。通过计算确定C70分子中五边形和六边形的数目。

解析：

（1）金刚石，金刚石的晶体类型是原子晶体，而固体C60属于分子晶体（见图4）。

（2）可能，因C60分子中含有30个双键，与极活泼的F2发生加成反应可能生成C60F60。

（3）由欧拉定理公式法计算C60分子中键数为60+（12+20）-2=90，则C60分子中的单键数=90-30=60。

（4）由欧拉定理公式法计算C70分子中键数：

设C70分子中的五边形的数目为x个，六边形的数目为y个，由题意可得方程组：

解得五边形的数目x=12，六边形的数目y=25。

5 三维建模法

题5 近年来科学家们发现由100个碳原子构成具有完美对称性的C100原子团，每个碳原子可形成4个化学键，最内部是由20个碳原子构成的正十二面体，外层的60个碳原子形成12个分立的正五边形，处于中间层次的碳以单键方式将内外层碳原子连接在一起，当它与氟的单质反应形成分子时，其分子式应为（ ）

A. C100F60 B. C100F20 C. C100F12 D. C100F40

解析：

解答此题采取三维建模方法[4]：每个碳原子可形成4个化学键，最内部是由20个碳原子构成的正十二面体（见图5），最内部每个碳原子与中间层次的每个碳原子以单键方式结合，中间层次的每个碳以单键方式与外层的3个碳原子结合，外层碳原子连接在一起形成12个分立的正五边形，故只有外层60个碳原子各剩一个价电子（见图6），发生加成反应时，60个碳原子分别接一个氟原子。故选A。

（图6中只画出内层正十二面体的1个正五边形，其中碳原子画出了4个碳碳单键，中层、外层的其余碳原子及价键均省略）

从上我们可以看出，C60分子信息模块教学的七种方法遵循了由感性到理性、由知觉到思维的认识规律，让学生通过动手动眼动脑获取知识，通过体验和思维形成解决问题的能力。

参考文献：

[1]崔科，董文魁，许力，朱崇恩. C60的结构、性质、应用技术及其研究成果进展[J].甘肃科技，2004，（5）：84～85.

[2]王发应. C60结构模型的制作[J].中学化学教学参考，2008，（6）：60.

[3]刘镇锋.不饱和度・键数・C60多面体・数列[J].化学教育，2003，（2）：39.

[4]王发应. C60纸质结构模型的快速制作[J].化学教与学，2015，（4）：94～95.