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试论晶体场理论有效教学

2019-12-31 222 上传者：管理员

摘要：无机化学有效教学对学生适应大学课程学习起到重要的作用。无机化学是化学专业大学生入学学习的第一门专业基础课，晶体场理论是物质结构基础部分的教学重点和难点，为提高教学质量，我们开始将具有视觉冲击力的宝石通过层层提问方式引入课堂，吸引学生注意力，并启发学生有关宝石颜色的原因的思考，使学生分析解决问题的能力得到提高。

关键词：
兴趣激发
层层提问
晶体场图
活跃思维
课堂引入
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无机化学是化学和材料相关专业学生进入大学所接触的第一门专业基础课，对他们以后学习化学相关专业课兴趣的培养起到至关重要的作用^[1-2]。大一新生在高中阶段形成了应试学习的思维习惯和被动式接受知识的习惯。能否提高学生学习主观能动性，提高学习兴趣，活跃思维，让学生主动探索与学习知识，对他们整个大学生涯的学习乃至以后的工作都有很大的影响。

物质结构基础是无机化学的核心内容之一^[3]，这部分内容比较抽象和难于理解，但是以后学习物理化学和结构化学的基础。学生在学习过程中往往感到晦涩难懂，特别是配合物晶体场理论是这部分课程内容的教学重点难点，如何让学生高效的学习、理解和应用这部分内容，是我们任课老师要思考和实践的。

为此，课堂教学中我们以学生为主体，教师为主导，以生活中的有趣现象吸引学生把注意力集中到教学内容上，以层层提问的方式启发学生思考，并引导学生将所学知识解释生活中的现象，学以致用，收到了良好的课堂教学效果，在下面进行具体介绍。

1、八面体晶体场和能级分裂

我校使用的教材是大连理工大学无机化学教研室编写、高等教育出版社出版的《无机化学》，晶体场理论主要以八面体场为例进行讲解。八面体型的配合物中，6个配位体分别占据八面体的6个顶点，由此产生的静电场即为八面体场。球形对称场中，所有轨道能级一样，没有能级分裂，晶体场考虑了带负电荷的配位体对中心离子最外层电子(特别是过渡元素离子的d电子)的排斥作用，因此有5种d轨道(dz2，dx2-y2，dxy，dxz和dyz)，分裂成两组：较高能级的dz2和dx2-y2轨道，较低能级的dxy，dxz和dyz轨道，如图1。过渡金属离子d轨道能级分裂，分裂后的轨道未被电子充满，电子可以在分裂后的不同轨道间跃迁,这种跃迁叫做d-d跃迁，位于较低能级的d轨道电子，吸收一定的光能，跃迁到较高能级，发生d-d跃迁。图1d轨道在八面体场中的分裂

2、具有视觉冲击力的宝石的课堂引入

学生死记硬背晶体场的概念和能级分裂的内容其实并不困难，但要深入理解能级分裂的原因便会觉得枯燥晦涩，如果我们将这部分枯燥晦涩的课程学习与有趣的生活现象联系起来，将有趣的生活现象在课堂教学中引入，吸引学生把主要精力集中到知识点上，可提高学生的学习效果，如果这个知识点又恰好能解释这些生活现象，还能达到更好的课堂教学效果。宝石可用过渡金属离子晶体场理论解释^[4-5]，因此，我们在具体的配合物晶体场理论教学过程中，首先以漂亮的具有视觉冲击力的宝石图片吸引学生，宝石颜色鲜艳，质地晶莹，光泽灿烂，坚硬耐久，同时赋存稀少，可以制作首饰而受到人们的喜爱，问同学们喜不喜欢宝石？学生表现出很高的积极性，教师此时提问宝石为什么呈现五颜六色？在好奇心和兴趣的驱动下，学生表现出想要去了解其中的缘由。

3、通过层层提问的方式引入晶体场课程

此时引入“互补色”介绍，互补色在教材的位置是讲完晶体场理论之后对颜色解释时介绍的，我们提前到课程引入部分，达到课程教学层层递进的效果。在光学中两种色光以适当的比例混合而能产生白光，则这两种颜色就称为“互为补色”。色彩中的互补色有红色与绿色互补，蓝色与橙色互补，紫色与黄色互补，红宝石和海蓝宝石便是吸收特定的绿光和橙光而呈现出红色和蓝色。此时学生便会产生疑问，为什么红宝石和海蓝宝石会吸收特定颜色的光，在学生的要求下，教师告诉学生这是因为红宝石和海蓝宝石中的金属离子Cr3+和Fe2+。学生又开始疑问为什么含有Cr3+和Fe2+会有这样的作用，在学生的再一次要求下，教师此时告诉学生宝石中含有Cr3+或Fe2+配合物并引入晶体场理论，告诉学生学习完晶体场理论，便可以解释这些现象。学生兴致很高，表现出很高的积极性，很想了解和掌握这部分内容来解释这个现象。

4、引导学生利用晶体场理论解释配合物的颜色，理解宝石五颜六色的原因

引导学生利用晶体场理论解释配合物的颜色，理解宝石五颜六色的原因以Ti(H2O)63+为例，启发学生思考其呈现紫红色的原因，回顾课堂开始讲到的互补色，引导学生推测：Ti(H2O)63+呈现紫红色是因为吸收黄绿色的光。事实是否这样？教师展示已有的实验数据：Ti(H2O)63+在可见光区波长500~600nm范围内有大的吸收峰，证实学生的猜测。趁此，教师追问为什么Ti(H2O)63+会吸收特定颜色的光？是我们刚才讲的什么现象？学生回答：d-d跃迁。教师进一步解释：一个原处于低能量的电子，进入高能量的轨道，必须吸收一定的光能，吸收光能的大小与分裂能有关(Δ=hv=hc/λ)，加强学生对这部分内容的理解。然后开放式引导学生思考宝石不同颜色的原因，培养学生分析问题、解决问题的能力。

5、结语

具有视觉冲击力的宝石图片，一下把学生的心吸引到教师设计的教学环节上，通过层层提问的方式引入晶体场理论课程，让学生的精力集中到知识点的学习上，在介绍这部分内容时始终穿插着对宝石颜色解释的内容，始终渗透运用概念解题方法和技巧，以增强学生分析问题、解决问题的能力，最终让学生得出宝石五颜六色颜色的科学本质是能级分裂导致的d-d跃迁，学生学习过程中探究欲望强烈、思维活跃，收到很好的教学效果。介绍完所有内容，再问为什么宝石会呈现不同的颜色，说的头头是道，学生说明学生已经基本掌握了这部分内容，并能很好的应用理论。

参考文献：

[1]陈小莉,吕俊芳,崔华莉.化学专业《无机化学》课程教学改革探索与实践[J].广州化工,2013,41(5):196-197.

[2]王薇,周宝晗,王杰,等.基于新生成长需要的无机化学教学改革研究[J].广州化工,2015,43(24):242-243.

[3]大连理工大学无机化学教研室.无机化学[M],北京:高等教育出版社,2006.

[4]罗红宇,王春生,廖尚宜.宝石中常见过渡金属离子致色的理论解释[J],岩石矿物,2004,23(2):177-180.

[5]杨洪英,王建国.宝石的致色与改色[J].材料与冶金学报,1996(3):201-205.

刘煊赫,吴静.晶体场理论有效教学的探索与实践[J].广东化工,2019,46(14):189+188.