分子对称性教学方法探究_李艳妮.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023分子对称性教学方法探究李艳妮,杨艳华,高树林(昆明学院化学化工学院,云南 昆明 650214)摘 要:分子对称性是结构化学教学的重点与难点之一。在教学过程中,首先使用简单的几何图形帮助学生掌握基本对称操作(旋转、反演和反映)和对称元素,然后再使用学生自制的分子球棍模型对学生较难理解的反轴和映轴的相关知识点进行讲授,而对于更抽象的结构则使用 GaussView 软件辅助教学。三种教学工具结合使用,可以做到由浅入深,循序渐进,既能够调动学生学习的积极性和主动性,更能活跃课堂气氛,提高教学效果。关键词:分子对称性;教学研究;几何图形;球棍模型;GaussView 软件中图分类号:G420;O641 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0281-03 基金项目:昆明学院化学化工学院“课题思政”示范课 结构化学研究成果然;云南省科技厅科技计划项目(2018FH001-018)。第一作者:李艳妮,女,讲师,主要从事化学教学与理论计算。通讯作者:高树林,男,副教授,主要从事化学教学与理论计算。Exploration on Teaching Method of Molecular SymmetryLI Yan-ni,YANG Yan-hua,GAO Shu-lin(School of Chemistry and Chemical Engineering,Kunming University,Yunnan Kunming 650214,China)Abstract:Molecular symmetry is one of the emphases and difficulties in the teaching of structural chemistry.In theteaching process,simple geometric figures were used firstly to help students master the basic symmetry operations(rotation,inversion and reflection)and symmetry elements.Then the ball-and-stick models made by students themselveswere introduced to assist students to understand the knowledge of rotary-inversion axis and rotary-reflection axis,whichwas usually beyond their understanding.As far as more abstract molecules were concerned,GaussView software was agood choice for teachers.In a word,the combined practice of the three teaching tools,which is from the shallower to thedeeper and step by step,proved to be effective.The three methods can not only inspire the enthusiasm and initiative ofstudents in learning,but also activate the classroom atmosphere and improve the teaching effects.Key words:molecular symmetry;teaching research;geometry graphics;ball-and-stick models;GaussViewsoftware分子对称性是本科院校化学专业必修课程结构化学中的重要部分1-3。分子对称性的学习,不仅可以简明地表达分子结构,简化分子结构的测定工作,而且可以帮助化学工作者正确了解分子的性质,指导化学合成工作2。通过相关内容的学习,要求学生掌握常见分子的空间构型,借助对称元素来判断分子的点群,进而从对称性角度分析其结构特点及可能具有的性质4。在教学中,由于分子对称性部分涉及较多原子位置的变换,需要有较好的空间想象能力,无论对学生还是授课教师都是很大的挑战5。在早期课堂教学中多使用分子球棍模型来进行讲授,球棍模型直观、形象,但原子体积较小,后排学生无法看清楚,课堂演示效果差。在后来的教学中采用软件辅助教学,使分子对称性相关内容的学习取得了很好的效果4-5。本文作者通过几年的教学发现使用简单几何图形、球棍模型和 GaussView 软件相结合,可以使抽象复杂的分子对称性教学内容变得形象、直观,能够帮助学生快速地找到目标分子的对称元素,进而确定其点群。1 三种教学方法浅谈1.1 通过简单几何图形引入分子对称性的学习图 1 六种平面几何图形Fig.1 Six kinds of plane geometry graphics282 广 州 化 工2023 年 1 月请学生自己动手绘制三角形、矩形、正方形、正五边形、正六边形和圆这 6 种平面图形(见图 1),并对顶点和边的中点进行编号,为了便于讲解,编号尽量一致。在讲解旋转轴与旋转操作时,可以借助图形,师生一起完成旋转与复原的操作。在教学过程中可以先举一个例子,然后采取提问、启发和讨论等方式进行讲授。如,BF3分子可以抽象成正三角形,硼原子为三角形的中心 O,三个 F 原子为三角形的顶点 1,2 和 3。当以通过三角形的重心 O 点垂直于正三角形平面的轴逆时针旋转 120时,顶点 1 旋转至原来顶点 2 的位置,顶点 2 旋转至原来顶点 3 的位置,顶点 3 旋转至原来顶点1 的位置,三角形边的中点也依次变化。可以得到三角形旋转操作的基转角为 120,主轴为 C3,旋转 120的整数倍都可以让图形复原。然后,提问除了 C3轴,正三角形(BF3分子)还有没有其它旋转轴。在图中数字编号和字母编号的启示下,学生很快就可以找到与 C3轴垂直的三条 C2轴,即三条 B-F 键的轴线。接下来,请同学们通过分小组讨论,总结出其它 5 种图形的基转角、主轴和副轴之间的关系。在镜面和反映操作的教学过程中,几何图形的作用更大,如正五边形的 v,只要沿顶点 1 和中点 C 对折,图形的左右两部分重合,说明通过 1C 连线有一镜面且通过 C5旋转轴,这样的镜面有 5 个。正五边形平面本身就是垂直于 C5轴的镜面(h)。对于学生较难理解的通过主轴同时平分相邻 C2轴夹角的镜面 d,在平面图形中,这个镜面与 C2轴重合,在正五边形中,如果把 1C 看成是镜面,3E 和 4A 看作两条相邻的 C2轴,可以直观地看出镜面正好平分两条相邻的 C2轴,所以该v也是 d。然后,将正五边形做上下底面,从二维图形过渡到三维的正五棱柱,启发学生联系完全重叠式的二茂铁分子构型,进一步认识和理解 v、d、h、主轴 C5和垂直于主轴的C2轴之间的关系。而相对简单的对称中心和反演操作则可以通过边数为偶数的正多边形和圆进行讲授,着重强调偶次轴、与偶次轴垂直的镜面及对称中心的关系。如,以苯分子为例,苯环上的六个氢原子正好构成一个正六边形,可以将六个氢原子依次编号为 1 6,苯环的中心编号为 O,与图 1 中的正六边形的编号一致。可以看出,将 1 号氢原子与 O 点相连,反向延长,在与1O 等距离处找到 4 号氢原子。同理,2 号氢原子(或 3 号氢原子)经对称中心 O 点反演找到 5 号氢原子(或 6 号氢原子)。在苯环分子中,主轴为 C6旋转轴(偶次轴),且主轴通过对称中心,那么必然存在一个通过对称中心垂直于该轴的镜面 h,即分子平面。采用图形教学,简单、直观,不仅可以帮助学生轻松掌握三类基本对称操作与对称元素,而且可以通过简单总结加深学生对对称元素的组合规律(两个旋转轴的组合、两个镜面的组合和偶次轴和与它垂直的镜面的组合)的认识。1.2 简单球棍模型的制作与使用球棒模型是一种空间填充模型,用来表现分子的三维空间分布,在此模型中,棍代表共价键,可连接以球型表示的原子中心6-7。球棍模型可以直观、形象地将分子构型呈现给大家。请学生用橡皮泥或超轻粘土制作不同颜色、不同体积的彩色小球来表示不同的原子,可以用牙签或竹签来代表共价键,制作H2、HCl、H2O、H2O2、NH3、BF3、甲烷和乙烷等原子数较少却能代表某个点群的分子(部分模型见图 2)。通过亲手制作分子模型,可以加深学生对分子中原子空间分布的认识,并从三维角度对旋转、反映、反演三类对称操作和对称元素进行复习,加以巩固。在此基础上,使用甲烷分子模型对旋转反演操作和反轴、旋转反映操作和映轴进行讲授。由于学生都有分子模型,使得这部分内容的教学也变得相对容易,只要让学生以HCH 夹角的角平分线为旋转轴,先旋转 90,再以垂直于该轴的镜面进行反映操作或以 C 原子为对称中心进行反演操作,即可使分子复原。CH4分子中并没有 C4旋转轴,仅存在 C3和 C2旋转轴,这说明分子中存在映轴 S4或反轴 I4。图 2 自制球棍模型Fig.2 Self-made molecular ball-and-stick models通过自制的简单几何图形和球棍模型,可以使学生相对容易地掌握分子对称性涉及的五类对称操作和对称元素,及元素之间的组合规律,为后续更复杂的分子体系对称元素的指认和分子点群的确定做准备。1.3 GaussView 图形软件辅助教学在简单的几何图形和球棍模型的帮助下,学生对旋转轴、镜面、对称中心等对称元素有了清晰而直观地认识,也可以对简单分子的点群进行较快地判定。但是当分子中原子的数目和种类增加,分子结构变得十分复杂时,上述两种教学方式就显得有些局限。此时,GaussView 图形软件可以为分子对称性的学习提供帮助。GaussView 本质上是球棍模型的再现,只用简单地操作就可以构建出所有的分子结构,并能通过旋转等操作将分子中原子的连接方式向学生展现。尤其是 GaussView 中“Point Group(点群)”工具,不仅可以帮助学生检查指定分子所属点群的判断,更可以直观形象地告诉学生等价原子的位置。下面以完全交叉式乙烷的 D3d点群为例来介绍 GaussView辅助分子对称性的学习。图 3 乙烷分子的构型及点群Fig.3 The configuration and point group of ethane molecule第 51 卷第 2 期李艳妮,等:分子对称性教学方法探究283 打开 GaussView 软件,画一个乙烷分子,点击菜单栏“Edit”下拉菜单中的“Point Group”,并在弹出的界面上“Enable point group symmetry”前面的对话框(见图 3)中打钩,显示当前的乙烷分子的点群为 C3,子群为 C1。将“Constrain tosubgroup”设为 C3,当使用“Detate Atom”工具去删除编号为2 的氢原子时,编号为 3 和 4 的氢原子同时被删除,说明编号为 2、3 和 4 的氢原子是等同的,C1-C5 键轴是分子的 C3旋转轴。在“Tolerance”为0.01 的情况下,完全交错式的乙烷分子是 D3d点群,点击“Symmetry”按钮,则当前分子的点群变为D3d,“Constrain to subgroup”下拉列表中子群的数目变多,有C1、Ci、Cs、C2、C2h、C3、S6、C3v、D3和 D3d。将子群设为Ci,用“Detate Atom”工具去删除编号为 2 的氢原子时,编号为 7 的氢原子同时消失,说明在 C1-C5 键轴的中点有一个对称中心