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化学的韵味
2017-05-15 22:56

【博主按】本文应《拓风》200周年校庆特刊·纪年而作。文中分子的三维模型均由笔者采用3ds max+Cult 3D软件设计制作。

 

化学教学如品陈年老酒一般,年岁的增长,更能品出别样的芬芳。

那就先说一个品酒的故事,与诗人歌德(图1)有关,每每讲到酒的酿造原理都会想到它。

不同年份的葡萄酒品质是天差地别的,而年份的好坏,最大差别在于其日照数、降雨量及平均温度。其中影响最大应属日照,葡萄的生长季节及熟成时期均需阳光的照射,有适当的阳光照射,才会使葡萄成熟到糖分与酸度达到最佳的均衡状态,而糖分与酸度的均衡与否,则是决定葡萄酒是普通、优秀或特优的主要因素。

1  剧作家、诗人、思想家歌德

有了这个背景,可以开始歌德与朋友的对话。

朋友:如果你的余生要在荒岛度过,只允许带三件东西,你会带哪三件?

歌德:一本诗集,一瓶葡萄酒,一个绝色美女【众人笑之】。

朋友:如果要抛弃一件呢?

诗集!”歌德毫不犹豫回答【众人大笑】。

朋友:如果只允许留一件呢?

我问学生:你们会选什么呢?议论中有人选葡萄酒,有人选美女,我摇摇头:这不是歌德——

歌德:那就得看它们的年份啰!”

【沉默1秒,众人赞叹笑之!】

这是歌德的幽默,更是歌德的智慧。

 

 

木心(图2)先生也有这样的智慧。

高二化学《物质结构与性质》模块讲到氢键理论,结尾时我用氢键解读木心先生有关红楼梦诗词妙论:“《红楼梦》中的诗,如水草。取出水,即不好。放在水中,好看。”

记得2013年夏天回到故乡,老房早已衰败,只留无人使用的古井,童年喝着这口井水长大,水井居然长着一株美丽的水草!(图3)想到木心先生的话,我惊呆了,那是我美丽童年的模样!

也见过科班出生人士评价红楼梦诗词:“《红楼梦》的诗词曲赋既在故事之中,又具叙事功能,无法分割出来。”语言逻辑性强了,却不漂亮,没有灵性。

2  画家、作家、诗人木心

3  《红楼梦》中的诗,如水草。取出水,即不好。放在水中,好看。

 木心妙论的灵性在哪里?我买了个关子,看着学生渴望的眼神,我缓缓说道:“相对于生长在空气中的植物,水草别致的美在于水分子与水草植物纤维素分子上的羟基存在额外的、强大的、神秘的氢键!这种作用与DNA的双螺旋结构是由两条DNA分子中的碱基通过氢键配对的作用力相同,从而更富有生命的灵性与韧性……话没说完,掌声雷动,一中的孩子哟,无需我更多的解释。

当然写成文章允许我再解释一下:氢键是一种特殊的分子间作用力,本质是什么迄今未完全吃透,只有少数含有特别结构特征原子的分子如水分子、氨分子、氨基酸分子等才能形成氢键,值得注意的是许多能形成氢键的分子大都与生命活动有关。氢键强度弱于化学键但强于范德华力,故其兼备强度与韧性,因而成为生命体内许多大分子结合的基本作用力,没有氢键就没有生命!没有氢键水将呈气态而不是液态,生命就随“风”而去。

或许诸位会问:“木心不会想到氢键吧?”看木心先生的《文学回忆录》,涉及的远不啻文学,尚有哲学、历史、宗教、美学、艺术、心理学等,木心用个性鲜明的宇宙观、世界观、人生观娓娓道来,全书布满警句、断语、妙谈,虽有时未必靠谱,却充满启迪性。木心仿佛是打通“任督二脉”扫地僧(见金庸《天龙八部》),修炼到这层境界,文学与其他学科或许有了通道。

 

 

说起“任督二脉”,我不禁想到“阴阳八卦图”,并用它解读铝的两性。

金属铝单质、氧化铝及氢氧化铝既能溶于酸,又能溶于碱(而其它金属单质及其氧化物、氢氧化物通常只能溶于酸,不溶于碱),这就是铝的两性问题,它是中学元素及其化合物性质中比较独特的章节,也是元素周期律形成的关键环节,对揭示事物的两面性,培养学生辩证的思维具有重要的作用(图4)。

4  铝的两性

中国的阴阳学说最初意义是指日光的向背,向日为阳,背日为阴。我国古代思想家认识到一切现象(天地、日月、昼夜、阴晴、寒暑、水火等)都具有正反两个方面,就用阴阳这对概念来解释自然界两种对立和相互消长的势力。《老子》提出:“万物负阴而抱阳”,认为任何事务都存在着阴与阳的矛盾,而阴阳二气又处于一个统一体之中;《易经》提出“一阴一阳之谓道”的原则,把阴阳概念上升为“范围天地”、“曲成万物”的最高哲学范畴,成为关于解释天地万物和宇宙原型的体系,形成比较系统完整的阴阳学说。

 伏羲先天八卦太极图(5是阴阳学说的直观表达四周有乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑的八个部分称为八卦,分别代表天、地、雷、风、水、火、山、泽八种基本自然现象,象征宇宙万物,由八卦可以演变成六十四卦乃至一百二十八卦。

中间的核心部分是具有黑暗的阴(黑色)和明亮的阳(白色)的对称图案,表示任何既对立又统一的矛盾双方,俗称阴阳鱼。矛盾对立的每一方称为一个极。两级之间能动地联系在一起而形成对称的布局,但这种对称不是静态的,而是表示一种循环运动,黑白两部分形成互补图像,表明阴阳两级既相互对立,又相互依存,任何一方都不能脱离对方而单独存在。阴在下方最盛,而阳逐渐增多;阳在上方最盛,而阴逐渐增多,“阳还终始,阴极返阳。”图中的两个圆点象征着这样的概念,就是每当这两种力量中的一方达到自己的极端时,在其中就已经有了它的对立面的萌芽。

5  伏羲先天八卦太极图

依此我设计一个“铝的阴阳八卦图”(图6):

6  铝的阴阳八卦图

图中白色表示阳离子Al3+,黑色表示阴离子AlO2-Al3+AlO2-是相互对立,因为Al3+只能稳定存在酸性溶液而不能存在碱性溶液中,而AlO2-只能稳定存在碱性溶液而不能存在酸性溶液中;但二者却又能在一定条件下相互转化:Al3+4OH-AlO2-2H2O AlO2-4H+Al3+2H2O,故Al3+AlO2-又必须相互依存,任何一方都不能脱离对方而单独存在,因此只有将二者并协在一起,才能得到对铝的两性的完美认识:Al3+3AlO2-6H2O4Al(OH)3↓(合二为一),当课堂上将二种盐混合在一起产生白色沉淀氢氧化铝后,学生眼中满是敬佩的眼光和热烈的掌声!

我趁热打铁:“所以当一个人春风得意时,应居安思危;但若是“山穷水复疑无路” 时,应该学会坚持,或许有“柳暗花明又一春”呢,这就是“铝性人生”。

   

 

用人文情怀解读化学,从来是我一贯的选择,就像在解读富勒烯分子结构时感想那样。

富勒烯人们不再陌生:富勒烯即C60分子,是一种由60个碳原子构成的分子,球面由 12个五边形和20个六边形构成(图7),1985年由英国克罗托、美国柯尔和斯莫里等科学家发现,它是人类发现的碳元素的第三种同素异形体,这种分子很稳定。1996年发现它的克罗托、柯尔和斯莫里三位科学家荣获诺贝尔化学奖,瑞典皇家科学院的新闻公报称此项发现开辟了化学研究的新领域,对宇宙化学 、超导、材料化学和材料物理的研究具有重大意义。

7   富勒烯的分子结构模型

随着研究的深入,日本大泽映二预言:有一中双重构造的球形多面体分子的存在,即在C60外面再出现一层与它同心的但更大的Si60球形多面体分子,形成了一种“球中球”,C60球与Si60球之间以共价键相连,而且二者不会粘连在一起(图8-a)。   

“球中球”曾出现在古老中国的传统工艺品中,被称为镂雕,又称透雕,可以透过外面的球看到里面的球,最常见的是用象牙或玉石雕成的“球中球”(图8-b)。

8-a   C60Si60构成的“球中球”                     8-b  中国的传统工艺品——镂雕

19933月,瑞士科学家佑伽特在美国物理学会年会上宣告,结构更加奇特的“布基洋葱”(图9-a)已由他们制成。所谓“布基洋葱”实际上是一种多层封闭碳笼。光谱分析表明,星际尘埃的主要部分原来就是“布基洋葱”(图9-b)。

    9-a  “布基洋葱” 示意图                                 9-b  星际尘埃的主要部分是“布基洋葱”

瑞士极限风格建筑设计大师赫尔佐格和德穆隆为北京2008年夏季奥运会设计的主体育馆——国家体育场(图10-a)外观就像一个宋代的冰裂纹哥窑鼎(图10-b)。

10-a  国家体育场                                                            10-b  宋代冰裂纹哥窑鼎

请诸君注意这样一个问题:从凯库勒梦中飞舞的“火龙”到苯的分予结构;从蒙特利尔世博会薄壳建筑到富勒烯;从镂雕到C60球与Si60构成的“球中球”;从“布基洋葱”到星际尘埃;从宋代的冰裂纹哥窑鼎到北京2008年夏季奥运会主体育馆——国家体育场,为什么大自然创造的这些微观结构与人类创作的宏观建筑或工艺品有如此惊人的相似之处呢?

我在很长的一段时间内对此问题苦思冥想,毫无结果,有一晚在看中央电视台的《人与自然》节目时茅塞顿开:人, 也是大自然长期进化的产物!故宏观艺术作品与微观物质结构留给我们的恐怕不仅仅是惊人的相似,更是我们探索微观物质结构的灵感和源泉!

11-a  完美对称的富勒烯分子                                   11-b  完美对称的人

富勒烯分子是迄今为止呈现出最完美对称状的分子之一(图11-a),人亦如此(图11-b)!你看,人的两只眼睛是在同一水平线上的,所以对人应该一视同仁;人的两只耳朵是左右对称的,所以不可偏信一面之辞;人的鼻子有两个鼻孔,所以千万别随他人一个鼻孔出气;人只有一张嘴,不可说两面话;人虽然只有一颗心,却有左右两个心房,所以不能只为自已作想,也应该为他人作想。果真如此,或许我们更靠近天人合一的自然最高境界;果真如此,或许更有助于我们探索和发现未知世界的奥秘,因为——

比大地更广阔的是天空,比天空更广阔的是人的胸怀!

 

 

2012届学生毕业纪念册上看到学生给我的留言:“从来没有哪个老师能够像你这样将学科知识与人生哲理如此完美地结合在一起,您独到的人生观与气质世界上的任何人都无法复制……”

直到写这篇文章前都没机会回复这则令我汗颜的留言,我想说,亲爱的同学们,正是你们对自身素养的不断追求给了我品读化学的无限动力!

来吧,一起来尝尝化学的韵味!

分类:美丽化学 | 阅读(2174) |评论(0)
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