基于计算化学的探究式共价键教学设计

针对共价键教学中存在的问题,探讨了将计算化学技术作为探究工具,引入到共价键探究教学过程中。通过共价键形成过程中轨道重叠程度、键长和体系能量变化等数据,深刻揭示共价键成键的本质,给学生专家级的探究体验。同时强调化学学科方法思想和知识准备的作用,使探究活动更具科学价值。     

共价键理论发展史及其教育价值

共价键理论是化学学科的核心内容,基于认识视角梳理共价键的发展史,将共价键理论的形成和发展分为4个阶段,现象阶段：初识物质结合方式;表征阶段：探索微粒结合过程;本质阶段：揭示共价键形成实质;发展阶段：解释物质结构与性质。共价键历史的发展阶段与教材的编排一脉相承,结合学生的认知发展,有以下教育价值：(1)凸显学科思想方法;(2)持续发展学生认识进阶;(3)促进学生素养形成。     

共价键稳定性的影响因素

虽然小分子中的共价键强度可以很方便地通过高斯计算而相当准确地得到,一些手册和数据库中也可以直接查出部分键能/离解能数据,但共价键的强弱变化的影响因素分析在化学教学中仍然显得非常重要。共价键的强弱与成键原子及其环境密切相关,其中成键原子因素主要包括原子半径、成键类型、成键轨道类型、相对论效应、电负性、成键数量、反馈效应和孤电子对效应,而成键环境因素包括键间张力效应、离域效应、次级化学键效应、诱导效应和位阻效应。在教学中,我们可以通过对化学键影响因素的分析帮助学生理解共价键键能的变化规律。本文分析了影响共价键强弱的主要因素,并介绍了这种分析思路在化学教学中的应用。     

以Orbital Viewer为辅助实施原子轨道和共价键类型的互动性课堂

针对学生对于无机化学的微观结构部分内容学习过程中枯燥、难以形象化的具体情况，本文介绍了系列利用Orbital Viewer为辅助进行互动性课堂的教学活动。通过在原子轨道、共价键类型等知识点进行互动性教学活动的实施，能够有效提升学生学习积极性与动机，并建立合理的微观结构模型，掌握原子轨道、共价键的真实结构，为进一步学习杂化轨道、分子轨道理论奠定基础。     

氧化石墨烯分离膜机械性能调控

氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)片层组装制备的分离膜,具有可调控的纳米通道和独特的分离性能,是一种很有前景的分离材料,但较差的机械性能制约了其实际应用。将活性分子、阳离子等粒子引入到GO膜的片层间,利用其与GO形成的稳定键合可提高GO膜的机械性能。本文综述了国内外在GO膜机械性能调控方面的研究进展。依据引入的粒子与GO成键的类型可分为共价键法和非共价键法,其中共价键法又分为大分子共价键法和小分子共价键法,非共价键法分为氢键法、π-π键法和离子键法。无论共价键法还是非共价键法都能显著提升GO膜的机械性能,其中共价键法对GO复合膜的增强效果优于非共价键法,大分子共价键法优于小分子共价键法。最后,阐述了现有方法存在的问题,并对未来的发展前景做出了展望。     

不同学生关于共价键概念表征深度的研究

以加工水平模型为基础提出了共价键概念表征的3个水平:表层水平、中等水平和深层水平。编制了相关调查问卷,对高一、高二和高三的169位学生开展了测查和定量分析,并以不同年级的部分学优生和学困生为对象展开了典型问题的定性分析,深入细致地讨论了不同类型学生在共价键表征深度方面的总体差异及在不同表征水平上的具体差异。     

石墨烯的功能化及其在储能材料领域中的应用

石墨烯是由sp~2杂化的碳原子紧密堆积成的单原子层二维碳材料,由于其优异的物理和化学性质被视为最有前景的新型材料之一。但由于石墨烯片层之间在范德华力的作用下易发生不可逆团聚,丧失其单层二维纳米片的结构特性,以及石墨烯表面呈现惰性状态,致使其与其他介质的相互作用较弱,难以均匀分散在极性或非极性的溶剂中,因而石墨烯的应用受到限制。对石墨烯进行功能化可以调控其分子结构、电子能级和化学性质,不仅可以有效抑制石墨烯的团聚而且能够改善其在溶剂中的分散性和稳定性,从而实现石墨烯基材料的多元化应用。本文综述了近年来共价键和非共价键功能化石墨烯以及其复合材料在储能领域的研究进展,并对功能化石墨烯的发展前景进行了展望。     

超分子聚合机理

与共价键聚合物由单体(M1)通过共价键连接不同,超分子聚合物是由单体(M2)通过非共价键连接而成的长链大分子。聚合包括分子聚合和超分子聚合。超分子聚合描述M2通过非共价键自组装形成超分子聚合物的过程,涉及氢键、π-π堆砌型和立体匹配等驱动力以及分子识别、协同性等特征,与M1通过共价键形成聚合物的过程(分子聚合)不同。为了理解超分子聚合物链结构形成机理,本文分析和讨论超分子聚合的三个主要机理:(1)线性链生长;(2)螺旋链生长;(3)拓扑链生长。     

以“科学和工程实践”视角分析高中化学教科书

以“科学和工程实践”的8大环节和学习者主体性2个维度建立模型,分析上海科学技术出版社出版的高中化学教科书中的实践活动。发现此教科书中的实践十分注重分析环节,能较好发挥学生主体性的环节有：科学实践中的分析解释数据环节;工程实践中的建模、计划、实施调查等环节。但总体上工程实践不足,无论科学实践还是工程实践,在提出问题、设计步骤这2个环节上学生过于被动。据此认为,在化学教科书实践活动的修改或教学优化上,应增强学生的主动性,除了要开展科学探究活动,也要适当增加工程设计等活动。     

氨基酸与钠离子非共价键相互作用的电喷雾质谱研究

实验研究中常常观察到钠离子与一些多肽或蛋白质有较强的非共价键结合能力,这种非共价键相互作用可能与生物的一些功能和活性有关。为了进一步了解这一结合作用,我们应用电喷雾质谱研究了常见的20种氨基酸与钠离子在溶液中的非共价键相互作用。实验研究中发现脯氨酸和苯丙胺酸与钠离子有较强的非共价键结合能力。     

共价键连卟啉-富勒烯化合物的研究进展

共价键连卟啉-富勒烯化合物由于在模拟生物体光合作用、光化学反应以及太阳能电池等领域中的重要作用而受到学术界的关注。本文介绍了共价键连卟啉-富勒烯化合物的合成方法、分类以及在模拟光合作用和光伏电池上的重要应用。     

超分子聚合物复合材料及其自愈合行为

超分子聚合物复合材料定义为纤维、填料等增强体均匀分散在超分子聚合物基体中的复合材料。根据超分子聚合物与增强体之间化学键连接的不同可分为三种类型:(1)无化学键;(2)共价键;(3)非共价键。超分子聚合物复合材料与分子聚合物复合材料共同组成了完整的聚合物复合材料体系。本文综述可自愈合的氢键、π-π堆叠和金属配位型超分子聚合物复合材料的研究进展。     

凸显“本质联系证据推理”的离子键与共价键教学

针对离子键与共价键在教学中存在本质分离、联系割裂和忽视“证据推理”素养发展目标的问题,依据元素周期律中金属性和非金属性的递变规律进行推理,并寻找证据进行证实或证伪,以认清离子键与共价键的静电作用的成键本质和辩证统一的关系,发展学生证据推理的核心素养,提高学生的逻辑思维能力。     

稀土夹心化合物的SCF-Xα-SW研究 Ⅲ.(Cp~2YbCl)~2和(Cp~2ErH)~2

用SCF-Xα-SW 方法非相对论和相对论方案计算了稀土桥键夹心化合物(Cp~2YbCl)~2和(Cp~2ErH)~2能级,轨道等值图形,布居数等的研究表明,(Cp~2YbCl)~2和(Cp~2ErH)~2的共价键比Cp~2Yb和Cp~2YbC~2H~2强而与Cp~3Sm和LnF~3相近. 证实了三价稀土化合物共价键比二价化合物强, 桥键氢原子较小的原子半径和价轨道单位相性质,使氢桥化合物(Cp~2ErH)~2形成比氯桥化合物(Cp~2YbCl)~2更强的共价键,非相对论和相对论计算能级结构,价轨道成分,成键图象等方面的差异, 表明了研究重稀土化合物考虑相对论效应的必要性     

生物分子间非共价键复合物的质谱研究

生物分子间非共价键复合物,存在于每个细胞的生命活动过程中,在细胞的结构和功能中起重要作用.干扰了这些复合物会导致疾病的发生.因此对生物分子间非共价键复合物进行广泛的研究,将能深入了解正常的生理生化过程和一些疾病的致病机理.     

碳纳米管在药物和基因转运领域的研究进展

当前,国内外的许多研究小组都致力于开发出新型有效的药物和基因转运系统,用于改善多种治疗因子的药理学作用并降低其毒性。在纳米材料这一类中,碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）正逐步引起人们的关注。功能化的CNTs的两个关键优势在于它具有很强的细胞穿透能力和较低的细胞毒性,使其在药物和基因转运领域中的应用成为可能。CNTs可通过形成稳定的共价键或形成以非共价键为基础的超分子结合物来运载肽类、蛋白质、核酸和药物等活性分子,并将其运送至特定的组织、器官中以表达特殊的生物学功能。针对这一研究热点,本文综述了近几年国内外关于碳纳米管在药物和基因转运领域中的应用进展,并探讨了其毒性,以期为这一领域中的研究工作者提供参考。     

碳纳米管在药物和基因转运领域的应用

当前国内外的许多研究小组都致力于开发出新型有效的药物和基因转运系统,用于改善多种治疗因子的药理学作用并降低其毒性.在新型纳米材料中,碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)正逐步引起人们的关注.功能化CNTs的两个关键优势在于它具有很强的细胞穿透能力和较低的细胞毒性,使其在药物和基因转运领域中的应用成为可能.CNTs可通过形成稳定的共价键或形成以非共价键为基础的超分子结合物来运载肽类、蛋白质、核酸和药物等活性分子,并将其运送至特定的组织和器官中以表达特殊的生物学功能.针对这一研究热点,本文综述了近几年国内外关于碳纳米管在药物和基因转运领域中的应用进展,并探讨了其毒性,以期为这一领域中的研究工作者提供参考.     

共价键的离子化

本文用化学键理论分析和推导了共价键离子化的几种方式,包括金属和非金属单质中共价键的诱导离子化、化合物中共价键的降温和自诱导离子化以及含氢化合物和金属化合物的诱导离子化。从能量角度分析了离子化趋势的规律性,并且讨论了共价键的离子化的一些重要应用。     

聚烯烃共价键接枝纳米材料及其聚烯烃纳米复合材料

聚烯烃纳米复合材料为聚烯烃材料带来广阔的性能提升空间,其研究开发工作引起了人们的广泛关注。聚烯烃共价键接枝纳米材料在制备高性能聚烯烃纳米复合材料方面有重要应用。接枝聚烯烃提高了纳米材料与聚烯烃基体之间的相容性,提供良好的界面作用力,从而有效促进纳米材料在聚烯烃基体中均匀分散、极大提高了聚烯烃纳米复合材料的相关性能。三种途径可以用来制备聚烯烃共价键接枝纳米材料:Graft-onto、Graft-from、Graft-through。Graft-onto方法是端基或侧基功能化聚烯烃与纳米材料表面活性基团或碳结构进行接枝反应的过程。由于功能化聚烯烃具有高度反应活性且方便得到,Graft-onto方法占据了制备聚烯烃共价键接枝纳米材料的主流。Graft-from和Graft-through方法中聚烯烃接枝过程即为烯烃聚合过程,实施较为困难,因而文献报道相对较少。本文对聚烯烃共价键接枝纳米材料的制备及其相应的聚烯烃纳米复合材料的最新研究进展进行了综述,着重讨论了聚烯烃接枝对聚烯烃纳米复合材料性能的影响。所涉及纳米材料包括二氧化硅(零维)、碳纳米管(一维)和石墨烯(二维)。     

蛋白质与高分子的自组装

蛋白质是一类具有独特三维空间结构的生物高分子,其分子内部非共价键协同作用是形成三维空间结构的重要驱动力。同时,蛋白质分子与其他高分子之间也可以通过非共价键作用实现自组装。高分子链和蛋白质的结构特征是实现自组装的关键,溶液pH值、离子强度以及温度的变化会影响它们之间非共价键作用的类型和强度。本文归纳了水溶性高分子、嵌段共聚物和多糖与球状蛋白自组装的最新研究进展,分别从分子结构特征和溶液性质等因素讨论了其对高分子与蛋白质实现自组装的影响。其中,多糖与蛋白质的非共价键作用是化学与生物科学交叉领域最为活跃的研究课题之一,通过研究蛋白质与其他高分子的非共价键作用,对于理解和认识生命过程的本质与规律具有重要的意义,同时,在材料科学、纳米技术、食品科学等相关领域具有重要的应用价值。