《中学化学教学参考》 发表于 2010 年第 10 期
第1页
从鸡蛋清的粘性流动想到的
— 化学学习中的想象力
江 敏 南京市金陵中学 （210005）
摘要 结构决定性质不仅反映出本质与现象的联系，而且也体现出化学研究
中的重要思想方法。在化学教学中有意识引领学生从宏观现象的观察入手，借助
想象的力量理解微观结构的特征，这将有助于学生的观察能力、理解能力和创新
能力的发展。
关键词 想象 联系 理解 创新
《科学》杂志上曾经刊登过这样一组图片：将手背上的一块 1cm
2
的皮肤采
用以 10 的数量级逐级放大的方法，只经历了 9 次放大的过程，就能够从最初的
表皮、细腻的皮肤细纹、细纹变为粗大的裂缝、裂缝变成深深的“沟壑”、表皮
细胞、细胞核、出现 DNA 的链型分子、清晰的 DNA 双螺旋结构、直至 DNA 分
子中聚集着的原子
[1]
。这组根据对不同尺度下的皮肤组织和细胞结构的了解所描
绘出的静态图片，通过想象将这些图片连缀起来，给人们带来了一种动态的、超
越空间的视野，宏观的表面现象与微观的结构之间建立了一种神奇的内在联系。
微观的结构决定物质宏观的性质是化学学习中的核心观念之一。但是由于课
本侧重于陈述的是化学学科中的具有规律性的知识，所以一般关注的是静态结构
与性质之间的联系。而在化学知识的形成过程中最生动、最富有想象力的思维过
程，在教材中就较少的得以呈现。
因此，在化学教学中，作为教师能够有意识地引领学生关注实验过程中所表
现出的形态变化，通过想象就成为理解物质的微观结构特征的切入点，让学生在
学习化学的过程中感受想象的乐趣、体验化学知识和概念产生的真实背景、形成
科学的思维方法，这对学生今后的长远发展是有益处的。
以下即是以观察蛋白质的粘性流动的为例，引导学生展开合理的想象，进而
理解蛋白质的高分子化合物的性质。并以此为契机，在不同的教学阶段，对不同
事件展开讨论与分析，促进学生的理解与创造能力得到成长的教学实例。
《中学化学教学参考》 发表于 2010 年第 10 期
第2页
1 在想象中，形成宏观性质与微观结构的联系
这是关于《蛋白质》知识学习的教学片断。上课伊始，教师取出一枚鸡蛋，
将蛋壳在烧杯边缘轻轻磕开，并将蛋清缓缓地流入盛有水的烧杯之中。随之教师
提出这样的问题，从以上的实验过程中，我们观察到哪些现象？
蛋清是浅黄色的（近于无色的）、透明的、粘稠的液体，因为蛋清沉入水底，
所以其密度比水重。学生的回答忠实地表述了对实验的观察，至此可以得出对蛋
白质的颜色、密度、水溶性、粘稠度等物理性质的判断。以往我们的教学一般也
就仅至于此，其实在这里粘度与分子的微观结构之间的关系，被我们忽略了。
在教学活动中，教师引导学生结合生活经验，从宏观的角度理解微观分子
的行为。是否经历过分别将一碗米粒和一碗面条分为两份的情形？米粒会很容易
地伴随倾倒动作的停止而顺利地分为两份。但是如果将面条分为两份，当用筷子
夹住面条，将其分至两个碗中时，就会由于面条之间的拖带作用，使得面条在两
个容器之间的转移总有彼此牵扯的现象。同样，将水从烧杯中倾倒入试管，当人
们作出停止的动作时，水流也会戛然而止，从而得到适当体积的水；然而如果将
蛋清从烧杯中转入试管，当人们做出同样的停止操作时，蛋清往往会因为粘性而
不能适时终止流动，而使取用的蛋清的体积比预想的要多。以此类比，可以想象
水是颗粒状的小分子而蛋清则是长链型的大分子。
面对所观察到的蛋白质粘稠流淌的现象，同学们恍然领悟到蛋清所具有粘
稠性质的背后，反映出的是蛋白质长链型的高分子化合物的本质，而且这些长链
型的分子是柔软的、是在不停地自由蠕动着的。也就是说，在蛋清的粘性流动的
过程中，同学们可以自豪地说，我们“看”到了蛋白质是一种高分子化合物。
在此，将宏观物体的性质类比于微观粒子的行为中所展现出的想象力帮助学
生将宏观的实验现象与微观的蛋白质大分子形象联系在了一起，这种体验的过程
是如此之奇妙，以至很长时间以后，回忆起当时的学习情境，同学们依旧感到神
奇而又兴奋。
以物质宏观性质的认识为基础，通过想象，同学们建立起微观结构与宏观性
质之间的联系。带着这样的眼光，同学们发现他们看世界的眼光发生了改变。加
热硫粉至熔化，慢慢将其倾倒入水中，形成弹性硫，他们能够理解分子的结构在
《中学化学教学参考》 发表于 2010 年第 10 期
第3页
此已经发生改变，从原有的环型分子（
S
S
S
S
S
S
S
S
）变成了较为长链型分子
（
S
S
S
S
S
S
S
S
）。加热蔗糖会逐渐变成糖稀，随着蔗糖熔化后，在加热
过程中熔融液的粘度逐渐增强，他们可以想象，是否是蔗糖分子间脱水，形成长
链型的分子。同样淀粉溶于水以后形成的粘稠的糊状物，也能使同学们联想到淀
粉的大分子形象，及至他们能够进一步理解前人用米汤、蛋清在建筑古城墙的过
程中作粘合剂的意图，油然而起的是人类祖先的生活经验和化学物质的属性在此
就产生了巧妙的结合。
2 在想象中，想象力与逻辑思维相得益彰
这是另一个同样与物质的粘度有关的研究与学习的过程。问题的提出是从第
二周期和第三周期非金属元素含氧酸盐（或含氧酸）的组成进行有序的排列与比
较开始的：
第二周期 Na
2
CO
3
NaNO
3
第三周期 Na
2
SiO
3
Na
3
PO
4
Na
2
SO
4
NaClO
4
从中可以发现，第二周期非金属元素的含氧酸盐的氧配位数一般都是 3，而
第三周期非金属元素的含氧酸盐的配位数为 4。受学生的认知水平所限，对上述
问题的解释，可以从更为直观的原子几何学因素（即原子半径）的角度加以解释。
如果说含氧酸盐（含氧酸）的中心元素原子的 O 配位数与中心原子的半径有关，
由于第三周期的同主族元素的原子半径比第二周期的较大，这样在中心元素的原
子周围可与容纳更多的氧原子。这就很容易理解第三周期非金属元素含氧酸盐中
氧配位数（配位数为 4）比第二周期非金属含氧酸盐中氧配位数（配位数为 3）
要高的原因。
但是细心的同学会说，难以理解的是，在第四周期中 Na
2
SiO
3
中 Si 原子的
O
C
-
O O
-
O
P
O
-
-
O
-
O
O
S
O
-
-
O
O
O
Cl
O
-
O
O
O
N
O
-
O
图 1 第二周期的含氧酸结构中，O 原子数均为 3，而第三周期的含氧酸结构中，
O 原子数均为 4。依据同周期含氧酸盐的结构硅酸盐的组成似乎应该是
Na
4
SiO
4
，而实际上是 Na
2
SiO
3
。
-
O
Si
-
O
O
-
O
-
《中学化学教学参考》 发表于 2010 年第 10 期
第4页
配位数为什么是 3 呢？实际上在第四周期的上述非金属元素中，Si 的原子半径恰
恰是最大的。
严密的逻辑思维导致学生问题的产生，同时也可以发现学生对 Na
2
SiO
3
组成
与结构的认知，是建立在一般如 Na
2
CO
3
等含氧酸盐的概念图像基础上的。
为引导学生在积极的学习活动中解决上述问题，教师组织学生通过一组对照
实验的观察，展开对以上问题的讨论。即：向一试管中倒入约 5mL Na
2
CO
3
溶液，
向另一试管中倒入约 5mL Na
2
SiO
3
溶液。实验中，同学们再次体验到 Na
2
SiO
3
溶
液的粘度。
对粘度性质与微观粒子结构的联系，可以引发学生对链型的分子或离子的想
象。如果以原硅酸为出发点，经过逐步的分子间脱水，首先就可以形成一维的线
形分子。
观察此线性的一维分子结构，同学们惊奇地发现在原硅酸分子逐个脱水的过
程中，虽然分子在逐渐增长，但是每个 Si 原子周围的 O 原子数始终保持着 4。
这就是说，人们从元素原子的几何学因素的角度建立的相关思维模型，在解释并
预言了含氧酸的组成方面的结论仍然是正确的。同时随着链的增长，物质的粘性
也就逐步得到解释。在此同学们感受到原子在构成物质世界过程中的那种内在的
统一性。
再次观察线性的一维分子结构，可知分子结构中存在着不断重复的结构单
元，其组成即为 H
2
SiO
3
，其相对应阴离子为 SiO
3
2-
，钠盐的化学式即为 Na
2
SiO
3
[2]
。
至此，通过以上的细致的观察、严谨的思维和合理的想象，已使同学们逐渐
理解在 Na
2
SiO
3
溶液中，其电离出的阴离子（SiO
3
2-
）不再是一个简单的由 SiO
3
2-
HO Si
OH
OH
OH
分子间脱水
HO Si
OH
OH
O Si O Si O Si O Si O Si O
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
图 2 原硅酸的逐级脱水产物中，Si 原子周围的 O 原子的配位数始终是 4。
极值思想
HO Si
OH
OH
O H
n
H
2
SiO
3
Si
O
Si
O
Si
O
Si
O
Si
O
Si
O
Si
O
Si
O
Si
O
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
HO Si
OH
OH
O Si O Si O Si O Si O
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
图 3 在长链的硅酸分子中，其组成与不断重复的结构单元有关，即为 H
2
SiO
3
，对应的阴离子为 SiO
3
2-
。
《中学化学教学参考》 发表于 2010 年第 10 期
第5页
原子团形成的阴离子，实际上是由一个个[SiO
4
]四面体连缀而形成的长链型的离
子。
随着对问题研究的深入，更有趣的事情发生了。如果用激光笔照射 Na
2
SiO
3
溶液，可观察到明显、清晰的光路，说明 Na
2
SiO
3
溶液实质上具有胶体的性质。
此时就产生了一个问题：假设胶体粒子是由 10
3
~10
9
个原子聚集形成的较大的颗
粒。请预测在硅酸钠溶液中能够产生丁达尔现象的阴离子中所包含的多少个以硅
原子为中心的硅氧四面体？
根据假设，同学们基本上都能意识到能形成丁达尔现象的胶体微粒最少需要
含有 1000 个原子，但由此得出的在这多原子的聚集体中所包含的硅氧四面体数
量，则大相径庭，有 167 个、200 个到 250 个等多种答案。
此时通过简单的丁达尔现象实验和对胶体微粒大小的假设判断，请同学们对
Na
2
SiO
3
溶液中的 SiO
3
2-
阴离子中含有硅氧四面体数进行推理是有意义的。首先
是它引导学生将对 SiO
3
2-
阴离子的认识从直观感受向理性思维的方向转化；再就
是仔细分析产生上述结论的思维过程，从中可以反映出不同同学的认知能力和对
微观粒子概念理解的清晰程度的差异。判断有 167 个硅氧四面体的同学，是将
Na
2
SiO
3
作为一个结构单元，1000/6=167 个，他们没有形成 Na
2
SiO
3
在溶液中电
离的概念图像；回答 200 个硅氧四面体的同学，是因为他们认为一个硅氧四面体
中包含 5 个原子，并没有意识连接的硅氧四面体，即先前对多聚硅酸阴离子的结
构分析中，不断重复的结构单元（SiO
3
2-
）的概念并不十分清晰；实际上由于硅
氧四面体在相互连接的过程中，将共用 O 原子，所以每一硅氧四面体的结构单
元中实际拥有的原子数为 4[亦即(SiO
3
2-
)]，因此可以判断在能够形成丁达尔现象
的 Na
2
SiO
3
溶液中，其阴离子会含有 250 个硅氧四面体。
其实，在这里溶液中存在的硅酸根离子是否精确地包含 250 个硅氧四面体并
不重要。重要的是以上的估算，可以使同学们对 Na
2
SiO
3
溶液中阴离子的线性长
度有了一个初步形象认识。同时，在估算的过程中也使同学们体验通过数学模型
的方法对由硅氧四面体连接成长链离子长度进行推导的严密思维过程。
结论是让人兴奋而震撼的，原来在 Na
2
SiO
3
的溶液中，存在着这样长链型的
阴离子！
《中学化学教学参考》 发表于 2010 年第 10 期
第6页
同学们面对的依然是原先的 Na
2
CO
3
和 Na
2
SiO
3
溶液，但是想象力将宏观性
质和微观形象之间建立的巧妙联系，溶液中微观粒子在头脑中的形象已经发生了
微妙的、具有本质性的变化。
3 在想象中，产生创新的思路
也许以上所讨论的问题并不是在化学的教学体系中的知识，但是使学生在化
学习中体验这种在实验的细致观察、严谨的逻辑推理中产生的超越空间的想象过
程，培养学生建立宏观与微观联系的思维习惯，在学生的成长过程中是有意义的。
以下的实例，在某种程度上可以说明，培养学生的这种意识的价值。
在实验室经常会发现久置的甲醛溶液中出现大量的白色固体，在化学的教科
书中早已说明，这种白色的固体物质是多聚甲醛。根据甲醛的结构与性质的关系，
可知这种多聚甲醛的结构可表示为
HO CH
2
O H
n
。
通过对这种白色物质的形态观察，可以引导学生对以下的问题进行讨论：
（
a
）对链节数的基本判断
根据多聚甲醛的状态，能否推测多聚甲醛的聚
合度？因为多聚甲醛呈固态，从分子晶体的角度进行分析，物质的熔沸点与其微
观结构和相对分子质量有关。若以正烷烃作为参照模型，因为含有
17
个
C
原子
以上的正烷烃在常温条件下呈固态，是否可以假设在多聚甲醛的分子链中含有的
C
、
O
原子的总数至少应达
17
个。由此推测多聚甲醛的链节数可能至少需达到
8
个。又因为多聚甲醛是粉末状的固体，所以可以想象多聚甲醛的聚合度不会太高。
有关资料表明，工业产品的多聚甲醛固体的聚合度一般为
8~10
，在自然状况下
形成的多聚甲醛，一般聚合度不会超过
100
。这在一定程度上可以说明同学们以
上的推理是合理的。
O
C
-
O O
-
O
C
-
O O
-
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
O
C
-
O O
-
Na
+
Na
+
(a) (b)
图 4 (a)在 Na
2
CO
3
溶液中，密布的水分子之间，分散着颗粒状的水合 CO
3
2-
离子和水合 Na
+
离子；
(b)在 Na
2
SiO
3
溶液中，分散着的是链状的水合 SiO
3
2-
和水合 Na
+
离子
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
《中学化学教学参考》 发表于 2010 年第 10 期
第7页
（
b
）理解多聚甲醛的新用途
有趣的是，查阅有关资料，当多聚甲醛的聚
合度超过
1000
，并用适当的方法处理此高分子化合物的端基以后，此时的多聚
甲醛就成为具有良好机械性能的新型高分子材料。此种材料有很好的稳定性，在
某些方面可以代替钢材和有色金属
[3]
。
此时新材料性质的特殊性，是不难从分子的微观结构的特点得到解释的。当
多聚甲醛的聚合度逐渐增加时，其长链性的分子特征将愈加明显。即多聚甲醛的
聚合材料所具有的纤维结构相互缠绕，并进而在人工作用下，纺成丝、绞成缆索。
另外，如果继续将作为参照模型的长链正烷烃和多聚甲醛做一比较，正烷烃的链
长进一步延伸，实质上就是聚乙烯，其结构为
CH
2
CH
2
n
。
根据原子结构的特点，因为
C
原子的半径比
O
原子的半径大，所以
C-O
键
的键长比
C-C
键的键长要短，因此
C-O
键的键能比
C-C
键的键能大。可以想象
如果用多聚甲醛制成类似于聚乙烯的材料，其强度会比聚乙烯的更大，将会拥有
更好的应用前景应该是不奇怪的。
值得思考的是，如果进一步追问多聚甲醛是在怎样的情形下被发现有良好的
机械加工性能的？大致的情形可分为两类：一种可能是某次偶然事件中的意外之
举，即在不经意的机会中发现聚合度高的甲醛竟然性能很好，但在完成创新的活
动以后，从结构的角度重新反思产生新材料的过程，就会发现这一切既出乎意料
但又在情理之中。另一种可能就是首先从结构的角度预测了
C-O
和
C-C
键强度
的差异，推测出多聚甲醛比聚乙烯应该具有更为优越的性能，进而有目的的增加
多聚甲醛的聚合度，从而获得新的材料，在此不仅可以有效地缩短研发新材料所
需的时间，而且充分体现出创新过程中思维的力量。
此时，创新不再仅仅是在某次不经意的条件下，得到的意外收获；创新，更
是有着非常奇妙的内在的相互联系的产物；创新，可以成为在严密逻辑推理过程
中的一种有目的的行动。
图 5 长链型的多聚甲醛与聚乙烯有结构的相似性，但因 C-O 键长比 C-C 键长为短，键能较大，
可以想象长链型的多聚甲醛将具有比聚乙烯更为优越的性能。
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
O
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
《中学化学教学参考》 发表于 2010 年第 10 期
第8页
4 对教学的反思
在高分子化合物的性质中，粘度是表征高分子化合物相对分子质量的一个重
要的物理参数。相对分子质量越大、粘度系数越高，而高分子的相对分子质量越
大，亦即分子的链就越长。从这个角度上讲，将物质的粘度与其微观结构的长链
型分子关联是合理的。
然而，无论是从理解人类的科学认知、还是从中学生的认知成长的角度而言，
我们对周围的物质世界的感知，不一定也不能都是从已有的科学定义开始的，再
在周围寻找符合这些概念的例证。在观察、类比、想象中所形成的对物质性质与
结构之间关系的朴素的认知，往往就是新的科学探究、科学观念形成的开始。只
有这样，自然科学中的规律或规则就不再是神圣的，这些规律和规则是可以通过
学生自己的眼睛和思维，逐渐被认知和建立的，此时的自然科学所表述的内容会
变得让人感到亲近，那样一个奇妙的微观世界，也是让人可以理解的。
就以上教学活动而言，同学们不再仅仅局限于对化学知识的载体—“文字”
和“概念”的学习，而是通过观察、想象、思考、建模等丰富的思维活动，真切
感受物质世界的生动和奇妙，在富有情趣的学习过程中体验探究与思考的快乐。
而想象力是展开这一系列思维活动的基础，同时想象力使得学生具有穿越空间的
眼光，增进了对某些物质或变化规律的理解能力以及在创新工作中的行动能力，
这种能力的建立是跨越学科界限的，将使学生有信心迎接未来生活的挑战。
参考文献：
[1] Gary Stix
《微观世界里的大科学》《科学》
2001.12
期
[2]
张祥麟
王曾隽《应用无机化学》
高等教育出版社
1992
年
[3]
邢其毅
徐瑞秋
周政《基础有机化学》（上）
人民教育出版社
1982
年