用简单的无机化学式传递结构信息

《Journal of Chemical Education》：Conveying Structural Information with Simple Inorganic Formulas

碳层和三维扩展结构符号的改进建议。作者认为现有括号标注物理状态的方法可扩展用于明确结构类型，提出用(r, ls)等缩写替代//{}符号，避免因省略符号导致分子结构默认误解，并探讨教学应用效果。

　　

该期刊最近的文章提出了一种简单而有效的符号表示方法，用于提供关于简单无机化合物的结构信息。本文认为这种尝试在第一时间传达额外结构信息的做法很有用，并提出了一种替代方案来表达相同的信息。

我饶有兴趣地阅读了Miguel Reina等人关于“通过使用恰当的词汇来提高对化学的理解”的系列文章。(1,2) 这些文章提出了一种在无机化合物的化学式中添加符号的方法，以便一目了然地展示额外的结构信息。如何将符号表示与化学实体的亚微观结构联系起来，一直是本期刊读者以及广大化学教育工作者持续关注的话题。(3?5)

在第一篇论文(1)中，Reina等人建议将层状结构的化学式用斜杠“//”括起来，而三维扩展结构（他们之前将其称为“网状结构”)(6)则用大括号“{}”括起来。因此，“/C/”表示层状结构的碳，即石墨这种化学物质；“{C}”表示网状结构的碳原子，即金刚石这种化学物质。

我想知道，这些符号所传达的额外结构信息是否可以通过扩展一种已经在使用的符号表示方法来同样有效地表达，这种方法就是用于在化学式中添加关于化学物质状态的附加信息，例如用括号标注物理状态。例如，HCl(g)与HCl(aq)可以区分气态和液态的化合物（暂时不讨论学生如何想象水合氯化氢的亚微观结构)(3)）。当只需要说明组成成分而不涉及物理状态时，教师只需写出简单的化学式HCl即可。

鉴于在化学式中添加括号缩写已经很普遍，我认为用斜杠和括号表示的结构信息也可以通过修改或调整这种惯例来同样有效地传达。对于固态(s)的标注，可以进一步具体说明是网状结构(r)、层状结构(ls)还是分子固体(ms)。（液体和气体必然由非无限延伸的实体组成，即原子或分子（正如这些作者之前所提出的)(7)）。添加括号缩写还可以用来表示简单的晶体结构，这是他们第二篇论文(2)的主题。简单立方(cp)、体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和六方密排(hcp)等结构可以通过在化学式后加上相应的括号缩写来表示。此外，在我看来，括号缩写比斜杠或大括号这样的符号更为直观，因此我认为符号表示与概念之间的关联会更加紧密。

我想到可以将这种可选的括号表示方法应用于Reina等人提出的目的(1,2)，因为我认为只有在需要强调或明确表达结构信息时，才会对化学式进行这样的扩展。化学式中缺少括号状态并不会说明化学物质的物理状态。然而，在Reina等人提出的符号体系中，缺少斜杠或大括号则具有结构上的意义。

他们对于层状结构和网状结构的符号表示方法很直观，并且提供了充分的证据表明他们的学生能够理解这种方法。我担心的是分子物质的符号表示问题。作者表示，他们用斜杠和括号分别表示层状结构和网状结构，“以此将它们与分子物质区分开来”，而分子物质在论文中则用未加修饰的化学式如CO₂和BCl₃来表示。换句话说，没有使用修饰符号意味着该物质是分子物质。

实际上，在结构信息不重要或不被强调的情况下，教师通常会省略这些修饰符号——即使他们在希望强调结构时也会使用斜杠和大括号。因此，如果教师真的采用了这些符号，就必须始终将它们用于层状结构和网状结构。按照目前的做法，简单的化学式NaCl并不能说明该物质是分子、层状还是网状结构；事实上，正是为了解决这种模糊性，才讨论了这些论文。按照他们提出的符号体系，NaCl这个简单的化学式将不再具有模糊性，但会显得不正确，因为它会隐含地将网状结构视为分子结构。

总之，鉴于Reina等人提出的符号表示方法只会被有选择地采用，那么这种符号应该通过其他明确的符号来表示分子结构，而不是通过省略符号来隐含地表示。这种明确性还可以避免给人一种“分子物质是化学中的默认结构”的印象。

看看这种可选的括号添加方法是否能够像Reina等人提出的符号那样有效地向学生传递结构信息，将会很有趣。