化学中的文化与智慧.doc

转载化学中的文化与智慧 每一门学科除了它的具体知识外，都还蕴含着独特的文化智慧，化学也不例外。而发现和感悟这些学科的文化内涵与智慧之美不仅能增进学习兴趣，更有利于学生形成独特的学科视角与思维观念，这也是学生在若干年后忘记具体知识后头脑中会“剩下的东西”。 一，结构决定性质，这是化学中最核心的观念之一。木炭，钻石都是碳原子构成，其贵贱为何有天壤之别？氯气和食盐都含氯元素，为何前者为剧毒气体，而后者却可每天被人大量食用？结构决定性质。现实生活中也处处充满结构,从建筑到家庭,到单位社会.为什么欧盟可以独当一面？为什么西安成都重庆要酝酿“西三角”经济圈？还是结构决定性质。全部由将军元帅组成的部队不一定能打胜仗，一个群体，个体强是远远不够的，结构合理很关键。从这个角度看，一个领导者最重要的才干就是能为团队组建出一个最佳结构。 二，动态平衡原理。为什么有所谓“转化率，溶解度，电离度”等概念？因为其相关过程存在动态平衡。平衡原理不仅用于一般化学平衡，而且对电离平衡，水解平衡，沉淀溶解平衡等同样有效，显示出该理论的包容博大。仔细想想，其实现实生活中就存在许多动态平衡现象：为什么成人每天进食，但体重几乎不变？为什么燃烧和呼吸过程都大量耗氧，但空气的氧含量始终保持不变？为什么有“温室效应”？为什么要大力倡导“和谐社会”？都和动态平衡有关。动态平衡之伟大普遍，是因其既有一定稳定性又不丧失活力。另外，万物都有力图维持原状的惰性,只有适时采取措施打破原有平衡才能建立新平衡，进而呈现新气象，包括一切励志成功学都是教人如何改变和坚持的。 三，催化剂。氢氧直接混合，不点燃或不加催化剂几年也不会变成水，但用铂等作催化剂后却可顺利反应。氯酸钾单独加热，380度以上才分解成高氯酸钾及氯化钾和氧气，而有二氧化锰催化时不到200度就分解为氯酸钾和氧气了。这启示我们，很多看似很难的事情,只要巧妙地找准了“催化剂”，就可以迎迎刃而解.古时男女成婚，只要找到顶用的媒人，事基本上就成了，这里的媒人就像催化剂，所以催化剂又叫触媒。公司员工最近状态差效率低，老板立即出台诱人的月末奖励机制，员工又积极了，这里的奖励机制也是催化剂。 四，化学反应中的“变与不变”。化学反应虽然变幻无穷复杂多样，但其背后隐藏着不变的东西：原子守恒，能量守恒，电荷守恒等，这些知识的学习，让我们充分领略到事物千变万化的表象后隐藏着不变的法则，这种发现有一种惊人的美。这个世界的物质绚丽多彩种类超过千万，其反应更是不计其数，但不变的是周期表中的百十号元素；苹果下落，上楼出汗，这好像完全不相干的现象背后却隐藏着同一个东西：地球对物体的重力；经济领域价格忽涨忽落千变万化，但变化的表象背后有不变的东西，即“供求关系”。多样性和复杂性的背后隐藏着统一性，简单性和规律性。 五，化学中的条件敏感与竞争反应。如铜与硝酸在不同浓度时发生不同反应,乙醇与浓硫酸在不同温度下发生不同反应,碳酸钠与硫酸铜溶液混合存在多个竞争反应，电解时溶液中阴阳离子存在放电竞争反应等。这些化学事实可以让我们对事物所处的环境条件有较敏感的意识，同时认识到事物的发展具有多种可能性,改善条件可以改善结果。为何打开窗户就能减少煤气中毒？为何夏季食物容易腐烂？为什么我们经常说用“酸性高锰酸钾”而不直接用“高锰酸钾”作氧化剂？为何古代有“孟母三迁”？条件与环境太重要了，境变可促生命之变。 六，语言即力量。从元素符号到化学方程式,化学语言的形式简洁内涵丰富和国际通用给我们留下了深刻印象。以氢气燃烧的热化学方程式“2H2(g)+O2(g)=2H2O(l),H=-571.6KJ/moL”这一化学语言为例，看看它所传递的化学信息有多丰富： 物质变化，氢氧化合成新物质水； 能量变化，化学能转化为热量；数量关系，氢气与氧按2：1恰好反应,每2摩尔氢气完全反应放出571.6KJ热量；守恒关系，反应前后氢氧原子的种类数目都保持不变上面那么繁琐的文字信息却可以用一个简单的热化学方程式来表达，这让我们在惊叹化学语言巧妙的同时，也体会到解决问题时选择恰当语言格式的重要性.哲学专门有一个分支,即语言分析学派.生活中我们也常听说“好言一句三冬暧，恶语伤人六月寒”，还有“一言可以兴邦，一言可以丧邦”等，这都显示了语言的力量。 七，分类法。化学中分类思想随处可见，如对纯净物的层层分类，对混合物中分散系的分类，对物质性质的分类（物理性质和化学性质等，化学性质又可再分为酸碱性，氧还性，络合性，热稳定性等），再到对化学反应分类（氧化还原角度，离子反应角度，能量变化角度，可逆与否，自发与否，有机角度）。当研究对象太多时，分类进行可明显提高效率。分类法的应用在现实生活随处可见，从超市到图书馆，从人类文化知识的发展传承到国家机构的运行，无不分类进行。 当研究对象很多时，分类进行是有效方法。不同的分类标准得到不同的分类结果。下面举例说说分类法在化学中的广泛应用：一，物质分类1.纯净物：其中化合物可分为无机物与有机物，有机物一般可按官能团再分类。化合物还可分为电解质与非电解质。化合物中的酸碱盐氧化物等又可再细分。 如盐，按组成特点可分五类：正盐，酸式盐，碱式盐（可看作多元碱未被酸完全中和的产物），复盐，络盐（如氯化二氨合银）。若按其形成又可分为：强酸强碱盐，强酸弱碱盐等四类；若按酸根可分为含氧酸盐和无氧酸盐；还可分为无机盐和有机盐等。再如氧化物，通常的氧化物指氧的氧化态为负二，可按性质分为酸性氧化物，碱性氧化物，两性氧化物和不成盐氧化物（如水）；按化学键分共价型氧化物（如氧化汞）和离子型氧化物；按组成分为金属氧化物和非金属氧化物。还有很多假氧化物或称复杂氧化物：过氧化物，超氧化物，臭氧化物（如臭氧化钾，），类似氧化物（如二氟化氧，氧氧化态正二）。 再如有机化合物，按碳链可分为开链,碳环(又分为脂环和芳香族)和杂环;按官能团可先分为烃和烃的衍生物:烃又分为饱和烃(烷烃和环烷烃)和不饱和烃(烯,二烯,环烯,炔,芳香烃),烃的衍生物又分为含氧衍生物(醇酚醚,醛酮,羧酸和酯),含卤衍生物(卤代烃,酰卤),含氮衍生物(硝基化合物,胺,腈等)及金属有机化合物等.2.混合物：关注形成分散系的那部分混合物，即溶液浊液和胶体。二，物质的性质分类1.物理性质：熔沸点，密度，导电性，硬度，外观等。2.化学性质：酸碱性，氧还性，络合性，稳定性，溶解性，毒性等。三，化学反应分类1.离子反应与否；2.氧化还原反应与否；3.可逆反应与否；4.自发反应与否；5.放热反应与否；6.有机中还有：取代，加成，消去，聚合，裂化，异构化反应（如正丁烷转变为异丁烷）等。四，物质结构的层次性与分类1.原子结构；2.一般分子（离子）结构；3.晶体（及超分子）结构。五，化学学科领域分类无机化学，有机化学，物理化学，结构化学，分析化学，高分子化学等。化学的精髓基础化学教学的核心内容是：掌握化学基础知识，从原子、分子层次认识物质世界，并形成基本的学科视角和学科素养。化学关注物质的：组成（元素观，周期律，内在联系与统一性）结构（微粒观，构性观，层次性与关联性，模型法）性质（多样性，分类观，条件敏感，实验方法）反应与变化规律（转化观，类型多样，机理复杂，条件敏感，能量变化，自发性，速率与限度，绿色化学与原子经济性）。化学最引人入胜的地方之一就是：借助化学独特的语言符号和想象力，看到物质的宏观性质变化和微观组成结构的内在联系。 化学之化，犹如易经之易，化即道。化学之精髓即研究物质的化合与化分（原子重组）。氧化，酸化，酯化，催化，歧化。化学的学习只有具备了上述认知与视野，才算真正的入门和融会贯通。 附：理科教学要格外注重“条理清晰，循序渐进” 我越来越体会到理科教学要格外关注条理清晰循序渐进，学生才会觉得简单明了少走弯路。当然要让自己的课有条有理深入浅出，自己得先有系统化结构化且融会贯通的知识功底。 如讲“物质的量”，可以先通过类比（如质量单位有时用克有时用吨）说明在现实中选择恰当单位的重要性，再巧妙过度到用“物质的量”来计量微观粒子数目，然后再详细地从“定义-单位-大小规定-适用范围与应用”等方面透彻掌握。再如讲“物质的量浓度”时，最好先澄清浓度的基本含义及之前已有的表示方法（质量分数，体积分数等），这样让学生对浓度的概念和意义先有一个广义的了解。 如讲“平均反应速率”，先提出“定量化”对科学的重要性，然后对比物理学中的“速度”概念给出化学反应速率的大致含义：单位时间内反应物或生成物的变化多少。下来简要讨论选哪种“变化量”更恰当：常见的反应多是在溶液或气体中进行的（均匀分散系），这些反应在进行时都存在物质的浓度变化，故可以用反应体系中某物质浓度的变化快慢表示反应速率。思考：为什么不用质量等其他物理量的变化快慢表示？（科学性，便于测量）浓度是用质量分数好还是用物质的量浓度好？最后下定义，平均反应速率表述一：表示反应体系中单位时间单位体积内某物质的物质的量的变化多少；表述二：表示反应体系中单位时间内某物质的量浓度的变化量。下来还要举例解释一下“变化量”。最后是平均反应速率的单位，及在计算和应用时的特点和规律。 如讲“电解”，如果依次从：惰性电极熔融态-惰性电极水溶液-活性电极，由简到繁地学习可能效果较好。再如讲“杂化轨道”，应先澄清：为何引入这个概念？然后澄清何为轨道杂化（为了更好成键，原子中某些能量相近的轨道重新组合成一组能量均等数目不变的新轨道的过程）？然后才是杂化轨道的特点（能量均等，对称性高，便于成键，轨道数目不变）及常见类型。 又如学习“化学平衡”，应先界定清楚：可逆反应，正逆反应，然后从正逆速率变化入手分析化学平衡的形成过程，接下来再对其下定义，然后再从实际生产层面分析化学平衡的“特征与标志”，最后是平衡移动原理和平衡常数。再如“配合物”教学，先通过实验引出问题，引出复杂离子四氨合铜，然后再给出一系列类似的“复杂离子”，通过观察与思考给出“配位键”的概念，下来再水到渠成地介绍配合物的概念，组成和应用等，并以些扩大学生对物质中微粒作用类型（化学键）的认知。 中学化学中有好些教学难点，如电化学问题，化学平衡问题，杂化轨道理论，电解质溶液问题等，如果好好设计教学思路，注意“搭台阶”，注意“舒筋活血，扫清认知障碍”，做到“条理清晰，循序渐进”地教学，都将取得良好的教学效果。 附：细节知识的深度分析1.理科的基本特征：实验验证，精确定量，逻辑推理。2.从化学定义看其中蕴含的基本观念与方法：物质组成（元素观，周期律，内在联系与统一性），结构（构性观，微粒观，模型法，层次性），性质（多样性，分类法，实验方法，条件敏感），反应与变化（转化观或运动观，分类观，定量思维，守恒思维，绿色化学，微观机理，方向性，自发性，能量变化，速率与限度）等。3.几位重要化学鼻祖：波义耳（第一个提出“元素”概念，认为化学反应“变中有定”），拉瓦西（把天平用于化学，推翻燃素说，开启化学研究的定量化之旅），道尔顿与阿伏加德罗（分别提出原子概念和分子假说），贝采尼乌斯（发明元素符号）。4.元素化学物部分教学力求“有序和有趣”，有序靠分类法及相关概念原理的指导，有趣靠实验展示和联系生活生产实际。5.盖斯定律广泛用于虚拟化学反应的自发性计算，这对设计新的化学反应意义重大。引入”焓及焓变”的意义：因为焓可以规定绝对大小（稳定单质焓为0），以此为基准可通过反应热并借助盖斯定律得到各化合物的标准生成焓，做成手册，这样就可以据此方便地求各反应的焓变了。这是一种了不起的思想方法。6.化学平衡常数的广泛意义：可以弥补勒夏特列原理只适于封闭体系且只改变单一条件时的平衡移动判断的局限，同时用浓度商与平衡常数作比较，使判断一个反应是否达到平衡具有可行性（用正逆反应瞬时速率是否相等判断是否平衡及方向不具有可行性）。7.温度对电离平衡的影响：除水外，一般影响不大，在通常温度下可不考虑温度对弱电解质电离的影响。即便考虑，也是复杂的，因为电离过程本身是多种物理化学行为的结果，如醋酸电离，并非简单的升高温度促进电离。8.关于离子反应：1）想办法让离子反应“看得见”，如指示剂法，电导率法；2）发生条件：生成易挥发物质，生成难电离物质，生成溶解度更小的物质（如饱和碳酸氢铵与饱和氯化钠生成碳酸氢钠晶体），发生氧化还原或络合。9.酸碱中和滴定实验的意义：既是定量实验的代表又是滴定法的代表。定量分析的一些常用方法：重量法，滴定法，气体体积法。10.关于水解：要从水的电离平衡和酸碱性的实质角度说清楚“为什么氯化铵水解生成了弱碱，溶液却显酸性”这种问题；另外，由于水的广泛存在与应用，故水解反应无处不在，从而树立一种“大水解”意识：盐的水解，有机物水解，四氯化硅水解，碳化钙水解等。11.晶格能是判断盐碱等离子晶体溶解性的重要参数：从氢氧化钾到氢氧化钙再到氢氧化钡，从磷酸钙到磷酸二氢钙，在其溶解性上都能看到晶格能的影子。12.溶度积常数的意义：定量化地解释了生成难溶电解质的本质条件，如为什么二氧化碳通入氯化钙溶液没有沉淀？氯化钙真不与碳酸氢钠反应吗？13.原电池教学意义：不但其原理有广泛的应用，同时也是对氧化还原反应中“转移电子”的实证。13.关于电解：1）条件，直流电，且达到理论分解电压；2）离子放电顺序不可绝对化，如电解硫酸可得过二硫酸，电解硫酸锌制备锌。3）电镀及精炼时电极判断，用形象的原理思路简图代替死记硬背。14.核外电子因能量不同存在能层能级的证据：一是电离能数据，二是原子光谱图（不同的谱线代表不同的能量）。15.电负性电离能的意义：把元素的非金属性及金属性的活泼程度定量化，定量判断原子化合时到底形成共价键为主还是以离子键为主，如解释为可氯化铝为共价化合物。16.关于原子轨道杂化：1）理论基础，波有叠加性；2）杂化的特点与意义：杂化轨道方向性更强，更便于成键。17.分子间作用力教学：先举些分子间作用力存在的例证，如大量的吸附现象，以引起学生的信服，并给他们作用力的大小印象（与化学键相比）。18.金属晶体的堆积模型：这是让学生从微观角度理解晶体形成过程及其结构特征的好素材，充分借助学生想象力。19.分析有机结构特征时最关注的三个方面：官能团，不饱和度（缺氢指数），极性。20.有机反应类型：取代，加成，消去（除），聚合，裂化裂解，异构化（原子重排）反应等。 巧打比方，化抽象为生动 为了让学生理解物质能量越低越稳定，我问：老年人和青壮年人谁能量较低？谁生活较稳定？学生会心地笑了。 要说明用摩尔计量微粒时对象要具体化，举例说好比在水果店不能笼统地说“来一斤水果”，而要说清楚来一斤梨。 为了说明能量在转化过程中总量是守恒的，一位大物理学家回忆他中学老师的说法：一个人把砖搬到房顶，消耗了体能做了功，而这体能并没有消失，它储存在砖里，若干年后这块砖块松动掉下来，当初储存的能量砸伤了经过的人。 第一次讲“摩尔”这个集合体概念时，学生有点惘然，可一比方说：“摩尔”就像部队中的“连，排”，说到一个“连”我们明白它是100个人的集合体，而说到1mol就是指.,于是学生点头了. 郑胤飞老师讲电子云：点燃一支香，看上去是一颗火星，使劲地甩动它，看到什么？火圈。甩动得特别快呢？看到火团。以此来理解一颗火星看上去成了火团，一个电子在核外成了“电子云”。 层析法，其原理类似于河水冲刷河道带走砂石，大小不等的砂石借着水流而移动，因重力作用不同而沉降在河床的不同区段。以滤纸层析法分离色素为例，待分离的色素就象上述大小不等的砂石一般，利用色素与滤纸及色素与溶剂间的作用不同，将各种色素在滤纸上一一展开，达到分离的目的。 在讲催化剂通过降低反应活化能而提高活化分子百分数进而加快速率时，以学校通过降低录取分数线而提高升学比例打比方。讲分子发生有效碰撞需要足够能量和恰当方向时，说好比投篮进球一要用力足二要方向准。 用学生做操散开时的占地面积与个子大小关系不大，说分析气体体积时分子本身大小可以忽略; 原子结构部分的能层能级等概念也较抽象，而以楼层和楼梯为例则形象易懂；盖斯定律的能量守恒实质可以登山的路径不影响最终的海拔高度为例；用外表平静的河水类比化学反应的动态平衡;用媒婆类比催化剂；从细胞说到晶胞。用交通堵塞场景类比温度对金属导电性的影响;用水势水流水库类比电势电流电容;用26个字母构成无数英文单词类比20种氨基酸构成多种蛋白质。 为了说明由20种氨基酸构成的某肽链（如200个氨基酸长度）具有生理活性的概率有多小，生物学家沃森举了这样一个例子：这与找10亿只猴子同时在10亿台电脑上胡乱敲打出200个字母而恰能打出一首莎士比亚的十四行诗的概率相同。 实践证明:在教学中巧打比方,化抽象为形象,可以很好地提高教学效率.不过,这对老师的专业素养和想象力有挑战:因为不恰当的比方反而会让学生更加不知所云,甚至可能误导学生一生.化学与科学随想：1.化学告诉我们：物质世界是由百十号基本元素组成的，这百十号元素间有着内在联系与统一性；元素有不同的存在形态，形成从原子到分子甚至超分子等不同层次的微粒与结构，物质的不同组成和结构使其种类繁多性能丰富；构成物质的微粒间可以相互作用，并通过原子重组发生化学反应实现物质转化，同时还伴随能量变化；化学反应的类型和机理多种多样，但都满足守恒原理并以定量的方式进行；不少化学过程是可逆的，往往处于动态平衡.化学，以其在物质制备、分离提纯及检测分析等方面的独特作用，为人类发展提供了坚实的物质基础和技术保障.2.化学课:让每节课都是一个自成的化学世界,教学的都是作为整体的化学,都散发着化学独特的文化智慧,都在“元素观，微粒观，构性观，转化观，分类观，相互作用，守恒思想，定量思想，动态平衡思想，能量最低原理”等基本化学观念的熏陶中增加对客观世界的认识。3.生命活动的微观本质主要是化学反应，是在基因与神经调控下的精确化学反应。4.我觉得物质世界的运转有四大基本要素：物质，能量，熵，相互作用。5.科学贵在“求真，探索，创新”的精神。科学也是追求世界真相与法则的最有成效的手段。 有趣优美的化学语言（主要出自郑胤飞、朱志江两位老师） 古老而具有青春活力的硅元素：古老秦砖汉瓦及地壳都与硅元素有关；青春活力：水泥、玻璃等现代建材，光导纤维、硅芯片等信息材料，也都与硅有关。合成氨的原料来自空气、煤和水，是最经济的人工固氮法，给世界农业发展带来了福音。赞扬哈伯的人说：他是用空气制造面包的圣人。一个普通的塑料杯，生产它可能只需几分钟，而大自然要完全降解它却大概需要2000年左右，这是多么地令人费解。一方面我们固然看到“白色”污染的可怕，但另一方面，我们也能从中看到化学合成的坚贞不屈。 正是这种与我们日常生活有着千丝万缕的联系才使得化学从物理中脱颖而出。分子不仅仅是一堆原子的集合，相比能量、力和场等抽象概念，它们以一种更加实体化更加多样化的形式出现在我们面前。 过去100年至今，化学家尤其是有机化学家把创造分子转变成一项精细的艺术。根据需求来创造出分子是一种能力，一种能证明人类在此星球上占绝对统治地位的能力，正如同莎士比亚、贝多芬、米开朗琪罗和牛顿等人至高无上的创造力一样。毫不夸张地讲，化学合成是当今文明的顶梁柱，其重要性丝毫不亚于微积分的发明和电的发现。 什么是官能团，官能团相当于一个家族的姓氏。 浓硫酸对水简直是个强盗。有水吸水，有时没水也要硬给脱出水来。 硫难溶于水，易溶于二硫化碳，为什么？对硫来讲，水和二硫化碳谁是亲戚？ 有机酸比无机酸多多了。苹果、橘子、山楂、杨梅、柠檬、酸奶，酸不酸？跑步累了，腿酸不酸？点燃一支香，看上去是一颗火星，使劲地甩动它，看到什么？火圈。甩动得特别快呢？看到火团。以此来理解一颗火星看上去成了火团，一个电子在核外成了“电子云”。 电子的核外运动有两大特征：其一，速度极高，接近光速。如果走直线，滴答间上海去北京又回上海了。速度不高可不行，异电相吸，掉核里去了。23分24秒电子在哪里？说它在北京，没错，说它在上海，也没错。其二，运动范围极小。原子半径实际就是电子的运动范围，多为10-10m。如果电子真是行星，一秒钟内绕核的圈数已经是个天文数字。23分24秒电子在哪里？这本身就成了一个傻问题。显然，轨迹在这里又遇到了不可能兼没必要。于是应用另一种重要的运动状况描述方式：统计电子在原子核外空间某处出现的机会。 这个数值的正式名称叫阿伏加得罗常数，符号是NA。这就好比有个数值的正式名称叫圆周率，它的近似值是3.14。 什么是催化剂？老师就是催化剂。你们考大学，老师全程参与，老师为你们指点迷津，降低难度，克服困难。但老师不考大学，将来你们发达了，老师还在这儿帮下一拨学生考大学。 上海到北京，济南是肯定经过的，在济南停不停车是另一回事。硫化氢燃烧可以变成硫，也可以直接变成二氧化硫。二氧化硫是北京，硫就是济南。 煤炭和木炭是生活中最常见的“碳”，但写“炭”不写“碳”，因为是含杂质的，好比厨房里的食盐严格讲还不是氯化钠。 怎么证明石墨、金刚石、碳60都是碳单质？燃烧产物都是二氧化碳或一氧化碳。前人做过这项实验。但我们不可能拿一颗金刚石或抓一把碳60来当场烧。谁敢把那么珍贵完美的东西往火里扔？ 这里的“微粒”就可以是各种原子、分子、离子、中子、质子、电子或其它各种“子”。在具体问题面前，这个微粒就是具体化的。你说你要吃水果，这没问题，但你到了水果店，不可以说“我买10个水果”，你得说清楚“我买10个水蜜桃”。