化學(xué)中的主要觀念_化學(xué)論文

1、化學(xué)中的主要觀念_化學(xué)論文    文章摘要：                              要回答“普通化學(xué)中必須包括什么內(nèi)容?”這個(gè)問題，我們就需要知道對(duì)于理解和正確評(píng)述現(xiàn)代化學(xué)，哪些是最重要的基本化學(xué)觀念。我們必須記住普通化學(xué)課絕不僅是(或不應(yīng)該僅是)作為培養(yǎng)未來

2、職業(yè)化學(xué)家、生物學(xué)家、物理學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、工程師、藥劑師、環(huán)境保護(hù)工作者的基礎(chǔ)課，而實(shí)際上對(duì)每一個(gè)有教養(yǎng)的公民來說，都必須懂得化學(xué)。因此，這門課應(yīng)當(dāng)能適應(yīng)自然科學(xué)、工程和藥學(xué)等系學(xué)生的需要，使他們了解化學(xué)家對(duì)物質(zhì)世界是怎樣想的?今天的化學(xué)家在做些什么?化學(xué)能回答哪些問題?我們應(yīng)該向?qū)W生們展示在他們所選學(xué)的領(lǐng)域以及日常生活中化學(xué)的重要性。我稱這些基本概念為：“化學(xué)中的主要觀念”。這里列出6種概念，它們構(gòu)成現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)。我相信每一所高中和大學(xué)的初級(jí)化學(xué)課，應(yīng)當(dāng)包含這些觀念，整個(gè)課程應(yīng)圍繞著它們構(gòu)建起來。當(dāng)然每個(gè)觀念的深度則取決于各該課程的水平和目標(biāo)而定。應(yīng)當(dāng)指出的是我在這里提到的是在一般大學(xué)的普

3、通化學(xué)課中對(duì)這些觀念應(yīng)當(dāng)論述的最低程度。當(dāng)前存在于一些大一化學(xué)課中過重負(fù)擔(dān)的問題，部分是由于介紹某些概念時(shí)過分詳盡，超過了切合學(xué)生對(duì)課程實(shí)際需要水平的緣故。 原子，分子，離子 現(xiàn)代化學(xué)是從道爾頓和原子、分子概念開始的。元素是一種僅由同一類原子組成的物質(zhì)?；衔飫t是由兩種或兩種以上的原子按一定比值結(jié)合在一起的。為了明白原子是怎樣結(jié)合到一起形成分子的，我們應(yīng)進(jìn)而提到盧瑟福和一個(gè)原子是由中心的原子核與環(huán)繞它的電子構(gòu)成的概念。從電離能和光電子譜的數(shù)據(jù)可以知道這些電子是分能層(或殼層)排布的，從而引入帶正電荷的原子實(shí)和圍繞著它的價(jià)電子殼層的概念。 化學(xué)鍵：是什么使原子在分子和晶體中結(jié)合在一起 所有的化學(xué)

4、鍵都是由存在于帶正電荷的原子實(shí)和帶負(fù)電荷價(jià)電子間的靜電引力形成的。靜電引力是化學(xué)中僅有的重要引力。軌道重疊并不能直接說明化學(xué)鍵的形成，因?yàn)椋裎覀兂３Ｋx到的那樣，持這種說法，僅是一種模型，它因很有用而主要是化學(xué)系學(xué)生們學(xué)習(xí)的。但我不認(rèn)為對(duì)于所有初學(xué)者是一種更本質(zhì)的說法，我們可以不需要它即能對(duì)化學(xué)得到一很好的理解。當(dāng)然，許多化學(xué)家還會(huì)不時(shí)地利用它。但它會(huì)干擾，著力去認(rèn)識(shí)構(gòu)成鍵的真實(shí)原因，即原子核與電子間的靜電引力。在初級(jí)化學(xué)課中還需要討論更重要、關(guān)系更密切的課題。更有甚者，軌道模型會(huì)帶給學(xué)生不正確的看法，認(rèn)為學(xué)化學(xué)很難、抽象，僅是對(duì)初學(xué)者難以解說清楚、弄懂的概念基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)研究。我們可以簡明地

5、描述離子鍵是由于離子間的靜電引力形成的，而共價(jià)鍵則是共用電子對(duì)對(duì)兩個(gè)原子實(shí)間的引力形成。相對(duì)應(yīng)的路易斯結(jié)構(gòu)式可以告訴我們一個(gè)原子可以形成多少個(gè)鍵。根據(jù)我的看法，這些概念對(duì)于在初學(xué)階段討論化學(xué)鍵問題是足夠的了。分子的幾何形狀：三維化學(xué) 從勒貝爾和范霍夫時(shí)代開始，分子的幾何形狀概念已成為化學(xué)的重要內(nèi)容。其重要性隨著X-射線結(jié)晶學(xué)的進(jìn)展而得到增強(qiáng)。在現(xiàn)代化學(xué)中了解了分子的形狀對(duì)于更廣泛地理解某些專題，例如：生命分子及其功能，工業(yè)催化劑如沸石和固態(tài)表面以及高分子合成等。我們對(duì)分子形狀的了解加上對(duì)其控制的能力，現(xiàn)在可以合成幾乎所有符合特殊需要的任何形狀的分子：如可以捕集特定離子的籠狀物，具有能連接一種特

6、殊類型分子的特別形狀的分子(這種分子間的連接被稱為相互間“識(shí)別”)，可以傳導(dǎo)電流具有導(dǎo)線功能的長鏈分子，等等。現(xiàn)在，化學(xué)家能創(chuàng)造這種復(fù)雜多樣分子是令人矚目的，也說明了關(guān)于化學(xué)的一種很重要的觀念，即在研制新材料方面，化學(xué)是一種富有創(chuàng)造力的科學(xué)?；瘜W(xué)家們能制出此前并不存在的新分子。盡管上述新觀念因?yàn)榭梢允箤W(xué)生了解化學(xué)是一種實(shí)際、有用、合乎需要而不是枯燥、純理論、純數(shù)學(xué)、抽象的科學(xué)，而有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性；但在初級(jí)化學(xué)中它并未受到重視。我們有一個(gè)非常簡單的理論模型，即價(jià)層電子對(duì)互斥理論模型，它對(duì)論述簡單分子的形狀以及甚至很大分子的大多數(shù)性能均提供了基本的原理。對(duì)于初等水平的化學(xué)我們就不必再

7、作更多的探究了。雜化軌道理論是化學(xué)課中在這部分經(jīng)常討論到的，是屬于軌道模型的一個(gè)側(cè)面。了解雜化軌道概念對(duì)于化學(xué)系的學(xué)生來說是重要的，但對(duì)于一般學(xué)生來說并不是必需的。現(xiàn)在的分子模型的方案使學(xué)生更易于理解并熟悉各種分子的形狀。動(dòng)力學(xué)理論關(guān)于動(dòng)力學(xué)理論，我并不是指pv=nmC=nRT公式的導(dǎo)出，對(duì)于化學(xué)課來說，它并不是重要的內(nèi)容，而更重要的是在絕對(duì)溫度0K以上原子和分子進(jìn)行的永恒的無序運(yùn)動(dòng)：溫度越高分子運(yùn)動(dòng)得越快。將上述概念與分子間作用力由于核與電子間的靜電引力則可以對(duì)氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)存在的理解提供解釋。原子的永恒運(yùn)動(dòng)說明不僅分子在空間運(yùn)動(dòng)，而且它們自身也不是靜止的，而是還具有轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)，我們能運(yùn)用

8、這些概念去介紹紅外光譜及其應(yīng)用，例如用于識(shí)別有機(jī)物分子?；瘜W(xué)反應(yīng)現(xiàn)在讓我們研究有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的概念。化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生是由于反應(yīng)物分子在移動(dòng)中相互間發(fā)生激烈的碰撞足以使化學(xué)鍵斷裂，從而發(fā)生各原子間的交換，同時(shí)產(chǎn)生了新的分子。也可以是一個(gè)分子的振動(dòng)，激烈到足以破壞其化學(xué)鍵，形成更小的分子。這些闡述構(gòu)成了對(duì)化學(xué)反應(yīng)簡明但卻是基本的解釋。更進(jìn)一步探究，我們引入活化能概念，從而可以解釋為什么一些反應(yīng)進(jìn)行得很迅速，而另一些反應(yīng)在室溫下，其速率幾乎是難以測(cè)出的緩慢。這些就是使學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)如何發(fā)生所需的最低限的知識(shí)。至于所有那些通常較詳盡的闡述建立反應(yīng)速率的曲線圖，反應(yīng)級(jí)數(shù)，反應(yīng)定律及其積分公式等等，相對(duì)于上

9、述的基本概念來說，都是次要的。那些較詳盡的闡述對(duì)于化學(xué)系的學(xué)生是重要的，但我懷疑在初級(jí)化學(xué)課中，學(xué)生學(xué)習(xí)它們是不是必要的。然而對(duì)于化學(xué)反應(yīng)來說，卻還有許多是應(yīng)當(dāng)提到的，可能是由于在6個(gè)主要觀念中，化學(xué)反應(yīng)是最重要的，因?yàn)楦鞣N各樣的化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)的核心。從煉金術(shù)時(shí)代起，試圖了解化學(xué)反應(yīng)一直是化學(xué)家的首要目的?，F(xiàn)在我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)了許多不同類型的反應(yīng)，但在其中特別應(yīng)指出的兩類，即酸堿和氧化還原反應(yīng)，在全部無機(jī)、有機(jī)和生物化學(xué)反應(yīng)中，它們是十分重要的，因此，我確信在初級(jí)化學(xué)課中應(yīng)給予足夠的重視。但是不能僅簡單地從定義即質(zhì)子的轉(zhuǎn)移和電子的轉(zhuǎn)移上，就能對(duì)它們作到徹底的了解。而對(duì)它們的介紹應(yīng)是讓學(xué)生通過在實(shí)驗(yàn)

10、室中親自觀察實(shí)際反應(yīng)的進(jìn)行，或者求其次，也要參加演示教學(xué)實(shí)踐和收看錄像。這兩種反應(yīng)類型再加上一些其它的類型如生成沉淀的反應(yīng)以及有機(jī)化學(xué)中的加成反應(yīng)、取代反應(yīng)等；可以使我們了解學(xué)習(xí)化學(xué)中所用到的數(shù)以千計(jì)的反應(yīng)的本質(zhì)。關(guān)于忽視化學(xué)反應(yīng)研究的部分原因是認(rèn)為這些內(nèi)容在初級(jí)化學(xué)課中是屬于描述化學(xué)的，因而認(rèn)為是枯燥的。當(dāng)然單純描述性的，確實(shí)枯燥，但當(dāng)今化學(xué)的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了單純描述的階段；了解反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，并在特定的目標(biāo)下應(yīng)用它們，已是化學(xué)家理應(yīng)設(shè)法做的事。多數(shù)工業(yè)以及純理論的化學(xué)關(guān)注新物質(zhì)如材料、塑料、藥物的合成，以及選用更好的方法，包括價(jià)格重便宜、更符合環(huán)境要求的方法等來制備現(xiàn)在已知的物質(zhì)。那么，在化學(xué)

11、世界里，什么是最令人鼓舞的成就?那就是制備諸如某些稀有氣體和富勒烯等新分子。因此，理應(yīng)更加重視許多富有想象力的化學(xué)家所從事的很了不起的事業(yè)，從而在制造更多新分子的道路上繼續(xù)前進(jìn)。這樣就可以向?qū)W生們顯示化學(xué)會(huì)對(duì)啟發(fā)創(chuàng)造性和想象力提供無窮的機(jī)會(huì)。元素周期表對(duì)于了解化學(xué)反應(yīng)及其分類是很有幫助的。在化學(xué)發(fā)展史上它曾起了如此重大的作用，從而在確定化學(xué)主要觀念時(shí)，不能不把它納入其中。應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)指出的是早在人們比較詳細(xì)地了解原子結(jié)構(gòu)之前，門捷列夫即發(fā)明了這張對(duì)更好地了解元素和化合物性質(zhì)及其分類的表。至今它仍然是化學(xué)家們達(dá)到以上目的的有力工具。在了解化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中，我們還較廣泛地應(yīng)用如電負(fù)性、原子的大小、原子實(shí)

12、電荷或有效核電荷等概念，這些概念都可以從此前闡述的簡單原子結(jié)構(gòu)模型直接推導(dǎo)得出。能和熵最后，我們需要知道為什么有些反應(yīng)能發(fā)生，而另一些反應(yīng)卻不能，或者更確切地說為什么一些反應(yīng)當(dāng)只有很少一點(diǎn)生成物產(chǎn)生就達(dá)到了平衡，而另一些反應(yīng)實(shí)際上是完全反應(yīng)了。要弄清以上的問題，需要熱力學(xué)的知識(shí)特別是應(yīng)用能和熵的概念和熱力學(xué)第一定律、第二定律。熱力學(xué)對(duì)學(xué)生來說是學(xué)不到的，正式的熱力學(xué)方程更不可能學(xué)到。如果依據(jù)正規(guī)的教學(xué)過程進(jìn)行，那是很枯燥的和比較難的。有人甚至認(rèn)為熵是一個(gè)令人害怕的詞。它似乎給人一個(gè)既抽象又難以理解的印象。但是我們并不需要這樣做。每一個(gè)人都能夠理解混亂度的概念，它實(shí)際上涵蓋了熵的全部內(nèi)容。學(xué)生已

13、在討論分子運(yùn)動(dòng)論時(shí)遇到過無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的概念，化學(xué)反應(yīng)能產(chǎn)生是整個(gè)宇宙(更簡單地是指反應(yīng)體系及其環(huán)境的總和)的混亂度在增加。這樣，對(duì)放熱反應(yīng)來說，熱量轉(zhuǎn)入環(huán)境，使環(huán)境的熵值或混亂度增加了。在通常情況下，大多數(shù)反應(yīng)是放熱的，因?yàn)獒尦龅臒崃哭D(zhuǎn)移到環(huán)境，使其熵值或混亂度得到很大的增加，一般來說，這比在反應(yīng)體系內(nèi)熵值或混亂度減少的數(shù)值要高。但是我們也會(huì)遇到吸熱反應(yīng)，這時(shí)體系的混亂度增大，由于反應(yīng)體系從環(huán)境吸熱而比環(huán)境混亂度減少的數(shù)值大，因而總體上來說，熵值或混亂度也是增加了。這就是理解熱力學(xué)在化學(xué)反應(yīng)中的作用的全部內(nèi)涵。即一個(gè)反應(yīng)能夠進(jìn)行的條件是反應(yīng)體系和環(huán)境總嫡值增加。這樣，就并不需要更多地涉及自由能概

14、念及其公式如G=H-TS，學(xué)生們即可懂得許多重要的觀念。我認(rèn)為在初級(jí)化學(xué)課中并不需要再學(xué)得更多了。要知道在教學(xué)中塞給學(xué)生許多方程式并不能有助于使學(xué)生對(duì)基本概念的理解，如果對(duì)基本概念并不理解，只從數(shù)學(xué)上求得一些問題的解，是很枯燥的，只能是一些引不起興趣而又互不相關(guān)的練習(xí)而已。應(yīng)將大一化學(xué)建立在主要觀念的基礎(chǔ)之上我認(rèn)為在大一化學(xué)課中以上這些主要觀念應(yīng)使學(xué)生對(duì)它們得到最基本的理解。對(duì)化學(xué)系的學(xué)生在整個(gè)課程中可以擴(kuò)展它的內(nèi)容及其應(yīng)用。對(duì)于其它自然科學(xué)、工程和藥學(xué)等系的學(xué)生在以后的課程中，還能得到進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。我所指的是在大一水平對(duì)于這些概念必需闡明的最低要求。盡管有些教師還希望多教些，但我并不認(rèn)為還需

15、要更多地介紹了。在任何情況下，需要花費(fèi)在學(xué)習(xí)上的實(shí)際時(shí)間，只應(yīng)是保證對(duì)這些主要觀念得到真正的理解。我們卻很需要用大量的不同類型只是定性要求的習(xí)題去實(shí)際測(cè)試學(xué)生對(duì)這些觀念的理解情況。而定量要求的習(xí)題往往得到的是將多種數(shù)字填入死記的式子中所形成的答案；一般來說這對(duì)于測(cè)試學(xué)生對(duì)觀念的理解，其作用是很小的。在大一水平介紹上述觀念只要求給予必需的內(nèi)容，而并不必要花費(fèi)所有可提供的時(shí)間。如果加大份量則必然要耗費(fèi)很多精力去解決現(xiàn)行課程中的主要問題，其中如更大量的教材，對(duì)抽象理論要求給以過多的重視；這樣必然會(huì)缺乏足夠的精力花在化學(xué)反應(yīng)上，幾乎沒有時(shí)間花在與人類有密切關(guān)系的教材如環(huán)境化學(xué)、材料科學(xué)、高分子化學(xué)和生物化學(xué)這些能使化學(xué)課更新、現(xiàn)代化的內(nèi)容上。而這些內(nèi)容如在普通化學(xué)中不給予介紹，則不能說我們是真正在講授現(xiàn)代化學(xué)。那么，我們究竟應(yīng)該從整體上講，怎樣介紹這些基本觀念呢?我認(rèn)為，對(duì)每一個(gè)觀念不應(yīng)該是一次性地全部完成教學(xué)，而應(yīng)該是形成系列，因?yàn)樗鼈冎械拇蠖鄶?shù)都是很早就需涉及。最好的辦法是早些介紹這些觀念，但并不是一下子講完全，接著就要指出怎樣應(yīng)用它們?nèi)フJ(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)和它們的反應(yīng)，而后，當(dāng)需要這些觀念時(shí)，再作進(jìn)一步的闡述。也就是說，我們只是應(yīng)用這些觀念去合理地解釋選取盡可能多的簡單、為人們相對(duì)熟悉、較普通或日常生活中