化学科学发展与教学改革的几点思考.pptx

正确认识基础性和时代性的关系正确认识基础性和时代性的关系有学科发展轨迹中永远起作用的基础；也有为有学科发展轨迹中永远起作用的基础；也有为构建学科基础服务的构建学科基础服务的“基础基础”。后者如。后者如4 4类基本类基本反应；反应；“化学元素化学元素”不变的概念；基本的化学不变的概念；基本的化学键类型；键类型；“惰性气体惰性气体”等等。等等。基本概念或理论是不断发展的。例如原子、分基本概念或理论是不断发展的。例如原子、分子；化合物子；化合物-物种；物质导电机制；酸和碱等等物种；物质导电机制；酸和碱等等应当重视那些对学科和新技术发展持续起作用应当重视那些对学科和新技术发展持续起作用的基础知识和基本概念；它们的建构、发展过的基础知识和基本概念；它们的建构、发展过程和视角的变化。更应当从新的科技发展中吸程和视角的变化。更应当从新的科技发展中吸取养分。这是进行情感态度价值观教育的着力取养分。这是进行情感态度价值观教育的着力点点磁场诱导下的变色体系磁场诱导下的变色体系丁铎尔效应的应用丁铎尔效应的应用Yadong Yin et al:A simple magnet can control the color of a liquid,making new technologies possible.全文见Angew.Chem.,July 3,2007氢动力能源新设想氢动力能源新设想已知：已知：HgCl2溶液滴在溶液滴在Al板上，将板上，将破坏破坏Al2O3的保护作用的保护作用 2Al+6H2O 2Al(OH)3+3H2镓铝合金也有类似作用镓铝合金也有类似作用 单质单质 Ga:熔点：熔点：29.78oC;沸点：沸点：2403oC 有可能构成实时供氢的燃料电池有可能构成实时供氢的燃料电池.周期表还能提供什么启示和信息？周期表还能提供什么启示和信息？Chemical Newsletter 2007/14（Purdu U）除汞新技术除汞新技术C&ENs C&ENs July 7,2008 Latest News July 7,2008 Latest News 报道报道：破损废旧袖珍荧光灯泡（破损废旧袖珍荧光灯泡（CFLSCFLS）中残）中残汞处理一直受到关注。汞处理一直受到关注。R.Hurt R.Hurt 发现由发现由亚硒酸钠和谷胱甘肽（亚硒酸钠和谷胱甘肽（C C1010H H1717O O6 6N N3 3S S）反）反应制成无定形粉状纳米硒和汞能够生应制成无定形粉状纳米硒和汞能够生成无生物活性的成无生物活性的HgSeHgSe，2424小时内可除小时内可除去近去近99.9%99.9%的汞。单个灯泡的用量仅的汞。单个灯泡的用量仅10mg,10mg,而常规除汞剂如硫、锌、活性炭而常规除汞剂如硫、锌、活性炭等用量为数克至数千克。等用量为数克至数千克。发现绿色水母蛋白为什么得奖发现绿色水母蛋白为什么得奖荧光标记法是一种常用于研究某些动态过程的示荧光标记法是一种常用于研究某些动态过程的示踪技术。如研究菲啶溴红和小牛胸腺踪技术。如研究菲啶溴红和小牛胸腺DNA中不同中不同碱基对的络合稳定性和碱基对的络合稳定性和DNA的热变性的热变性研究活性生物分子如研究活性生物分子如DNA的变性过程，需要对原的变性过程，需要对原初过程干扰微弱的荧光探针，绿色水母蛋白可能初过程干扰微弱的荧光探针，绿色水母蛋白可能能够解决这个问题。因而获奖能够解决这个问题。因而获奖更为根本的问题：是否所有化学体系都应当能够更为根本的问题：是否所有化学体系都应当能够发射荧光？根据光化学原理（分子调控概念）发射荧光？根据光化学原理（分子调控概念）Ah A*A+H（非辐射弛豫）A+h(荧光或磷光），etc基础不仅限于化学 第一个稀有气体化合物的发现，源于物理第一个稀有气体化合物的发现，源于物理概念的运用概念的运用 O2+PtF6-和 Xe+PtF6-的对比：的对比：O2和和Xe的第一电离能相近，两种盐的晶格能相近的第一电离能相近，两种盐的晶格能相近 无机富勒烯（无机富勒烯（WS2,MoS2等）的发现，源于等）的发现，源于几何学的考虑：正六边形网格的变化几何学的考虑：正六边形网格的变化 石墨烯制备的最简便方案：源于对物质表石墨烯制备的最简便方案：源于对物质表面黏附力差别的应用面黏附力差别的应用打印出来的计算机芯片MITMIT的年轻科学家的年轻科学家 JacobsonJacobson继电子继电子纸纸,电子油墨之后电子油墨之后,提出了在塑料片提出了在塑料片上直接打印出计算机芯片的设想上直接打印出计算机芯片的设想电子纸电子纸电子油墨电子油墨可以用打印方法制造的芯片可以用打印方法制造的芯片摩擦化学和高速硬盘摩擦化学是力化学的一个分支，摩擦化学是力化学的一个分支，要求体系内至少有一相为固相。要求体系内至少有一相为固相。一艘新油轮失火的原因一艘新油轮失火的原因与机械、建筑、飞行器、润滑系与机械、建筑、飞行器、润滑系统等领域的关系统等领域的关系硬盘转速与摩擦化学的关系硬盘转速与摩擦化学的关系法拉第的名言法拉第的名言 潜移默化地进行情感态度价值观的教潜移默化地进行情感态度价值观的教育。育。“蜡烛的火焰能把暗处照亮，而蜡烛的火焰能把暗处照亮，而金刚石的璀璨在没有火焰照亮时却什金刚石的璀璨在没有火焰照亮时却什么都没有么都没有”在讲到华丽的色彩和像长笛一样的蜡在讲到华丽的色彩和像长笛一样的蜡烛时，烛时，“不要做美丽的奴隶不要做美丽的奴隶”;“;“所有所有这些知识才是有意义的，而美丽并没这些知识才是有意义的，而美丽并没有什么用处有什么用处”化学学科的现状和问题化学学科的现状和问题学科教育落后于学科的现状，从而使学科教育落后于学科的现状，从而使学生学习兴趣下降，生源水准下滑。学生学习兴趣下降，生源水准下滑。表现为理论滞后、实验技术滞后、教表现为理论滞后、实验技术滞后、教学改革滞后学改革滞后学科面目模糊方向不明学科面目模糊方向不明过分重视能过分重视能够做什么，而不是能够知道什么够做什么，而不是能够知道什么什么是化学的大问题什么是化学的大问题 参考文献：Philip Ball:What chemists want to know.Nature 442,3 August 2006,500-502化学学科的大问题化学学科的大问题如何设计具有特殊功能和动态特性的分子如何设计具有特殊功能和动态特性的分子细胞的化学基础细胞的化学基础如何制造未来的能源、空间和医药所需的如何制造未来的能源、空间和医药所需的材料材料思维和记忆的化学基础思维和记忆的化学基础生命在地球上是如何开始的。在其他世界生命在地球上是如何开始的。在其他世界中，何地和如何才会出现生命中，何地和如何才会出现生命如何发现全部元素的可能组合，据估算数如何发现全部元素的可能组合，据估算数量级将大于量级将大于1014；合成产率能否达到；合成产率能否达到100%牛顿名言的启示牛顿名言的启示如何理解牛顿关于如何理解牛顿关于“巨人肩膀巨人肩膀”的的名言所包含的名言所包含的治学之道治学之道巨人在哪里？所有学科教育共有巨人在哪里？所有学科教育共有的任务的任务如何才能爬上巨人的肩膀？如何才能爬上巨人的肩膀？具备具备台阶的基础才是有效的基础台阶的基础才是有效的基础不仅要看得远，方向还要对不仅要看得远，方向还要对化学实验体系三要素化学实验体系三要素符合探究目标而且不确定因符合探究目标而且不确定因素最少的化学反应体系素最少的化学反应体系合理的实验装置，包括安全合理的实验装置，包括安全措施等措施等合理而且有序的实验步骤和合理而且有序的实验步骤和合乎规范的操作技术合乎规范的操作技术实验与探究性学习实验与探究性学习案例案例1:拉瓦西测定空气组成的实验拉瓦西测定空气组成的实验 步骤步骤1 2Hg O2 2HgO 步骤步骤2 2HgO 2Hg O2 步骤步骤3 步骤步骤2得到的得到的O2和步骤和步骤1剩余的剩余的N2混合，混合，得到得到“原来原来”的空气的空气学习要点：学习要点：1。为什么选择为什么选择 Hg？(Hg的沸点的沸点:356.6oC;HgO的分解温的分解温度度:约约500oC;HgO不溶于不溶于Hg)2。为什么。为什么3个步骤都有必要性？个步骤都有必要性？3。还能想到些什么？。还能想到些什么？(物理和化学变化的差别和共同点物理和化学变化的差别和共同点)实验与探究式学习实验与探究式学习案例案例2：空气组成测定体系的选择：空气组成测定体系的选择 4 P 5O2 2P2O5 1。已知。已知S、C、Mg、Na、蜡烛等都可以满、蜡烛等都可以满足和空气中的足和空气中的O2发生燃烧反应的条件，为发生燃烧反应的条件，为什么什么P是最佳选择？是最佳选择？2。对这个探究性实验来说，为什么以。对这个探究性实验来说，为什么以Hg方方案最为理想？（通过与案最为理想？（通过与Hg方案的对比）方案的对比）3。实施实施“磷磷”方案时，最重要的前提假设方案时，最重要的前提假设是什么？（磷可以把空气中的是什么？（磷可以把空气中的O2用尽）用尽）4。采用。采用“磷磷”方案时，除去经典的体积测方案时，除去经典的体积测定法外，还能想到哪些方法？定法外，还能想到哪些方法？值得进一步思考的问题值得进一步思考的问题选择这类实验体系来探究类似于空气组成问题时，选择这类实验体系来探究类似于空气组成问题时，共同的共同的前提假设前提假设：同名分子间的不可区分性同名分子间的不可区分性用气体分压或分体积的改变来提供有关气态化学用气体分压或分体积的改变来提供有关气态化学物质变化的信息时，理论依据是什么物质变化的信息时，理论依据是什么气体摩尔气体摩尔体积；理想气体之间的关系体积；理想气体之间的关系某些单质或化合物和氧发生反应的条件和氧化物某些单质或化合物和氧发生反应的条件和氧化物的组成与性质（在水中的溶解度，是否和氮也能的组成与性质（在水中的溶解度，是否和氮也能反应等）反应等）化学物质体系的物理性质和化学性质化学物质体系的物理性质和化学性质 氧能否全部耗尽氧能否全部耗尽化学反应进行程度化学反应进行程度如果希望提高实验所得数据的精确程度，除去改如果希望提高实验所得数据的精确程度，除去改进装置外，还应当考虑哪些问题进装置外，还应当考虑哪些问题最基本的化学概念和理论最基本的化学概念和理论理解和把握化学学科的定义是初等化理解和把握化学学科的定义是初等化学教学的要点，它包含了最基本的化学教学的要点，它包含了最基本的化学概念和理论学概念和理论 组成：元素的种类和原子、离子的数组成：元素的种类和原子、离子的数目（以及结合方式）。典型元素的教目（以及结合方式）。典型元素的教学应当突出它们的特点和差别。教学学应当突出它们的特点和差别。教学实验的要点亦在此。实验的要点亦在此。课堂教学中的实验探究课堂教学中的实验探究Na和和O2的反应通常包含以下两个实验：的反应通常包含以下两个实验：常温，空气中常温，空气中 2Na+O2 2Na2O 点燃后，空气中点燃后，空气中 2Na+O2 Na2O2 应当观察和思考的问题：应当观察和思考的问题：1。试剂或物质的存放，稳定性和活性。试剂或物质的存放，稳定性和活性 2。Na和和Mg在空气中燃烧时现象的比较在空气中燃烧时现象的比较 3。Na2O和和Na2O2相比，能想到些什么？对了相比，能想到些什么？对了解解Na2O2性质有什么启示性质有什么启示 4。Na在空气中燃烧只有在空气中燃烧只有Na2O2一种产物吗一种产物吗课堂教学中的实验探究课堂教学中的实验探究氯气溶于水后的漂白作用问题氯气溶于水后的漂白作用问题1。想探究什么？预期的答案可能是什么？。想探究什么？预期的答案可能是什么？2。2 ClCl2 HOH 4 HClO2 ClCl HOH HClHClO3。结论：漂白作用来自水与氯气的反应产物。结论：漂白作用来自水与氯气的反应产物4。不能得出有漂白作用的只有次氯酸的结论。不能得出有漂白作用的只有次氯酸的结论5。同是氯元素，价态不同，性质截然不同。同是氯元素，价态不同，性质截然不同。对于对于“组成组成”的认识是化学最重要的基本的认识是化学最重要的基本概念之一概念之一还能学到和想到些什么还能学到和想到些什么1 1。氯气可以损伤人的呼吸道因为呼吸道中。氯气可以损伤人的呼吸道因为呼吸道中有水存在有水存在2 2。氯可用钢瓶存放说明室温下氯气和铁单。氯可用钢瓶存放说明室温下氯气和铁单质无作用，但是氯气必须是干燥的。质无作用，但是氯气必须是干燥的。3 3。氧气、氮气的无味，和氯气、氨的有刺激。氧气、氮气的无味，和氯气、氨的有刺激气味和它们的什么性质有关气味和它们的什么性质有关4 4。高温下氯可以和铁粉或铁屑直接化合生成。高温下氯可以和铁粉或铁屑直接化合生成氯化铁说明物质的化学性质往往和所处氯化铁说明物质的化学性质往往和所处的外界环境有关（请回忆并对比氧气和铁的外界环境有关（请回忆并对比氧气和铁单质的反应情况单质的反应情况)。还能想到些什么。还能想到些什么课堂教学中另一种形式的探究课堂教学中另一种形式的探究为什么要介绍次氯酸的不稳定性？为什么要介绍次氯酸的不稳定性？1。化学物质的稳定性是最重要的基本性。化学物质的稳定性是最重要的基本性质质2。不稳定的化学物质如何转变为安全性。不稳定的化学物质如何转变为安全性较高的商品较高的商品3。使用时使之转变为原来的那个化学物。使用时使之转变为原来的那个化学物质的常用方法质的常用方法4。从而推衍出在化学中普遍适用的规律。从而推衍出在化学中普遍适用的规律还能学到和想到些什么还能学到和想到些什么1 1。酸碱盐间的相互联系是探究化学合成方法。酸碱盐间的相互联系是探究化学合成方法时的最重要思路之一。时的最重要思路之一。2 2。由强酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）制。由强酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）制备弱酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）；备弱酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）；由易溶物制备难溶物由易溶物制备难溶物;由稳定性高的代替稳由稳定性高的代替稳定性低的等，都是首选的化学合成方法定性低的等，都是首选的化学合成方法基本原理为这类过程所共有的基本原理为这类过程所共有的自发性自发性。判。判据主要为该过程的据主要为该过程的G G3 3。S S在产物气体分子数多于作用物气体分子数在产物气体分子数多于作用物气体分子数（高温下），纯物理过程如溶解、扩散、掺杂、（高温下），纯物理过程如溶解、扩散、掺杂、分子的聚集及有序或无序化等过程中则必须考虑分子的聚集及有序或无序化等过程中则必须考虑C C6060发现史的启示发现史的启示用电弧轰击法不仅能够得到用电弧轰击法不仅能够得到C C6060，也能得到碳纳米管，而，也能得到碳纳米管，而且后者稳定性高于前者。为且后者稳定性高于前者。为什么当时只发现了什么当时只发现了C C6060？教训？教训是什么是什么Zewail因飞秒化学研究获奖的原因因飞秒化学研究获奖的原因如何确定如何确定 t to o=0=0 是飞秒化学实验研究中很难解决是飞秒化学实验研究中很难解决的关键问题。亦即谱图和过程如何契合的问题的关键问题。亦即谱图和过程如何契合的问题ZewailZewail找到分子间化合物找到分子间化合物I-HO=C=O为研究为研究体系体系 I-HO=C=O I*+HO=C=O HO=C=O H-O+CO 利用利用I*发出荧光瞬间作为飞秒时间分辨光谱发出荧光瞬间作为飞秒时间分辨光谱上的上的to，从而得到第一张和化学过程相对应，从而得到第一张和化学过程相对应的时阈为的时阈为700fs700fs的激光时间分辨光谱。的激光时间分辨光谱。简易净水器的实验探究简易净水器的实验探究1.目标物和净水剂选材2.各组分的功能和叠放顺序3.水样的代表性4.样本数5.结论的离散程度和不确定性6.水质标准探究性实验一例探究性实验一例关于化学反应速率问题，可以通过对下面实验关于化学反应速率问题，可以通过对下面实验的探讨来达到综合的目的。的探讨来达到综合的目的。CaCO3+2HCl CaCl2+CO2+H2O1.如何可以测得或求得这个反应的热效应如何可以测得或求得这个反应的热效应2.影响反应速率的因素有哪些影响反应速率的因素有哪些3.如果要通过反应速率来了解某个因素的影响，如果要通过反应速率来了解某个因素的影响，实验应当如何设计实验应当如何设计4.仅仅由仅仅由3中的某个实验所得结论，为什么不能认中的某个实验所得结论，为什么不能认为对这个反应有了全面的认识。这就是科学结为对这个反应有了全面的认识。这就是科学结论往往具有某种程度的不确定性的原因。论往往具有某种程度的不确定性的原因。5.请把以上建议当作一次探究性活动来看待请把以上建议当作一次探究性活动来看待。最基本的化学概念和理论最基本的化学概念和理论研究化学结构的要点是全部组成元素研究化学结构的要点是全部组成元素的原子核形成的核排布方式。分析化的原子核形成的核排布方式。分析化学反应时，从静态结构出发，基于动学反应时，从静态结构出发，基于动态结构的概念。就能够比较容易地解态结构的概念。就能够比较容易地解决学习决学习H2SO4、HNO3、CH3COOH、CH3OH、两性氢氧化物等在不同条件两性氢氧化物等在不同条件下的不同变化方式。把握住化学键的下的不同变化方式。把握住化学键的作用力本质。作用力本质。最基本的化学概念和理论最基本的化学概念和理论物质由微粒构成是化学的最基本概念。可物质由微粒构成是化学的最基本概念。可以推广到电子、质子、中子、光子等以推广到电子、质子、中子、光子等化学以原子分子为核心概念，在原子结构化学以原子分子为核心概念，在原子结构理论的基础上，离子概念是不难建立的。理论的基础上，离子概念是不难建立的。由组成结构来认识分子，才能够真正掌握由组成结构来认识分子，才能够真正掌握分子概念，加上微粒观，才能够正确地认分子概念，加上微粒观，才能够正确地认识化学现象。识化学现象。稳定结构的原子分子，是了解和预见所有稳定结构的原子分子，是了解和预见所有不稳定物种，如自由基、分子离子、原子不稳定物种，如自由基、分子离子、原子分子的激发态等的基础分子的激发态等的基础最基本的化学概念和理论最基本的化学概念和理论摩尔为什么会成为难点？摩尔为什么会成为难点？1.物质由微粒组成，能的量子化是两个物质由微粒组成，能的量子化是两个由科学提供的而不是直接来自生活经由科学提供的而不是直接来自生活经验的基本概念。这是产生困难的主要验的基本概念。这是产生困难的主要原因，是教学的着力点原因，是教学的着力点 2.微观上确认，并承认同种微粒间的差微观上确认，并承认同种微粒间的差别；宏观上采取统计平均方式处理。别；宏观上采取统计平均方式处理。即认为这种差别一般可以忽略。即认为这种差别一般可以忽略。组分动态化学概念的启示组分动态化学概念的启示分子的化学结构不仅可以代表分子组分子的化学结构不仅可以代表分子组成各部分的拓扑关系（静态），而且成各部分的拓扑关系（静态），而且可以预示分子发生化学变化时的所有可以预示分子发生化学变化时的所有可能性（动态）可能性（动态）对于化学键的理解更接近与实际对于化学键的理解更接近与实际合成化学和功能性分子设计思路更为合成化学和功能性分子设计思路更为宽阔宽阔参考文献：J-M Lehn:From supramolecular chemistry towards constitutional chemistry and adaptive chemistry。Chem.Soc.Rev,.2007,36,151-160从分子化学到组分动态化学从分子化学到组分动态化学组分动态化学概念模型组分动态化学概念模型铑催化串联反应铑催化串联反应一锅法之一例一锅法之一例组分动态概念之应用组分动态概念之应用 组分动态概念之应用组分动态概念之应用 最基本的化学概念和理论最基本的化学概念和理论焓体现了物质和能的关系，化学只涉焓体现了物质和能的关系，化学只涉及与核结构和核外电子有关的能量变及与核结构和核外电子有关的能量变化过程。所以同时遵循能量与质量守化过程。所以同时遵循能量与质量守恒原则恒原则熵不仅与体系中质点的排布（混乱度）熵不仅与体系中质点的排布（混乱度）有关，还和物质的组成。结构有关。有关，还和物质的组成。结构有关。它的变化决定了能转化为功的效率它的变化决定了能转化为功的效率（此外还和技术如装置、流程等有关）（此外还和技术如装置、流程等有关）熵函数简介熵函数简介熵是经过理论加工后构成的状态函数熵是经过理论加工后构成的状态函数热力学第一定律的中心是能量守恒；热力学第一定律的中心是能量守恒；热力学第二定律的中心是能的分级，热力学第二定律的中心是能的分级，即不同形式的能做功本领不同，热能即不同形式的能做功本领不同，热能属于低级能。因而有了熵函数属于低级能。因而有了熵函数H=G+TS H=G+TS 或或 G=H G=H TS TS 体系的焓变有用功无用功体系的焓变有用功无用功mixmixS=S=R(R(A AS SA Alnln A A+B BS SB Blnln B B)00熵函数简介熵函数简介因为因为混合熵混合熵 纯组分熵之和纯组分熵之和，所以，所以气体气体间和溶质往溶剂中的扩散及均匀化过间和溶质往溶剂中的扩散及均匀化过程程,固体物质的污染、掺杂过程均具有固体物质的污染、掺杂过程均具有自发性自发性同一物质的同一物质的S S固固 S S液液SS气气，当产物中气体，当产物中气体分子数多于反应物时，分子数多于反应物时，高温下高温下T TS S项的项的贡献是火法冶金的基础。所以贡献是火法冶金的基础。所以在高温在高温下碳能够还原绝大多数金属氧化物下碳能够还原绝大多数金属氧化物3C(s)+Fe3C(s)+Fe2 2O O3 3(s)(s)2Fe(l)+3CO(g)2Fe(l)+3CO(g)熵函数简介熵函数简介由由G=G=H HT TS S可知，纯物质发生可知，纯物质发生相变时，相变时，G=0,G=0,H=TH=TS S。H H和和S S值一定，所以值一定，所以相变温度相变温度T T（如熔点、沸点等）为一定值）为一定值浓差电池能量来自浓差电池能量来自T TS S，浓度梯度，浓度梯度为过程推动力为过程推动力。已成为设计传感器。已成为设计传感器时依据的原理之一时依据的原理之一