化学中的文化与智慧.docx
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化学中的文化与智慧.docx
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化学中的文化与智慧
[]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,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,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
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- 化学 中的 文化 智慧
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