1、 Concepts and Applications. The McGraw Hill companies，2005）2.国内外一些具有代表性的化学定义1）1789年拉瓦锡出版了化学元素，将化学定义成“研究元素性质的科学”。2）“化学是关于原子运动的科学”。（出自恩格斯的自然辩证法人民出版社，1971年，53页）。3）化学是研究物质性质的学问”（日本万有百科大事典，1977，15卷，106页）。4）“化学是研究物质在原子-分子水平上的变化规律的科学”（出自化学发展简史，科学出版社，1978年，第1页）。5）“化学是一门研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的基础自然科学”。（出自初中九年义务教
2、材化学（全一册），人民教育出版社，1999年，绪言）。6）“化学主要是在分子、原子或离子等层次上研究物质的组成、结构、性能、相互变化以及变化过程中能量关系的科学”，（出自无机化学（上册），高等教育出版社，1992年，第2页）。7）“化学主要是研究物质的分子转变规律的科学”（出自廖正衡东北师范大学学报，1983年，第3期）。8）“化学是研究物质分子及其凝聚态的组成、结构、性质和变化规律的科学”，（出自“辩证自然观与化学进化”（化学哲学基础，科学出版社，1986年，441444页）。9）化学是研究物理原子、分子、生物大分子和超分子及其凝聚态的组成、结构、性质、化学反应及其规律和应用的科学。简而言之
3、:化学是分子的科学。（出自魏光（化学通报，1997年，第7期，5456页）。10）“化学是研究从基本粒子到生物大分子的各层次粒子的质变的科学”（出自魏光（化学通报，1997年，第7期,5053页）。11）“化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学”（出自杨石先中国大百科全书化学卷，1989年，第1页）。12）“化学是研究物质从元素向生命进化过程中的各个物质层次的组成、结构和变化的科学”（出自曾国屏化学教育，1996年，第8期，67页）。13）“化学是研究分子及其近层次物质性能、构成、演变、应用诸运动规律的科学”（出自魏光（化学通报，1997年，第7期，5053页）。14）“化学科学是
4、研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态的合成反应、分离和分析、结构形态、物理性能和生物活性及其规律和应用的科学”（出自刘春万化学进展，2000年，第2期，230232页）。15）“21世纪的化学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复程度的聚集态和组装态、直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应、制备、剪载和组装、分离和分析、结构和构象、粒度和形貌、物理和化学性能、生理和生物活性及其输运和调控的作用机制以及上述各方面的规律，相互关系
5、和应用的自然科学”。（出自徐光宪“21世纪化学的内涵、四大难题和突破口”，科学通报，2001年12月，第46卷，第24期:2086）。16）“21世纪的化学是研究泛分子的科学”。所谓泛分子主要分为10个层次:原子层次，分子片层次，结构单元层次，分子层次，超分子层次，高分子层次，生物分子层次，纳米分子和纳米聚集体层次，原子和分子的宏观集体层次，复杂分子体系及其组装体的层次。（出自徐光宪，同定义之15）。17）2002年徐光宪院士更提出了很有新意的“化学一维定义，化学二维定义，化学三维定义和化学的四维定义”的立体多维概念（出自徐光宪“21世纪的化学是研究泛分子的科学”，中国科学基金，2002年，第
6、2期，7075）。18）2003在中国化学会第7次全国会员代表大会上徐光宪院士作了题为“21世纪是信息科学、合成化学和生命科学共同繁荣的世纪”的报告。报告中指出化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大新兴或朝阳科学（Sunrisesciences） 都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。从化学定义的演变可以看出，随着实践的推移，化学定义不断延伸，化学的研究对象也在不断地扩大。化学的研究对象有什么特点呢？3.化学研究对象的特点1）化学研究物质的性质、组成、结构、变化和应用，其基本问题是组成、结构和反应以及它们与物质性质的关系。2）化学研究的对象是泛分子层次，构成泛分子的较低
7、层次的微粒之间的相互作用十分复杂，使其整体的性质各不相同，很难用演绎的方式简洁地描述，这就决定了化学研究的个别化特点。3）在研究方法方面，物理学方法注重分析，在本质上是机械论（或称还原论）的：生物学方法注重整体，在本质上是目的论（或有机体论、自主论）的：化学方法一方面把研究对象分解为若干组成成分，另一方面又把研究对象作为由某些微粒（或部分）组成的、复杂性不同于生物体的系统来研究其结构，研究实物的相互关系，既有跟物理学相似之处，又有跟生物学相似之处。但是，化学又具有跟物理学和生物学不同之处，表现出自己的特殊性。二、化学学科的分类人们一般把化学分为无机化学、有机化学、分析化学和物理化学等四大门类。
8、近几十年来，国内外学者对此进行了不同的分类尝试，然而至今尚各言其说，未获统一。 美国学者对化学的分类美国化学家戴维琼斯将整个化学学科分为五大领域：（1）构成化学；（2）反应化学；（3）物理化学；（4）理论化学；（5）应用化学。美国化学文摘则将化学分为（1）生物化学；（2）有机化学；（3）大分子化学；（4）应用化学；（5）物理化学及分析化。2.其他国家学者对化学的分类1970年加拿大化学杂志如分为：（1）分析化学；（2）合成化学；（3）结构与性能化学；（4）化学动力学；（5）理论化学（量子化学）。日本科技文献速报分为：（1）物理化学；（2）分析化学；（3）无机化学；（4）有机化学；（5）高分子化
9、学等五大类。还有一些学者把化学分成了更多分支学科：六大类：（1）结构、性能与鉴定化学；（3）化学动力学；（4）液态、固态与表面化学；（5）理论化学；（6）核化学。八大类：（6）核化学；（7）仪器化学；（8）热力学。3.我国学者对化学的分类山西大学张家治教授于1983年提出了一个多层次的化学分类系统。他坚持以物质运动形式作为科学分类的基础，并依据分类的续性原则和发展性原则，对以往的化学分类进行扬弃与综合，提出了下列分类系统：（1）无机化学（无机合成、稀有元素、络合物和核化学）；（2）有机化学（有机合成、元素有机、物理有机）；（3）高分子化学（无机高分子、有机高分子）；（4）鉴测化学（化学分析测定
10、、仪器分析、分离化学和结构测定）；（5）物理化学（热力学、动力学、统计热力学、结构化学和量化）；（6）生物化学（分子生物学、光生物化学）。我国著名化学家、北京大学徐光宪教授认为：正确运用化学分类方法进行合理分类，还可以促进新学科的形成。例如化学中使用萃取方法虽然已有100多年的历史，但其真正的发展是在20世纪的40年代。当时，由于发展原子能要求高纯度的铀元素，才促进了萃取方法的迅速发展。后来，人们又通过对越来越复杂的萃取体系进行正确的分类才在5060年代形成了新兴分支学科萃取化学。这说明，对某些化学研究的内容不断地进行正确分类，深入研究，就可以促进新学科的形成。三、化学学科的重大问题在中国化学
11、会第7次全国会员代表大会上徐光宪院士作了题为“21世纪是信息科学、合成化学和生命科学共同繁荣的世纪”的报告。报告中指出21世纪化学学科将面临四大问题。1.化学反应理论（化学的第一根本规律）建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论1）充分了解若干个重要的典型的化学反应的机理，以便设计最好的催化剂，实现在最温和的条件进行反应，控制反应的方向和手性，现新的反应类型，新的反应试剂。2）在搞清楚光合作用和生物固氮机理的基础上，设计催化剂和反应途径，以便打断CO2、N2等稳定分子中的惰性化学键：3）研究其它各种酶催化反应的机理。酶对化学反应的加速可达100亿倍，专一性达100%。如何
12、模拟天然酶，制造人工催化剂，是化学家面临的重大难题：4）充分了解分子的电子、振动、转动能级，用特定频率的光脉冲来打断选定的化学键选键化学的理论和实验技术。2.结构和性能的定量关系（化学的第二根本规律）1）分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律；2）超分子结构的类型，生成和调控的规律；3）给体-受体作用原理；4）进一步完善原子价和化学键理论，特别是无机化学中的共价问题；5）生物大分子的一级结构如何决定高级结构? 高级结构又如何决定生物和生理活性；6）分子自由基的稳定性和结构的关系；7）掺杂晶体的结构和性能的关系；8）各种维数的空腔结构和复杂分子体系的构筑原理和规律；9）如何设计合成具有人们
13、期望的某种性能的材料；10）如何使宏观材料达到微观化学键的强度。3.第三世纪难题:生命现象的化学机理生命化学难题1）要了解生命的化学机理最重要的是了解如何调控。这就是化学生物学的任务:如何用配体小分子的钥匙去打开生物大分子的锁；2）哈佛大学化学教授Schreiber所创建化学遗传学，为开创化学蛋白质组学、化学基因组学与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同）奠定基础；3）搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础；4）人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是
14、21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交义学科共同来解决的难题；5）了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。如何实现从生物分子（biomolecules）到分子生命（molecularlife）的飞跃？如何制造活的分子（Makelife），跨越从化学进化到生物进化的鸿沟；6）研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学，耗散和混沌状态，分形现象等非线形科学问题。4.第四世纪难题:纳米尺度难题当代信息技术的发展，推动了纳米尺度磁性（Nanoscalemagnetism）的研究。由几十个到几百个原子组成的分子磁体表现出许多特性，如量子隧穿效应、量于相干效应等。纳米粒子的比表面很大，
15、由此引起性质的不同。例如纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从600降至室温。又如电子或声子的特征散射长度，即平均自由程（meanfree path） 在纳米量级。当纳米微粒的尺度小于此平均自由程时，电流或热的传递方式就发生质的改变。所以纳米分子和材料的结构与性能关系的基本规律是21世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一。5.解决了化学的四大世纪难题后的美好前景1）在解决第一和第三难题，充分了解光合作用、固氮作用机理和催化理论的基础上，我们可以期望实现农业的工业化，在工厂中生产粮食和蛋白质，大大缩减宝贵的耕地面积，使地球能养活人口的数目成倍增加；2）第三难题的解决，可为医学家提供基础避免人类疾
16、病的痛苦，享受150岁的天年；3）在解决第二和第四难题的基础上，我们可以期望得到比现在性能最好的合金钢材强度大十倍，但重量轻几倍的合成材料，使城市建筑和桥梁建设的面貌完全更新；4）在充分了解结构与性能关系的基础上，我们能合成出高效、稳定、廉价的太阳能光电转化材料，组装成器件。太阳投射到地球上的能量，是当前全世界能耗的一万倍。如果光电转化效率为10%，我们只要利用0.1%的太阳能，就能满足当前全世界能源的需要；5）未来的化工企业将是绿色的，零排放的，原子经济的，物质在内部循环的企业；6）在合成了廉价的可再生的储氢材料和能转换材料的基础上，街上行走的汽车将全部是零排放的电动汽车。我们穿的将是空调衣
17、服；7）海水淡化将成为重要工业，从而解决人类生存最严重的挑战淡水资源紧缺问题。化学知识的分类一、陈述性知识1.陈述性知识的定义及类型陈述性知识指个人具有的有关世界是什么的知识，主要是指言语信息方面的知识，用于回答“是什么”的问题，如“氧化剂是什么？”、“铁的物理性质是什么?”等。陈述性知识主要表现为言语信息，加涅依据各种言语信息的复杂程度不同，将它们区分成三种类型：1）符号（label），即用于指称相应事物（包括特殊的个别事物和类别性事物）的标记。换言之就是事物的名称。标记同一事物的符号一般有两种形态，即形符（主要指文字符号）和音符。2）事实（fact），指用于表达两个或两个以上有名称的客体或
18、事件之间关系的言语陈述。实际就是命题。3）知识群，即各种事实的聚合体。一个知识群就是一个命题网络。化学作为一门自然科学，其每一部分知识都有陈述性知识。具体表现如下：1）有关名称或符号的知识。如物质名称、化学仪器、元素符号、化学术语、用语等（言语信息）。2）简单命题或事实的知识。例如，基本概念、元素及化合物的性质、用途等（定义性概念、具体概念、抽象概念）。3）有意义的命题组合知识。如物质结构、化学定律、溶液理论、化学平衡等理论的知识（原理、规则）。2.化学知识中的陈述性知识 1）化学现象的分类宏观化学现象（物质颜色、气味、物态和形状等）；微观化学现象（分子、离子等）；实验室化学现象（在化学教学中
19、和实验中表现的化学现象）等。2）化学现象在化学学习中有着重要的作用教师引导学生根据化学现象反思是一种积极的探究行为，可以促使学生从不同方面多角度地观察化学现象，质疑问题，有利于创新思维和创新能力的培养。教师要引导学生按照化学现象创设问题和疑点，既培养了学生的观察力，分析归纳能力，又进一步锻炼了学生根据化学现象反思问题的能力。在化学现象教学中，教师要注意引导学生对化学现象观察和分析，对知觉进行整理，组织感性信息，使感性材料进行程序化，从而培养了透过现象看本质的反思思维过程。3）化学概念化学概念是化学知识的重要组成部分，是有关物质的组成、结构、性质、变化的本质属性及其规律在人们头脑中的能动反映，是
20、反映物质在化学运动中的固有属性的一种思维形式。它反映了物质在化学变化中的本质属性，是整个化学学科知识的基础。（1）化学概念的分类按概念的定义性特征分为具体概念和抽象概念。抽象概念如物质的量、阿伏加德罗常数等；微观概念如燃烧、升华、两性氧化物、同素异形体等。从逻辑学的角度分为从属关系、交叉关系和对立关系等。按原有知识与新知识间关系分类分为上位概念、下位概念、并列结合概念。如化学元素是铁、铝、氢等物质的上位概念。按化学知识分为：反映物质组成的概念，如纯净物、混合物、单质、化合物。按台湾学者邱美虹以及chi等人的研究概念分为两类，即为物质性概念和程序性概念。（2）化学概念间的关系从逻辑关系上来讲，化
21、学概念间存在下列关系：重合关系（又称同一关系），即两个概念的内涵不同而外延完全相同的关系或两个概念从不同角度反映同一事物。如化学变化与化学反应、乙酸与醋酸、纯酒精与乙醇等。从属关系，即一个外延大的概念包含若干个外延较小的概念，且内涵也不同。如化学反应与化合反应、分解反应、置换反应和复分解反应，盐与正盐等。交叉关系，即内涵不同的概念，其外延有部分是重合的，它们具有某些共同属性。如氧化还原反应与分解反应、化合反应，取代和置换，化合与加成等。并列关系，即概念的内涵和外延均不同，但这些概念从属于某一个外延更大的概念。如化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应四个概念，它们的内涵与外延都不同，但均从属于
22、化学反应，这四个概念处于并列关系中。对立关系，即同一概念下的两个概念，内涵对立，外延互相排斥，其外延相加小于它们的属概念的外延。如氧化反应与还原反应，酸和碱等就是对立关系。酸和碱的外延相加小于它们属概念化合物这个概念的外延，因为除了酸和碱外，还有盐、氧化物。否定关系（又称矛盾关系），即两个概念的外延互相排斥，其外延相加等于它们属概念的外延。如电解质与非电解质、氧化还原反应与非氧化还原反应。4）化学基本原理（1）定义在探索物质变化的过程中人类积累了很多的关于物质变化的规律性知识，即关于化学反应的基本原理，从而加深了对化学变化的本质认识。化学的基本原理涵盖了从宏观到微观与性质关系的规律、化学过程机
23、理及其控制的研究，它是化学和其他学科领域在分子层次上研究物质变化的理论基础。（2）化学基本原理主要包括化学变化的方向和限度问题。一个化学反应在指定的条件下能否朝着预定的方向进行，如果该反应能进行，则它将达到什么限度？外界条件如温度、压强、浓度等对反应有什么影响？对于给定的反应能量的变化关系怎样，它究竟能为我们提供多少能量等等。化学反应的速率和机理问题。一个化学反应的速率究竟有多快，反应时经过怎样的机理进行？外界条件（如温度、压强、浓度、催化剂等）对反应速率有什么影响等等。物质结构与性能之间的关系。物质的性质从本质上说是有物质内部的结构决定的。了解物质的内部结构不仅可以理解化学变化的内因，而且可
24、以预见在适当的外因的作用下，物质的结果将发生怎样的变化等等。二、程序性知识1.程序性知识的定义及表征1）定义一般认为，程序性知识是关于技能、认知操作和如何做事情的知识，也就是“知道怎样”的知识，往往潜在于行动背后，难以用词语来表达。由此可见，程序性知识主要反映活动的具体过程和操作步骤，说明做什么和怎么做，它是一种实践性知识，主要用于实际操作，因此也称操作知识，它主要是一套操作步骤，回答“怎么办”的问题，是一种动态的知识。2）分类认知心理学家将程序性知识划分为两大类型:一类是通过练习可以达到相对自动化的程度，很少或不需要受意识控制，称为“智力技能”（mentalskill），它属于处理外部事务的
25、程序性知识；另一类是以对客观规律的洞察和把握为基础的活动定向性知识，通常受意识控制，其运用很难达到自动化程度，是用于调控认知过程的程序性知识，称为“认知策略（cognitivestrategy）。这两种类型的知识无论在知识的获得、表征，还是提取和应用上，都存在一定的差别。3）表征从知识表征的角度看，程序性知识都可以采用内部和外部的表征形式。程序性知识可以通过执行任务的实际行动来表征，某人能够有效地完成一项任务，表明他具有完成这项任务所需的程序性知识，所以从某种意义上说有效的行动也可以看成是程序性知识的外部表征。程序性知识的内部表征发生在三个阶段：认知阶段、联结阶段和自动化阶段。在认知阶段，基本
26、上是在学习一套事实；接着是联结阶段，这一阶段主要有两件事：第一，逐渐发现并消除认知阶段的错误：第二，加强所需要的各种元素间的连结。最后是自动化阶段，是个体在练习过程中，逐渐把各个步骤结合成一个整体，又进一步整合为一个高度整合的程序的过程。2.化学学科中的程序性知识简单规则的运用在化学学习中，第一类程序性知识指的是概念及简单规则的运用。如识别物质的类别、方程式（如离子方程式、化学方程式、电极反应方程式）和结构式，结构简式等的书写，配合物、有机物的命名、式量、摩尔质量的计算等。规则有两种功能：一是用作对事物分类的标准，在本质上这种规则就是一个定义性概念；二是指导人们如何办事。确认一种规则是否为个体
27、所掌握的标准是什么呢？学生是否能鉴别其中包含的各个概念；学生是否能揭示构成这些概念之间的关系。化学实验技能化学学习中的第二类程序性知识指的实验技能，也就是根据有关原理、规则进行实验操作。如气体的制备、物质的提纯、有机物的合成等。所谓化学实验技能是在练习的基础上形成的、按照化学实验规则及实验操作程序顺利完成化学任务的能力。实验技能是指利用已具备的陈述性知识和程序性知识，通过实验操作解决未知的化学问题的“心智水平”。它不仅包括实验设计、观察、分析、归纳等心智技能，还包括实验操作等操作技能。化学实验操作技能的形成：化学实验操作技能的形成过程可以分为模仿、操作、自动化三个阶段。模仿是学生通过观看老师的示范和讲解之后，在知道做什么和怎么做的基础上，仿效教师动作的过程。模仿是实验操作技能形成的开端。操作，是在模仿的基础上把构成某项实验操作技能的一系列动作依其内在联系，联结成为一个整体，并能够进行独立操作的过程。自动化，是指在独立操作的基础上，通过练习把某项实验操作技能的一系列动作在不同条件下都能连贯地达到规范化、“自动化”程度。影响化学实验技能形成的因素：一般认
