1、化學中的主要觀念_化學論文    文章摘要：                              要回答“普通化學中必須包括什么內容?”這個問題，我們就需要知道對于理解和正確評述現代化學，哪些是最重要的基本化學觀念。我們必須記住普通化學課絕不僅是(或不應該僅是)作為培養未來

2、職業化學家、生物學家、物理學家、地質學家、工程師、藥劑師、環境保護工作者的基礎課，而實際上對每一個有教養的公民來說，都必須懂得化學。因此，這門課應當能適應自然科學、工程和藥學等系學生的需要，使他們了解化學家對物質世界是怎樣想的?今天的化學家在做些什么?化學能回答哪些問題?我們應該向學生們展示在他們所選學的領域以及日常生活中化學的重要性。我稱這些基本概念為：“化學中的主要觀念”。這里列出6種概念，它們構成現代化學的基礎。我相信每一所高中和大學的初級化學課，應當包含這些觀念，整個課程應圍繞著它們構建起來。當然每個觀念的深度則取決于各該課程的水平和目標而定。應當指出的是我在這里提到的是在一般大學的普

3、通化學課中對這些觀念應當論述的最低程度。當前存在于一些大一化學課中過重負擔的問題，部分是由于介紹某些概念時過分詳盡，超過了切合學生對課程實際需要水平的緣故。 原子，分子，離子 現代化學是從道爾頓和原子、分子概念開始的。元素是一種僅由同一類原子組成的物質。化合物則是由兩種或兩種以上的原子按一定比值結合在一起的。為了明白原子是怎樣結合到一起形成分子的，我們應進而提到盧瑟福和一個原子是由中心的原子核與環繞它的電子構成的概念。從電離能和光電子譜的數據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和圍繞著它的價電子殼層的概念。 化學鍵：是什么使原子在分子和晶體中結合在一起 所有的化學

4、鍵都是由存在于帶正電荷的原子實和帶負電荷價電子間的靜電引力形成的。靜電引力是化學中僅有的重要引力。軌道重疊并不能直接說明化學鍵的形成，因為，像我們常常所讀到的那樣，持這種說法，僅是一種模型，它因很有用而主要是化學系學生們學習的。但我不認為對于所有初學者是一種更本質的說法，我們可以不需要它即能對化學得到一很好的理解。當然，許多化學家還會不時地利用它。但它會干擾，著力去認識構成鍵的真實原因，即原子核與電子間的靜電引力。在初級化學課中還需要討論更重要、關系更密切的課題。更有甚者，軌道模型會帶給學生不正確的看法，認為學化學很難、抽象，僅是對初學者難以解說清楚、弄懂的概念基礎上的數學研究。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，而共價鍵則是共用電子對對兩個原子實間的引力形成。相對應的路易斯結構式可以告訴我們一個原子可以形成多少個鍵。根據我的看法，這些概念對于在初學階段討論化學鍵問題是足夠的了。分子的幾何形狀：三維化學 從勒貝爾和范霍夫時代開始，分子的幾何形狀概念已成為化學的重要內容。其重要性隨著X-射線結晶學的進展而得到增強。在現代化學中了解了分子的形狀對于更廣泛地理解某些專題，例如：生命分子及其功能，工業催化劑如沸石和固態表面以及高分子合成等。我們對分子形狀的了解加上對其控制的能力，現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“識別”)，可以傳導電流具有導線功能的長鏈分子，等等。現在，化學家能創造這種復雜多樣分子是令人矚目的，也說明了關于化學的一種很重要的觀念，即在研制新材料方面，化學是一種富有創造力的科學。化學家們能制出此前并不存在的新分子。盡管上述新觀念因為可以使學生了解化學是一種實際、有用、合乎需要而不是枯燥、純理論、純數學、抽象的科學，而有助于激發學生學習化學的積極性；但在初級化學中它并未受到重視。我們有一個非常簡單的理論模型，即價層電子對互斥理論模型，它對論述簡單分子的形狀以及甚至很大分子的大多數性能均提供了基本的原理。對于初等水平的化學我們就不必再

7、作更多的探究了。雜化軌道理論是化學課中在這部分經常討論到的，是屬于軌道模型的一個側面。了解雜化軌道概念對于化學系的學生來說是重要的，但對于一般學生來說并不是必需的。現在的分子模型的方案使學生更易于理解并熟悉各種分子的形狀。動力學理論關于動力學理論，我并不是指pv=nmC=nRT公式的導出，對于化學課來說，它并不是重要的內容，而更重要的是在絕對溫度0K以上原子和分子進行的永恒的無序運動：溫度越高分子運動得越快。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氣態、固態、液態存在的理解提供解釋。原子的永恒運動說明不僅分子在空間運動，而且它們自身也不是靜止的，而是還具有轉動和振動，我們能運用

8、這些概念去介紹紅外光譜及其應用，例如用于識別有機物分子。化學反應現在讓我們研究有關化學反應的概念。化學反應的發生是由于反應物分子在移動中相互間發生激烈的碰撞足以使化學鍵斷裂，從而發生各原子間的交換，同時產生了新的分子。也可以是一個分子的振動，激烈到足以破壞其化學鍵，形成更小的分子。這些闡述構成了對化學反應簡明但卻是基本的解釋。更進一步探究，我們引入活化能概念，從而可以解釋為什么一些反應進行得很迅速，而另一些反應在室溫下，其速率幾乎是難以測出的緩慢。這些就是使學生理解化學反應如何發生所需的最低限的知識。至于所有那些通常較詳盡的闡述建立反應速率的曲線圖，反應級數，反應定律及其積分公式等等，相對于上

9、述的基本概念來說，都是次要的。那些較詳盡的闡述對于化學系的學生是重要的，但我懷疑在初級化學課中，學生學習它們是不是必要的。然而對于化學反應來說，卻還有許多是應當提到的，可能是由于在6個主要觀念中，化學反應是最重要的，因為各種各樣的化學反應是化學的核心。從煉金術時代起，試圖了解化學反應一直是化學家的首要目的。現在我們已經認識了許多不同類型的反應，但在其中特別應指出的兩類，即酸堿和氧化還原反應，在全部無機、有機和生物化學反應中，它們是十分重要的，因此，我確信在初級化學課中應給予足夠的重視。但是不能僅簡單地從定義即質子的轉移和電子的轉移上，就能對它們作到徹底的了解。而對它們的介紹應是讓學生通過在實驗

10、室中親自觀察實際反應的進行，或者求其次，也要參加演示教學實踐和收看錄像。這兩種反應類型再加上一些其它的類型如生成沉淀的反應以及有機化學中的加成反應、取代反應等；可以使我們了解學習化學中所用到的數以千計的反應的本質。關于忽視化學反應研究的部分原因是認為這些內容在初級化學課中是屬于描述化學的，因而認為是枯燥的。當然單純描述性的，確實枯燥，但當今化學的發展已遠遠超越了單純描述的階段；了解反應的實質，并在特定的目標下應用它們，已是化學家理應設法做的事。多數工業以及純理論的化學關注新物質如材料、塑料、藥物的合成，以及選用更好的方法，包括價格重便宜、更符合環境要求的方法等來制備現在已知的物質。那么，在化學

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，理應更加重視許多富有想象力的化學家所從事的很了不起的事業，從而在制造更多新分子的道路上繼續前進。這樣就可以向學生們顯示化學會對啟發創造性和想象力提供無窮的機會。元素周期表對于了解化學反應及其分類是很有幫助的。在化學發展史上它曾起了如此重大的作用，從而在確定化學主要觀念時，不能不把它納入其中。應特別強調指出的是早在人們比較詳細地了解原子結構之前，門捷列夫即發明了這張對更好地了解元素和化合物性質及其分類的表。至今它仍然是化學家們達到以上目的的有力工具。在了解化學反應當中，我們還較廣泛地應用如電負性、原子的大小、原子實

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構模型直接推導得出。能和熵最后，我們需要知道為什么有些反應能發生，而另一些反應卻不能，或者更確切地說為什么一些反應當只有很少一點生成物產生就達到了平衡，而另一些反應實際上是完全反應了。要弄清以上的問題，需要熱力學的知識特別是應用能和熵的概念和熱力學第一定律、第二定律。熱力學對學生來說是學不到的，正式的熱力學方程更不可能學到。如果依據正規的教學過程進行，那是很枯燥的和比較難的。有人甚至認為熵是一個令人害怕的詞。它似乎給人一個既抽象又難以理解的印象。但是我們并不需要這樣做。每一個人都能夠理解混亂度的概念，它實際上涵蓋了熵的全部內容。學生已

13、在討論分子運動論時遇到過無規則運動的概念，化學反應能產生是整個宇宙(更簡單地是指反應體系及其環境的總和)的混亂度在增加。這樣，對放熱反應來說，熱量轉入環境，使環境的熵值或混亂度增加了。在通常情況下，大多數反應是放熱的，因為釋出的熱量轉移到環境，使其熵值或混亂度得到很大的增加，一般來說，這比在反應體系內熵值或混亂度減少的數值要高。但是我們也會遇到吸熱反應，這時體系的混亂度增大，由于反應體系從環境吸熱而比環境混亂度減少的數值大，因而總體上來說，熵值或混亂度也是增加了。這就是理解熱力學在化學反應中的作用的全部內涵。即一個反應能夠進行的條件是反應體系和環境總嫡值增加。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，學生們即可懂得許多重要的觀念。我認為在初級化學課中并不需要再學得更多了。要知道在教學中塞給學生許多方程式并不能有助于使學生對基本概念的理解，如果對基本概念并不理解，只從數學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的練習而已。應將大一化學建立在主要觀念的基礎之上我認為在大一化學課中以上這些主要觀念應使學生對它們得到最基本的理解。對化學系的學生在整個課程中可以擴展它的內容及其應用。對于其它自然科學、工程和藥學等系的學生在以后的課程中，還能得到進一步的學習。我所指的是在大一水平對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，但我并不認為還需

15、要更多地介紹了。在任何情況下，需要花費在學習上的實際時間，只應是保證對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題去實際測試學生對這些觀念的理解情況。而定量要求的習題往往得到的是將多種數字填入死記的式子中所形成的答案；一般來說這對于測試學生對觀念的理解，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容，而并不必要花費所有可提供的時間。如果加大份量則必然要耗費很多精力去解決現行課程中的主要問題，其中如更大量的教材，對抽象理論要求給以過多的重視；這樣必然會缺乏足夠的精力花在化學反應上，幾乎沒有時間花在與人類有密切關系的教材如環境化學、材料科學、高分子化學和生物化學這些能使化學課更新、現代化的內容上。而這些內容如在普通化學中不給予介紹，則不能說我們是真正在講授現代化學。那么，我們究竟應該從整體上講，怎樣介紹這些基本觀念呢?我認為，對每一個觀念不應該是一次性地全部完成教學，而應該是形成系列，因為它們中的大多數都是很早就需涉及。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用它們去認識物質的性質和它們的反應，而后，當需要這些觀念時，再作進一步的闡述。也就是說，我們只是應用這些觀念去合理地解釋選取盡可能多的簡單、為人們相對熟悉、較普通或日常生活中