化学基本概念 初等化学中的基本概念
时间：2019-02-05 03:32:46 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
文章编号：1005-6629(2011)12-0003-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B 作者注：这是一篇试图阐明初等化学教学中和学科基础关系紧密的几个基本观念和概念的短文。内容是大家所熟悉的，很多实例也是大家在教学中曾经提及或着重阐述过的。比较系统、注重层次、探究认知过程中可能出现的障碍和排除的途径，是本文着力之处。一得之见，未必全面，希望能够起到抛砖引玉的作用。
Lehn教授在超分子化学和组分动态化学方面的研究，不仅在有机化学和化学与生物化学领域起着“引领风骚”的作用，他和他的学派的研究成果中，还包含着对化学学科的最基本问题，即两种或多种化学物质为什么会发生反应?为什么外界条件的调控可以起作用?有趣的是，为什么即使是极其相似的反应体系，采用同样的调控措施，结果往往并不全同，有时甚至会出现“南辕北辙”的情况?这些问题，对于目前仍然处于依据物理或几何原理(如电荷匹配、静电作用、空间匹配、空间阻碍等)进行理论解释的化学学科来说，都具有“振聋发聩”和令人耳目一新的作用，值得关注。
熟悉中学化学教学的老师们对于初等化学中的基本概念，可以列举出很多，而且在过去的课程大纲或现在的课程标准中都可以找到根据。但是就化学学科本身的特点和学科主要思路来看，应当认为，大家所列举那些基本概念，它们的层次并不是等同的。而只有形成了符合学科特点、层次分明的概念“结构”，清楚地了解什么是化学，才能有效地帮助学生学习化学和学好化学。这里所说的有效，不仅指中学学习阶段，也不仅着眼于如何通过中考和高考，更着重于今后的继续学习，因为只有这样，才能够真正实现初等化学的启蒙和打好基础的教育功能。
1 学科任务决定了学科的基础
从化学学科的任务来看，除去合成新的化学物质外(有的是事先确定的，也有的是偶然发现的)，它的主要特点在于研究或发现物质的“个性”，亦即尽可能地发现或找出任意两种物质(此处应指纯物质)之间的相似f生和差异，并更加着重于后者。为此不仅要关注物质的组成和结构，还要尽可能地确定它们所具有的“全部”性质，包括物理性质和化学性质。物质的性质是人们了解它们的用途和潜在危害性的依据，也是用以识别、检出、分离、提纯的依据。和组成结构相关联之后，物质的性质曾经是，而且现在依然是化学家由宏观现象推及微观组成和结构的重要依据，即所谓“见著而知微”的研究方法。当物质的组成结构和性质之间某种对应关系逐渐形成(即所谓的理论)后，便可以起到―定程度的预见或推测作用，亦即“见微而知著”的认知途径。20世纪80年代扫描隧道显微技术的问世，继而出现了原子力显微镜等等可以用于“直接”触及、感知、观测和操纵原子、分子、纳米团簇一类微观物体的技术时，所得到的信息，不仅证实了人们几百年来由物质的宏观现象推断出来的某些重要结论的准确性，而且成为一种名副其实的“见微而知著”的现代实验研究手段。由于实验研究对象属于原子分子水平，因而同时支持了以量子力学为主的理论化学的发展。
根据科学界广泛接受的化学学科定义，化学是研究物质的组成、结构和性质的科学的说法，应当是一种比较简明扼要，而且能够反映化学学科特点的说法。虽然应当允许人们采用或倡导其他一些更为详尽或全面的说法，作为初等化学，我认为上面那个比较简明扼要的定义，已经足够了。因为它涵盖了化学的主要特点以及学科的基本任务与发展方向，更重要的是，有利于初学者把握课程的特点和化学学科的思维方式。
2 化学元素论是化学学科的核心概念
化学学科的基础是化学元素，这是和其他自然学科最大的不同之点，也是化学启蒙和化学前沿研究的核心内容。元素的概念由来已久，曾经是中外哲学家的主要研究课题之_，虽然所设定的元素数目和内涵并不完全相同，但是认为复杂的物质世界可以归结到若干种基本元素的看法却是相通的。道尔顿原子论的提出，特别是根据当时已经为科学界普遍接受的定组成定律(又称定比定律)和倍比定律确定的以原子质量为化学元素基本特征的思想，使得化学元素成为具有确定物理意义的实体，从而奠定了近代化学的坚实基础。这―认识虽然在发现同位素和原子核后，经历了多次修改和逐步完善的过程，但是应该认为，它的核心内容并没有发生质的变化。所以在化学启蒙阶段，化学元素观是应当始终给予关注的核心概念。现代化学虽然涉及领域极广，理论方法和物理技术本身也已经成为化学研究工作的重要对象，但是化学的主流研究和学科发展仍然基于化学家对元素观认识程度的深化和发展。唐有祺院士曾经多次指出：“化学家的主要工作是耕耘元素周期表。”这一精辟的论述，特别是所用“耕耘”二字，形象而且深刻地阐明了化学元素观的基础性和重要性。
作为核心基础概念的元素观，不仅体现在元素之间的差异和它们在某些结合形式(组成和结合方式)和基本性质方面存在随着核电荷数(原子序数)增长，表现出来的周期性变化规律，更为基本的是，元素在物质组成中所有的存在形态都可以成为物质性质差异的依变因素。从而可以理解，为什么仅仅百余种化学元素就能够构成浩瀚无穷、性质各异的物质世界(据估计，由几十种常见元素构成的化学物质就将达到1014的量级)!所以，在化学启蒙阶段，探究式的实验和课堂教学，可以使得学生在学习具体化学知识的同时，逐步增加和深化对元素形态的认识，从而成为提高学习兴趣和教学质量的关键所在。从这个角度来学习课程标准和阅读教材，才能够深入理解所选择元素的代表性，理解为什么它们是化学启蒙的钥匙，以及为什么在中外初等化学教材中几无例外地选择了它们。如果只停留于阐述和记忆具体的化学事实，不能帮助学生从中领悟到这些具体知识只是化学世界的表象，而无穷无尽的化学变化，则尽在组成元素所具有的形态[如电性、化合价、所处化学环境(最邻近的其他元素和结合方式、和分子中其他元素的相互作用等)]和它们的变化之中。若学生不能由此引发出推测、联想和探究的兴趣，就不可能真正地体验到科学的魅力，这样的课程教学也难以真正体现出科学教育的价值。
3 以元素论为基础的化学物质微粒观
化学启蒙阶段的教学，在元素观之外，还应当着力于建立物质的微粒观。虽然课程也涉及原子核、电子、质子、光子等微粒，但是就化学而言，原子和分子才是学科的基础。有关原子分子的微粒性，似乎并不难阐明，教材和多种教学媒介中也为此在文字叙述、图表、动画等方面做了很多努力。但是人们在日常生活中却缺少实际的体验，即使像空气和某些挥发物质的扩散、流动现象，也因为看不到微粒实体，难以成为习惯于眼见为实的实证，以至于不能成为形成科学微粒观的感性依据。加以人们常见的固态或液态物质所表现的宏观连续性，固态物质所具有的稳定性和表现出来的强度、硬度、弹性等，在建立物质的微粒观，特别是包括静态和动态两个方面的科学微粒观时，必然成为认知过程的障碍。Nakhleh等的研究报告证实了这种障碍存在的普遍性。所以，建立以微粒观为依托的元素观，是化学启蒙教育的核心任务之一，不可掉以轻心。
物质的量作为一种法定的物理量，从另一个角度说明了微粒观的重要性和基础性。所以，把建立科学微粒观 的过程和对物质的量的理解与应用结合起来，可能有助于初学者克服学习有关知识时的困难。现在普遍采用的通过物质的质量和物质的量之间反复换算的方法，不是一种有效的方法，至少对于建立科学微粒观而言，不能认为是一种值得充分肯定的方法。摩尔概念及其应用之所以成为初等化学教学的难点，应当与此有关，因为在进行简单的数学换算时，可以不涉及运算对象的本质，对学生形成物质的科学微粒观，通常帮助不大。
对于化学来说，仅仅建立微粒观是不够的，因为化学所关注的微粒――原子、分子，不仅彼此是分立的微粒，更重要的是，所有化学物质的微粒都有确定的组成，如果组成比较复杂(例如原子数>3)，微粒内部还应当具有确定的结构(即组成原子之间，保持着相对稳定的几何关系)。发现、确定、修饰或改变物质的组成与结构，是化学特有的任务，以物质的性质为依据，探索它的组成和结构，或通过设定物质的组成与结构使之具有某种预定性质的探索，亦即通过物质的组成结构和性质问的研究，使得看似虚拟的微粒，成为可以直接或间接“感知”的具有确定组成结构和宏观性质的实体。这种认知方式和过程，是化学学科所特有的，也可以归结为通常所说的“化学视角”。
4 建立科学微粒观难在何处
人们从自己的生活经验中很难直接体验到物质是由彼此分立的微粒所组成的，学习基础物理力学时，物体的刚性假设；以静者恒静，动者恒动为核心概念的惯性定律；加上讨论晶体结构时常用的密堆积模型和在一般外力下固体及液体物质的体积的“不变性”等等，这些和学生日常感受相符的知识，对于建立物质微粒观可能起到阻滞的作用。所以，在初等化学学习过程中，要求摆脱原有经验的影响，建立至今尚未能直接观察到或感受到的与微观世界相应的微粒观，学生在学习过程中出现困难是必然的。也许这是不少学生觉得化学很抽象、很难学的原因之_。由于微粒观是化学学科的基础概念，也是初等化学教学的基本任务，因此如何建立科学的微粒观，―直是国内外化学教学研究的重要课题。NakhlehE2~在“为什么学生学不好化学”的研究报告中介绍了多个国家的化学教师的研究方法和结论，说明建立科学微粒观的问题，是一个普遍存在的问题，而且是一个相当棘手的问题，甚至在大学化学教学中还有所反映。我们曾经真正重视过这个问题吗?
科学微粒观，不仅要求承认并接受物质由微粒组成的观念，而且要求能够从静态和动态两个方面来认识物质的微粒。严格地说，所有物质微粒都是处在永恒地运动之中的，例如，在宏观条件下，可以观察到的气态、液态体系中分子空间位置与能量的交换(扩散过程)，固态物质的热胀冷缩，都可以作为上述结论的论据。当相对于参比体系而言，变化较小以至于可以忽略不计，或为了使初学者对于物质内部微粒的组成及结构几何获得粗略的图像时，人们往往采用经过统计平均后的“静态”模型来描述它们。由于在日常生活中，存在着大量的“静止”物体，先入为主的经验对于学生学习并建立微粒的动态观，有可能成为必须努力克服的认知障碍。虽然大多数学生都曾经有过搭积木或摆弄变形金刚一类玩具的经历，但是，要把这种经历与体会成为建立科学的微粒观尤其是物质微粒的动态观的助力，往往难以一蹴而就。因此，为了克服思维和认知方式等方面存在的惯性，学科知识的选择和适当的引导、思维方法和过程的改进与提高，都是必不可少的。故而在讲授具体化学知识的同时，充分发挥它们作为科学概念载体的作用，应当是教学改革的要义之一。
5 建立化学物质微粒动态观的必要性
什么是微粒的动态观?为什么学习化学―定要建立微粒的动态观?这是我们在中学化学教育和教学中―直在做，但是并没有充分认识到它的重要性的一个极其重要的基础概念。微粒的动态观并不限于承认无论是处于自由态的微粒或者是处于束缚态的微粒(例如物质组成内通过化学键结合的微粒)，都处于永恒的运动状态，而是认为他们都具有脱离原有的状态，改变自己的形态或和其他微粒形成新的结合态的可能。亦即发生化学变化的可能。如果把化学变化仅仅描绘为旧键的断裂和新键的形成，却忽略了键的断裂或生成过程的主体一微粒，忽视了物质组成中的组分(可以是单个原子或多个原子)的迁移、交换、重组等才是化学变化的本质，应当是一个值得注意的疏漏。其实所谓的“键”，在化学中无非是对微粒结合状态的一种比较形象的认知模型而已，随着新型化合物的发现和合成，为了解释它们所具有的新的结构，新的键型就会不断地被提出来，C60就是一个大家都熟悉的例子。其间的主次关系不是非常清楚了吗?
化学的微粒动态观，除去微粒本身外，还包括微粒组成中的微粒(原子或原子团)。后者在微粒内和于其他微粒之间的迁移、交换、化合和断离等构成了复杂而奇妙的化学变化。对这些变化的分析、调控、解释或推测，通常以物质的静态组成和结构为基础，可能造成对其动态本质的忽视和对化学的理解。
6组分动态化学是化学微粒动态观的体现
法国化学家J-M Lehn，曾因在超分子化学领域的杰出贡献获得1993年诺贝尔化学奖。如果说超分子化学主要关注的是两种能够独立存在的分子，仅仅依靠分子间引力就能够结合成为有确定组成、确定结构和稳定性的“超分子”化合物，近10年来，他的视角又转向了把稳定分子视为可以提供多种组分的母体，从而有了自发地从多种母体获得所需组分并合成预定化合物的可能。他把这类化学合成过程称之为组分动态化学(Constitutional DynamicChemistry)或适配化学(Adaptive Chemistry)。图1、2引自参考文献，可以代表他的基本思想。自动合成了图中所示的组成和结构都极其复杂的化合物。有兴趣的读者可参看文献。
7 初等化学中的“组分动态化学”
其实在初等化学中，我们也可以把Lehn的组分动态化学思想应用于探究和解释简单分子反应的多样性。下面所举的硫酸和苯酚是两个有代表性的实例(如图4所示)，不同位置的键的断裂，相当于一类反应。物质的化学性质的多样性源于它的组成与结构，由此可以一目了然。而实现某个变化，则取决于反应条件和它所处的化学环境。这里所说的化学环境，除去未在图中表明的其他反应物外，还包括溶剂和介质。
上图不仅显示了硫酸和苯酚分子常见的几种反应，基于化学元素观和化学物质微粒动态观，我们还可以看到，每一种化学物质都可以成为提供它所含元素的母体，提供的方式可以认为包括了元素间所有组合方式。其间隐含着近乎无穷的可能性，化学的魅力由此可见一斑。从简单分子的解析到组分动态化学思想的提出和实现，所依据的基本概念实际上是相通的。由此对于初等化学的启蒙性和基础性的认识可以得到进一步深化。
