现代化学与中学化学

现代化学与中学化学 南京师范大学化学与环境科学学院　　　 龚正元 本课程的主要内容 现代化学发展对中学化学的影响 化学思想与化学 化学与环境科学 化学与能源科学 化学与材料科学 化学与生产和生活的联系 中学化学疑难问题解析 本课程的学习要求 自觉、主动、积极参与 阅读相关资料 认真完成作业 研究性学习 第一讲　现代化学发展对中学 　　　　化学课程的影响 一、化学学科的成就和地位 1.化学学科的地位 早在1985年，美国学者G.C.皮门特尔指出：“化学是一门中心科学，它与社会多方面的需要有关。化学的基础研究则将有助于我们的后代赖以满足演化中的需要，赖以解决许多难以预期的问题。” （1）化学是一门承上启下的中心科学。科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游，化学是中游，生命、材料、环境等朝阳科学是下游。化学是中心科学，是从上游到下游的必经之地。 (2)化学又是一门社会迫切需要的中心科学，与我们的衣、食、住（建材、家具）、行（汽车、道路）都有非常紧密的联系。 (3)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朝阳科学（sun-rise sciences)都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。 今天，在人类社会发展过程中迫切需要解决的几个重大问题：环境、粮食、能源、生命进化等，都需要化学的参与。 2.20世纪化学的重大成就 在20世纪的100年中，化学与化工取得了空前辉煌的成就。 “空前辉煌” 数字2 285万。1900年在Chemical Abstracts(CA)上登录的从天然产物中分离出来的和人工合成的已知化合物只有55万种。化学是以指数函数的形式向前发展的。 但“化学家太谦虚”（这句话是Nature杂志在2001年的评论中说的），不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。因此20世纪化学取得的辉煌成就，并未获得社会应有的认可。 2.20世纪化学的重大成就 20世纪发明的七大技术中最重要的是信息技术、化学合成技术和生物技术 报刊上常说20世纪发明了六大技术: 1.包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、通讯和网络等的信息技术； 2.基因重组、克隆和生物芯片等生物技术； 3.核科学和核武器技术； 4.航空航天和导弹技术； 5.激光技术； 6.纳米技术。 但却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子、化肥和农药的化学合成（包括分离）技术。 上述六大技术如果缺少一两个，人类照样生存。但如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新农药的技术，世界粮食产量至少要减半，60亿人口中的30亿就会饿死。没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术，人类平均寿命要缩短25年。没有发明合成纤维、合成橡胶、合成塑料的技术，人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子和新材料的化学工业技术，上述六大技术根本无法实现。 二、现代化学发展的趋势 1.新世纪的化学科学主要研究的物质层次 化学是什么？ 化学的传统定义：研究物质的组成、结构、性能和变化规律的科学。或者：化学是研究分子的科学。 现代化学定义：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。 新世纪化学主要研究的物质层次 （1）原子层次的化学：核化学、放射化学、同位素化学、元素化学、单原子操纵和检测化学等。 （2）分子片层次的化学：原子只有一百多种，但是分子数已达3000万种，因此，在原子和分子之间引入一个新层次“分子片”。 （3）分子层次的化学：3000多万种化合物（分子），通常分为无机、有机和高分子化合物，但是近些年合成的金属有机化合物、元素 有机化合物、原子簇化合物、金属酶、金属硫蛋白等等，已不能适应传统非分类方法，新世纪将研究分子结构类型和结构方式。 （4）超分子层次的化学：受体和给体的化学、锁和钥匙的化学、分子间的非共价作用力、范德华引力、各种不同类型的氢键、亲水与疏水基团及其相互作用、分子的堆积、组装、位阻及包括各种空间效应等。 （5）生物分子层次的化学：生物化学、分子生物学、化学生物学、酶化学、脑化学、神经化学、基团化学、生命调控化学、药物化学、手性化学、环境化学、生命起源认知化学等。 （6）宏观聚集态化学：固体化学、晶体化学、非晶体化学、流体和溶液化学、等离子体化学、胶体化学和界面化学等。 （7）介观聚集态化学：纳米化学、软物质化学、胶体化学（胶团－胶束化学和气溶胶化学）等。 2.新世纪化学科学的主要研究领域 （1）环境相容性化学－绿色化学 研究的核心问题： 绿色合成技术方法和过程 可再生资源的利用和转化中存在的一系列问题的研究。 矿物质资源高效利用中存在的关键科学问题的研究。 （2）新材料化学科学 新材料的研究主要有以下几个方面： 复合型材料 新型能源材料 可生物降解高分子材料 有机物体系膜分离及膜材料的研究 生物材料化学 （3）化学中的生命科学 生物超分子功能的研究 模拟生物体系的自由基化学和物理有机化学研究 无机化合物药用的研究　　无机药物的手性选择问题、抗癌配合物的研究、利用微量金属离子有效地预防疾病、对无机药物跨膜运送机制、无机药物载体和靶向药物的研究、核药物及中药复方中使用矿物的问题。 （4）化学工程技术 从液滴－反应器的尺度范围内对化学转化影响下的某些重要的物理现象进行研究就形成了化学工程。 具有经济、环境优化性的化学过程集成智能方法 化学反应的原子经济 飞秒激光控制化学反应 微系统（MEMS）的新型活性加工技术及微流量系统的研究。 （5）农业化学科学 粮食问题的解决，除了不断发展其他领域的农业（如海洋蓝色农业、微生物白色农业等）之外，化肥工业是支撑农业发展不可动摇的基石 重要研究内容：固氮工程、光合作用、长效缓释化肥等 其他重点研究领域：植物激素及生长调节物质、昆虫激素及生长调节物质、昆虫信息素、生物活性发展的分离和鉴定等。 （6）催化化学 新世纪的催化化学是以消除有害物质为目的的新的能源环保为特征的催化化学 研究各种形式的催化过程，如化学催化、生物催化、择形催化、电催化、光催化等在绿色合成中的作用。 研制开发家电用环保催化剂、烹调器用自净化催化剂、光催化空气净化剂、催化燃料电池、汽车尾气净化剂等。 （7）计算机化学科学 一方面电子信息产业需要大量的化工原料，其中有基材、光刻胶、掺杂剂、封装材料及专用清洗剂等。 另一方面，随着分子生物学的不断兴起和发展，人们发现在生物大分子之间遵循化学和生理规律发生相互作用过程中，能形成具有类似于计算机的信息传输和处理、甚至逻辑运算功能的“生物电路”，从而诞生了生物计算。 计算机化学科学的另一领域是发展理论化学计算及微观过程模型的软件。 3.21世纪化学科学的四大难题 （1）化学反应理论 建立严格的微观化学反应理论，既要从初始原理出发，又要巧妙地采取近似方法，使之能解决实际问题，包括决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应？能否生成预期的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何在理论指导下控制化学反应？如何计算化学反应的速率？如何确定化学反应的途径等。 （2）结构和性能的定量关系 理论上说，一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质，但实际计算很困难。 要优先研究的课题：分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律；超分子结构的类型、生成和调控的规律；给体－受体作用原理；生物大分子的结构以及与生物和生理活性的关系；分子自由基的稳定性和结构的关系；掺杂晶体的结构和性能的关系；如何合成具有人们期望的某种性能的材料？如何使宏观材料达到微观化学键的强度？ （3）生命现象的化学机理 研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，这是药物设计的基础。 搞清楚光合作用、生物固氮作用，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。 人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机，彻底了解大脑的结构和功能，是多学科共同面对的难题。 （3）生命现象的化学机理 了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。 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到分子生命的飞跃？如何制造活的分子，跨越从化学进化到生物进化的鸿沟？ 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，分形现象等非线性问题 （4）纳米尺度的基本规律 尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同 　导致物质性能及其运动规律和原理的质的区别 纳米尺度的热力学性质　如金的熔点1063℃，纳米金（5－10nm）的熔化温度为330 ℃ 。银的熔点为960.3 ℃ ，而纳米银（5－10nm）为100 ℃ 。 纳米磁性　　量子隧穿效应、量子相干效应等 纳米粒子比表面很大，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6000 ℃降至室温。 三、中学化学课程中的科学观念 科学观念是指人们对科学对象、科学过程的本源和本体的见解或意识，即对科学对象持有的整体的观点，包括科学思想、科学精神、科学方法等。 科学观念是科学认识和实践中思维的细胞和基石，也是组成科学素质的最高层次的要素。 就科学过程而言，科学观念包括人类为什么想、怎样想、想出了什么、为什么这样想等。 1.科学观念的几个重要特征 （1）广泛性和高效性 （2）模糊性和间接性 （3）稳定性和变化性 （4）概括性和基础性 （5）观念的胚胎式发生 呈现出生理学上“全或无效应”，观念一旦形成，尽管有时可能尚不完善，就会具有发育为成熟观念的所有“生长点”。 2.中学化学课程包含的科学观念 （1）物质是不断运动变化的 （2）物质的性质是由其组成和结构决定的 （3）物质不可能无缘无故消失，只可能有规律地转化 （4）环境问题较多是由人类不正确使用科技成果造成的，各门科学可以继续为解决环境问题贡献力量。 2.中学化学课程包含的科学观念 （5）人是自然的一部分，人的生存、成长和发展需要借助科学知识、遵循科学规律。 （6）自然是人类可利用的重要资源，也是人类的朋友。 （7）科学研究有方法可循。 3.科学观念的来源 （1）包括化学学科在内的各门具体学科的科学概念、科学理论等知识。如元素周期表与元素周期律、氧化还原反应规律、化学反应速率与化学平衡、物质的结构、性质和用途等。 （2）科学发展史　　如燃素说与氧的发现 （3）科学技术的社会化带来的新观念和新思想。如人的自然协调发展、科学技术是第一生产力、生态平衡等。 4.科学观念的培养途径 科学观念的形成，是在对具体的科学知识、技能和方法的学习与实践活动过程中，通过内化、升华而逐渐形成、发展起来的。 （1）构建合理的学科知识结构 （2）重视知识发生和获得的过程 （3）以适当方式促进学生感悟 （4）深挖课程中蕴含的科学观念，形成观念体系。 四、课程中的现代化学内容 1.物质结构知识 《化学1》　知道化学是在分子层面上认识物质和合成新物质的一门科学 《物质结构与性质》　了解晶格能的应用，知道晶格能的大小可以衡量离子晶体中离子键的强弱；举例说明分子间作用力对物质状态等方面的影响；列举含有氢键的物质，知道氢键的存在对物质性质的影响。　 2.化学与环境科学 《化学1》　通过实验认识氯、氮、硫、硅等非金属及其重要化合物在生产中的应用和对生态环境的影响。 《化学2》　以酸雨的防治和无磷洗涤剂的使用为例，体会化学对环境保护的意义；能说明合成新物质对人类生活的影响，讨论在化工生产中遵循“绿色化学思想”的重要性。 《实验化学》　树立绿色化学思想，形成环境保护的意识。 2.化学与环境科学 《化学与生活》　评价高分子材料的使用对人类生活质量和环境质量的影响；通过典型的水污染实例认识水污染造成的危害，能说出污水处理中主要的化学方法和原理；知道大气主要污染物，能说出减少大气污染物的一种及方法；认识“白色污染”的危害和防治方法；根据防治土壤污染、保护环境的要求，举例说明废水处理、垃圾和其他生活废弃物的处置方法。 《化学与技术》　以废旧塑料的再生利用为例，认识化学对废旧物资再生与综合利用的作用，讨论其可能的途径。 3.能源科学 《化学2》　知道化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因；通过生产、生活中的实例了解化学能与热能的相互转化；举例说明化学能与电能的转化关系；认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。 3.能源科学 《化学反应原理》　了解化学反应中能量转化的原因，能说出常见的能量转化形式；通过查阅资料说明能源是人类生存和发展的重要基础，了解化学在解决能源危机中的重要作用，知道节约能源、提高能源利用效率的实际意义；体验化学能与电能相互转化的探究过程，了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式；通过查阅资料了解常见电源种类及其工作原理，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。 4.材料科学 《化学1》　能列举合金材料的重要应用。 《化学2》　能举例说明高分子材料在生活等领域的应用。 《化学与生活》　列举生活中的常用材料，能通过实例认识化学在发展生活用材料中的重要作用；认识金属与合金在性能上的主要差异，知道生活中常见的合金的组成；举例说明生活中常见合成高分子材料的化学成分及其性能，评价高分子材料的使用对人类生活质量和环境质量的影响。 4.材料科学 《化学与技术》　讨论社会发展和科技进步对材料的要求，认识化学对材料科学发展的促进作用；举例说明金属材料、无机非金属材料、高分子合成材料、复合材料和其他材料的特点，了解有关的生产原理；举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理；收集我国现代材料研究和材料工业发展情况的资料，认识新材料的发展方向。 《有机化学基础》　能举例说明合成高分子的组成与结构特点，能依据简单合成高分子的结构分析其链节和单体；举例说明新型高分子材料的优异性能及其在高新技术领域中的应用。 5.催化化学 《化学与技术》　了解催化剂的研制对促进工业生产发展的重大意义。 《化学反应原理》　通过催化剂实际应用的事例，认识其在生产、生活和科学研究领域中的重大作用。 6.生命科学 《化学与生活》　说明氨基酸、蛋白质的结构和性质特点，能列举人体必须的氨基酸；通过实例了解人体必须的维生素的主要来源及其摄入途径，了解维生素在人体中的作用；了解人体新陈代谢过程中的某些生化反应。 《有机化学基础》　能说出氨基酸的组成、结构特点和主要化学性质，查阅资料了解氨基酸、蛋白质、核酸等的意义，体会化学科学在生命科学发展中所起的作用。 7.在工农业生产中的应用 《化学与技术》　了解我国基本化工的生产资源、基本化工产品的主要种类和发展概况；了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义，认识催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义；通过实例了解精细化工产品的生产特点，知道精细化工在社会发展中的作用；通过典型事例了解化学肥料、农药、植物生长调节剂和除莠剂及其发展趋势。 7.在工农业生产中的应用 《化学与生活》　知道常见的食品添加剂的组成、性质和作用；知道水泥、玻璃和陶瓷的主要化学成分、生产原料及其用途。 《有机化学基础》　举例说明烃类物资在有机合成和有机化工中的重要作用；认识糖类的组成和性质特点，能举例说明糖类在食品加工和生物质能源开发上的应用；讨论有机合成在发展经济、提高生活质量方面的贡献。 主要参考文献 1.化学课程研制组编写.普通高中化学课程标准（实验）解读.武汉：湖北教育出版社，2004. 2.周志华主编.生活社会化学.南京：南京师范大学出版社，2000. 3.印永嘉等编著.21世纪的中心科学－－化学.中国华侨出版社，1995. 4.唐有祺、王夔.化学与社会.北京：高等教育出版社，1997. 5.大学化学编辑委员会编.今日化学.北京：北京大学出版社，1995. 6.高剑南、王祖浩.化学教育展望，上海：华东师范大学出版社，2001. 五【2】如果把科学比拟为长江 各门学科可以按照研究从简单到复杂分为： 上游 中游 下游 重庆 武汉 上海 数学物理 化学 生物学 领头学科 中心学科 前沿学科 化学要用数理、生物学要用数理化、医学要用数理化生 如果把科学比拟为长江 各门学科可按研究对象从简单到复杂分为： 上游 中游 下游 重庆 武汉 上海 数学 物理 化学 生物学 领头学科 中心学科 前沿学科 化学要用数 理、生物学要用数理 化、医学要用数 理 化 生