高中化学人教版全套教师用书必修1

高中化学人教版全套教师用书必修1

说明 本书是根据教育部制订的《普通高中化学课程标准（实验）》和人民教育出版社课程教材研究所化学课程教材研究开发中心编著的《普通高中课程标准实验教科书化学1（必修）》的内容和要求，结合高中化学教学的实际情况编写的，供使用《普通高中课程标准实验教科书化学1（必修）》的高中化学教师教学时参考。‎ 从有利于教师理解和体会课程标准，以及更好地使用教科书出发，全书按教科书的章节顺序编排，每章包括本章说明、教学建议和教学资源三部分。‎ 本章说明是按章编写的，包括教学目标、内容分析和课时建议。教学目标指出本章在知识与技能、过程与方法和情感态度与价值观等方面所要达到的教学目的；内容分析从地位和功能、内容的选择与呈现、教学深广度以及内容结构等方面对全章内容作出分析；课时建议则是建议本章的教学课时。‎ 教学建议是分节编写的，包括教学设计、活动建议、问题交流和习题参考。教学设计对节的内容特点、知识结构、重点和难点等作了较详细的分析，并对教学设计思路、教学策略、教学方法等提出建议；活动建议是对“科学探究”“实验”等学生活动提出具体的指导和建议；问题交流是对“学与问”“思考与交流”等栏目中的问题给予解答或提示；习题参考则是对节后的习题给予解答或提示。‎ 教学资源是按章编写的，主要编入一些与本章内容有关的化学知识、疑难问题解答，以及联系实际、新的科技信息和化学史等内容，以帮助教师更好地理解教科书，并在教学时参考。‎ 为了丰富化学课程资源，本书最后编入了科学家谈化学的内容，以开阔教师的视野。‎ 本书内容仅供教师参考，授课时的教学方法由教师根据具体情况决定。‎ 参加本书编写工作的有（按编写顺序）王晶、韩颖、陈新智、郑长龙、任学宝、李文鼎、王作民。‎ 本书的审定者是李文鼎、王晶。‎ 责任编辑是乔国才。‎ 参加图稿绘制工作的是李宏庆。‎ 本书的内容难免有不妥之处，希望广大教师和教学研究人员提出意见和建议，以便进一步修改。‎ 人民教育出版社  课程教材研究所 化学课程教材研究开发中心 ‎2004年6月 普通高中课程标准实验教科书──化学 说明 普通高中课程标准实验教科书──化学是贯彻执行教育部制订的《普通高中课程方案（实验）》的要求，根据社会发展的需要、学生身心发展状况及学科本身的规律，依据《普通高中化学课程标准（实验）》（以下简称课程标准）而编写的。‎ 一、教科书设计思路 ‎1.全面落实高中化学课程目标 课程标准指出“高中化学课程在九年义务教育的基础上，以进一步提高学生的科学素养为宗旨，激发学生学习化学的兴趣，尊重和促进学生的个性发展；帮助学生获得未来发展所必需的化学知识、技能和方法，提高学生的科学探究能力；在实践中增强学生的社会责任感，培养学生热爱祖国、热爱生活、热爱集体的情操；引导学生认识化学对促进社会进步和提高人类生活质量方面的重要影响，理解科学、技术与社会的相互作用，形成科学的价值观和实事求是的科学态度；培养学生的合作精神，激发学生的创新潜能，提高学生的实践能力。”教科书全面落实这些目标，从“知识与技能”“过程与方法”“情感态度与价值观”相融合的角度出发，构建教科书体系，着眼于提高全体学生的科学素养和培养终身学习的能力。‎ ‎2.以学生发展为本，促进学生学习方式的转变 学生是学习的主体，是对教科书进行能动的实践创造的主体。关注学生在教学过程中所表现的积极性、自觉性、创造性，变“要我学”为“我要学”，教科书尽可能为学生留有发展的余地，使编制过程本身延伸到课堂和学生的学习之中。改变以学科为中心的传统教科书设计，最大限度地满足学生的需要，贴近学生的生活，注重学生个性的养成、潜能的开发和智能的发展。‎ 例如，教科书设计从保护和鼓励学生的创造天性出发，重视学习过程和学习结果的创造性和个性化，这是一条重要的原则。鼓励学生提出个人创造性的意见，不处处强求统一的“标准答案”。引导学生在主动探索和创造的过程中，培养探索技能、反思能力、与人交流的能力、搜集和整理信息的能力，以及思想的开放性、尊重事实、承认事物的多样性和不确定性、能够进行批判性思维，等等。‎ ‎3.保证基础性，突出时代性，体现选择性 必修模块教科书精选基础知识和基本技能，突出重点，既为全体学生的发展提供必需的化学基础知识和基本技能，又为继续学习选修课程的学生打下必要的基础，也为学生适应现代社会生活打下基础。同时注意对学生进行过程与方法、情感态度与价值观的教育，以提高全体学生的科学素养。‎ 选修模块教科书以学生个性发展的多样化需要为主，注意到与必修模块教科书的合理衔接，促进基础知识的深化，拓宽知识面，促进学生解决问题能力的提高。‎ 教科书内容的选择力求反映现代化学发展的成就，积极关注与化学相关的社会问题，树立可持续发展的观念，体现课程的时代特色。‎ 教科书中除正文外，还编有多种资料供学生阅读或选学，提供带有*号的习题，供学生选做，以适应不同学生的学习需求。‎ 除教科书外，在试用过程中，还将提供系列化的配套教学资源。‎ ‎4.有利于学生科学探究活动的开展 科学探究是重要的学习内容和学习方式。教科书创设学生自主活动和积极探究的情境，激发学生的探究欲望，引导学生积极参与和体验探究过程，获取知识，学会合作与分享；通过对科学家的介绍、探究性实验的设计、运用化学知识解决实际问题的活动等，有计划、有步骤地培养学生的科学探究能力，同时学习科学方法和养成科学态度。‎ 重视实验在学习化学中的基础性作用，精心设计实验方案，积极开发探究性实验，鼓励学生通过实验学习化学知识与技能，掌握科学研究的方法。学生在设计实验方案、进行实验操作、观察记录现象、进行数据处理、获得实验结论的过程中，不仅能获取知识、技能和方法，提高探究能力，还能形成良好的情感态度与价值观。‎ ‎5.反映科学、技术、社会的相互关系 教科书不仅提供学生未来发展所需要的化学基础知识和基本技能，还注意使学生了解化学在科技发展和社会进步中的重要作用，如化学在促进生产发展、资源开发、材料制造、保障健康等方面的巨大贡献；使学生知道其他相关科学如医学、生命科学、环境科学、材料科学、信息科学等与化学科学的密切关系等。内容的选择适当地反映由于人类不恰当地运用科学技术成果而产生的负面影响，体现社会发展对化学科学提出的新要求，帮助学生理解科学、技术与社会和谐发展的重要性。‎ 教科书提供丰富的与学生生活背景相关的素材，从学生的已有经验和兴趣出发，以激发学生的学习兴趣，增强对科学的亲切感并学习实用性知识。积极引导学生将所学知识应用于实际，从学科角度对日常生活、生产和其他学科中出现的某些实际问题进行研究，以便学生全面了解化学、技术和社会的相互关系。‎ ‎6.结合高中学生的认知特点，重视学生的生活经验，注重学生的亲历性 教科书是学生学习活动的重要资源，因此力求增加其对学生的亲和力。例如，教科书尽可能联系学生已有的生活经验，从学生关心的具体问题引入，让学生亲自体验探索、思考和研究的过程，引导学生积极参与教学活动。在学习活动的设计上提倡主动的、建构的、体验的和发现的学习方式，使学生真正成为学习的主体，从而为终身学习打好基础。‎ 教科书融知识学习、能力培养、方法训练、过程体验、情感态度与价值观的形成于一体。例如，设计多种多样的学习活动形式；版面设计做到人性化，力求活泼大方，美观优雅；文字尽可能精炼流畅，具有趣味性、启发性和可读性；适当以图代文，以表格代文，以增大信息容量；为体现选择性，教科书设置各种栏目供学生自学或复习之用，并为教师教学留有自由发挥的空间。‎ 二、教科书的结构 高中化学课程是科学教育的重要组成部分，对提高学生的科学素养、促进学生全面发展具有重要作用。新的高中化学课程由8个模块构成，分为必修、选修两类。其中，必修包括2个模块，选修包括6个模块。各课程模块之间的关系如下表所示。‎ 高中化学课程 ‎ 选修课程 ‎ 化学与生活 化学与技术  ‎ 物质结构与性质 化学反应原理 ‎ 有机化学基础 ‎ 实验化学 ‎ 必修课程 ‎ 化学1‎ 化学2  ‎ ‎1.必修课程 必修课程要求学生认识常见的化学物质，学习重要的化学概念，形成基本的化学观念和科学探究能力，认识化学对人类生活和社会发展的重要作用及其相互影响，进一步提高学生的科学素养。学习内容主题包括“认识化学科学”“化学实验基础”“常见无机物及其应用”“物质结构基础”“化学反应与能量”“化学与可持续发展”等。教科书各章内容安排如下：‎ ‎  ‎ 第一章 第二章 第三章 第四章 化学1‎ 从实验学化学 化学物质及其变化 金属及其化合物 非金属及其化合物 化学2‎ 物质结构 元素周期律 化学反应与能量 有机化合物 化学与可持续发展 ‎2.选修课程 选修课程是在必修课程的基础上为满足学生的不同需要而设置的，是必修课程的拓展和延伸。选修课程旨在引导学生进一步学习化学科学的基础知识、基本技能和研究方法，更深刻地了解化学与人类生活、科学技术进步和社会发展的关系，以提高科学素养，为具有不同潜能和特长的学生未来的发展打下良好基础。选修课程包括6个模块，每个模块2学分，所有学生至少应从中选择一个模块进行学习。‎ ‎3.教科书的体例结构 教科书按章节编排，简单结构如下页图所示：‎ ‎4.关于栏目的几点说明 ‎【实验】不区分演示实验和学生实验，根据实验内容和学校的不同条件，可由教师演示，也可边讲边实验或学生探究。同时为学生自己进行实验提供必要的引导或建议。‎ ‎【科学探究】以探究为目的，具有思考性、探索性的学生活动。提供探究课题，创设学习情境，呈现探究过程，体现知识获得的过程和方法。在教科书中，设计了多种不同类型的科学探究活动，涉及多种不同的科学探究过程，蕴涵了多种科学方法，有助于提高学生适应未来社会生存和发展所必备的科学素养。‎ ‎【学与问】提出问题或启发学生发现问题、提出问题。通过活动帮助学生思考问题并发现问题，学习提出问题。‎ ‎【思考与交流】提出一些具有启发性、思考性的问题，引发学生思维，并鼓励学生通过讨论、辩论等活动进行沟通和交流。‎ ‎【科学视野】属于辅助教学内容的一些阅读资料，多为联系科学、技术和社会的一些内容。可拓展学生视野，但又不增加学生的负担。‎ ‎【资料卡片】数据资料、小常识等。‎ ‎【科学史话】化学史料、化学发现等。‎ ‎【实践活动】一些与社会课题相关的调查活动、研究和课外小实验等。例如，通过设计一些研究方案，培养学生应用化学知识解决实际问题的能力；通过查找资料和进行社会调查，培养学生的交流能力、社会实践能力和关注社会的情感；通过对实际问题的研究，提高学生的判断及综合分析能力；通过扮演不同的角色，培养学生的自我表现能力和组织能力，等等。‎ ‎【信息搜索】提供信息线索，如网址、书目等。‎ ‎【习题】思考题、练习题（包括开放式习题和实践性题目等）。‎ 三、使用教科书的建议 ‎1.认真学习课程标准，努力更新教育观念 高中化学课程标准是国家对高中阶段学生化学学习的要求，化学教科书是根据课程标准编写的，是课程标准所确定的课程性质、理念、目标的具体体现。使用新教科书，首先应该从认真学习课程标准开始，结合教科书领会课程性质、理念、目标如何在教学过程中实现。‎ 要重新认识教科书。过去总是认为“教科书就是知识”，因此，教科书内容一般都是定论、共识或公认的原理、定理等，而很少提及有争议的问题，对教师的教学、学生的认识具有绝对的权威性。随着新课程的发展，对教科书的认识也应有新的变化──“教科书是范例”，也就是把教科书看作一种学习资源，是引导学生认知发展、获得知识的学习案例或范例。通过这些案例的学习，引起学生分析、理解并进行反思、批判，最终帮助学生建构自己的知识体系，并在这一过程中领悟获取知识的方法。这就给学生留有充分发挥的空间和研讨的余地，而这种获取知识的能力可以使学生终生受益。‎ 在课程改革过程中还有很多事物需要重新认识，如对教师角色变化的认识，对师生关系的重新定位，对教学过程的认识，对全面评价的认识……这些都需要教师在实践中逐步体会。‎ ‎2.迎接挑战，抓住机遇，充分利用课改提供的自主创造空间 新课程带来了新教育。为适应课程改革的需要，教师除应更新教育观念外，还应努力提高自己的教学水平，在以下方面作出努力。‎ ‎● 改善知识结构，树立终身学习的意识  新课程的开放性特征对教师提出新的要求，教师不仅应有广博的化学科学知识，还应广泛涉猎其他学科知识，改善自己的知识结构。同时掌握一些新的技能，学习新的技术。例如，激励学生的技能、组织学生活动的技能、使用计算机等现代化教学设施的技能、社会活动的技能、开拓教学资源的技能、评价技能，等等。‎ ‎●改变师生关系，转变工作方式  新课程的综合化特征，需要教师与更多的人，在更大的空间，用更加平等的方式从事工作，教师之间、师生之间应更加紧密地合作。‎ ‎●重建教学方式，重构课堂教学  教师要重新认识教学、认识课堂、认识教科书，不断探索新的课堂教学模式，在新型师生互动关系中重建自己的角色。例如，教师应引导学生不断地提出问题，使学习过程变成学生不断发现问题、提出问题、解决问题的探索过程；指导学生针对不同的学习内容，选择不同的学习方式；帮助学生设计恰当的学习活动；指导学生收集和利用更加广泛的学习资源等。‎ ‎●教学方法多样化、最优化  教学有法而无定法，化学教学中有多种方法，如讲授法、实验法、讨论法、探究法、问题解决法、自学法、归纳法、演绎法……例如，讲授法是教师应用最广泛的方法，也是在较短时间内完成较多教学任务的有效办法。探究法则最容易引起学生的兴趣，能充分发挥学生的主动性。在各种教学方法中，教师均应注意渗透启发式教学的思想。‎ 在使用新教科书的过程中，教师应从实际出发，因地制宜、因时制宜、因人制宜，根据教学内容合理选择教学策略和恰当的教学方法。而且，在多数情况下，在一堂课中多种教学方法可以结合或交替使用。一句话，就是根据需要，灵活运用，实事求是地选择教学方法，这也就是最优化的思想。‎ 教科书中安排了许多实验、科学探究等活动，要认真组织和实施。教科书中的实验不分演示实验和学生实验，目的是让教师根据学校的具体条件尽可能多地开设学生实验。因此，教师对教科书中的实验不仅要做、会做，还应该十分有把握。对于实验室条件已具备、学生能在课内完成、能培养学生操作能力、而且比较安全的实验，要尽可能地让学生去完成。教师要努力去改进实验，使实验现象更明显、成功率更高。‎ ‎●评价要有利于促进学生的全面发展  评价既要有利于促进全体学生的共同发展，又要有利于学生的个性发展。倡导评价目标多元化和评价方式的多样化，坚持终结性评价与过程性评价相结合，定性评价与定量评价相结合，学生自评、互评和他人评价相结合，努力将评价贯穿于化学学习的全过程。可以采取活动表现评价、学习档案评价、实验评价、纸笔测验等多种评价方式进行综合评价，保证三维教学目标的落实。‎ ‎3.实现教学目标多元化，关注学生全面发展 课程标准要求学生在“知识与技能”“过程与方法”“情感态度与价值观”三个方面得到和谐的发展。在教学过程中，应关注学生的全面发展，避免走只重视“知识与技能”单维目标的老路。‎ 例如，在备课时要设计“知识与技能”“过程与方法”“情感态度与价值观”三个维度的目标，做到心中有数。备课时不仅要备知识，更要备教学过程与教学方法，备教学手段及情景设计等。又如，在教学活动中，要充分调动学生的积极性，引导学生通过案例学会学习的技能；通过实验学会基本操作的技能；通过科学探究了解科学研究的一般方法，体验探究过程并获得探究的乐趣；通过思考和问题讨论认识化学知识的规律性和化学变化的本质；根据元素及其化合物的性质联系其用途，了解化学的价值，激发学生的兴趣。‎ ‎4.全面了解教科书体系，准确把握教学要求 教师应全面了解高中必修、选修课程的内容，了解各模块的知识结构以及知识间的相互联系，了解各部分教学内容及教学要求，准确把握教科书的深广度，提高自己对教科书的驾驭能力。‎ 尤其应该注意的是，教师在教学时，要努力学习课程标准，严格把握教学内容的深广度和教学要求，克服传统惯性和“一步到位”的思想，不要随意提高难度。例如，根据课程标准的要求，在化学1第二章，对于“胶体”，只涉及丁达尔效应，对于胶体的其他性质，则不涉及。对于“离子反应”，只要求学生知道溶液中离子的来源（电解质的电离）、离子反应发生的条件，对于离子反应方程式的书写则不作要求。对于“氧化还原反应”，只要求知道有电子转移是氧化还原反应的本质。不要引入利用“双线桥”来分析氧化还原反应，常见的氧化剂和还原剂也仅限于教科书中的例子；不要引入氧化还原方程式的配平和较复杂的计算以及“单线桥”等内容。课程标准的教学要求不是在知识首次出现时就能一下子达到的。‎ ‎5.促进学生学习方式的转变 ‎“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力”是新课程的基本理念，也体现了化学学科的特点。教科书中设计了许多引导学生动脑思考、动手实践的学习活动。教师在教学时，应充分运用教科书提供的素材，调动学生主动参与探究学习的积极性，引导学生通过实验、观察、调查、资料收集、阅读、讨论、辩论等多种方式，在提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等活动中，增进对科学探究的理解，发展科学探究能力。建议教师在以下方面作出努力，例如：‎ ‎●精心设计新知识的引入方式 ‎●创设问题情景 ‎●提出富有思考性的问题，并鼓励学生提出问题 ‎●设计比较详尽的活动步骤 ‎●准备活动所需的资料或材料 ‎●创设宽松、活跃的课堂气氛 ‎●设计阅读提纲 ‎●积极组织和参与交流讨论 ‎●鼓励学生在课外思考和研究 ‎●鼓励学生通过多种途径获取信息 ‎●培养学生运用自学、观察、推理、演绎等方法来理解所学的知识 ‎●鼓励学生自己进行归纳与整理 ‎●鼓励学生自我评价 ‎6.联系生产、生活实际，拓宽学生视野 教科书以多种形式提供了相当数量的与生产、生活、健康、环境等紧密联系的内容，并将科学精神和人文精神融合其中。高中学生也会接触到很多与化学有关的实际问题，教师在教学中要注意联系实际，帮助学生拓宽视野，开阔思路，综合运用化学及其他学科的知识分析、解决有关问题。教师应充分关注化学科学的发展，关注化学应用的具体事例，关注发生在身边的一些与化学有关的现象，在教学过程中随时补充一些鲜活的事例，以使学生真正认识化学与生活、社会的密切联系。‎ ‎7.以教科书为基础，努力开发多样化的课程资源 教科书是基本的课程资源，除此以外，充分开发和利用其他课程资源，对于丰富化学课程内容，促进学生自主学习、自主发展，促进教师自身的职业发展具有重要意义。‎ 有目的、有计划的课堂教学，仍然是课程资源开发和利用的主渠道。因此，最经常、最直接和最活跃的课程资源来自以教科书为主要媒体而进行的教学活动；校外课程资源的开发和利用则是校内课程资源的必要补充和拓展。关于这一点，课程标准也提出了一些建议，主要包括来自图书、报刊、音像、广播、电视和网络等在内的信息化课程资源；来自社区的生产、生活的实践性课程资源；来自多种形式教学研究活动的教师之间的交流性课程资源等。在本书中，考虑到各地学校不同的条件，不仅提供了一些在教学过程中可能遇到的活动建议和教学资源，而且提供了科学家谈化学的内容等。‎ 课程改革是一项关系到几亿人、几代人的重大变革，是一件关系到千百万青少年健康成长的好事，也是一个逐渐探索和不断完善的过程。在课程改革这一伟大事业中，作为课程改革主力军的您──教师，作用是极为重要的。我们真诚地希望您在新的课程改革中，勇于探索，积极创造，努力钻研，不断提高自己的教学能力和专业水平。我们也真诚地希望您在使用教科书的过程中，爱护和培育这一新生事物，提出您的意见和修改建议。我们坚信经过几年的试用和修改，当新的教科书中融入了广大教师的经验和心血时，教科书将逐渐丰富、更加完善起来。我们有决心和信心，与广大教师一道，共同缔造一套新世纪的化学教科书，共同成就教育改革大业。‎ 第一章 从实验学化学 本 章 说 明 一、教学目标 ‎1.树立安全意识，初步形成良好的实验习惯，并能识别一些化学品安全标识。‎ ‎2.通过粗盐提纯实验，进一步掌握溶解、过滤、蒸发等基本操作，在此基础上练习蒸馏、萃取等分离方法。并通过实验中杂质离子的检验与除杂质方法的讨论，加深对提纯操作原理和方法的理解。‎ ‎3.了解摩尔质量的概念，理解物质的量、摩尔质量与物质的质量的关系。‎ ‎4.理解物质的量浓度的概念，掌握一定物质的量浓度溶液的配制方法和应用。‎ ‎5.体验科学探究的过程，学习运用以实验为基础的实证研究方法。‎ 二、内容分析 ‎1.地位和功能 根据课程标准所确定的“内容标准”，在必修课程的6个主题“认识化学科学”“化学实验基础”“常见无机物及其应用”“物质结构基础”“化学反应与能量”“化学与可持续发展”中“化学实验基础”是必修课程内容的核心。化学是一门以实验为基础的科学，要让学生学好化学，首先要了解化学学科的这一特征，并引导学生通过实验去学习化学。实验是了解无机物性质的最好方法，也是认识元素周期律的最佳途径；通过实验可以感受化学反应与能量的关系，认识并研究能量的利用问题；通过实验还能切实了解材料、环境、绿色化学等问题。教科书把化学实验列为第一章体现了课程标准所反映的教学思想。‎ 此外，教科书不仅把“化学实验”作为专题内容，还把它安排在第一章，突出了化学实验的基础性，既起到与初中化学实验以及化学知识的衔接，又为高中化学新知识的学习穿针引线，通过实验把学生引入化学世界，由此决定了本章教学内容的基础性和重要性。‎ ‎2.内容结构 本章以化学实验方法和技能为主要内容和线索，结合基本概念等化学基础知识，将实验方法、实验技能与化学基础知识紧密结合。‎ 全章包括两节内容，第一节“化学实验基本方法”在强调化学实验安全性的基础上，通过“粗盐的提纯”实验，复习过滤和蒸发等操作。对于蒸馏，则是在初中简易操作的基础上，引入使用冷凝管这一较正规的操作。在复习拓宽的基础上又介绍一种新的分离和提纯方法──萃取。本节还结合实际操作引入物质检验的知识。这样由已知到未知，由简单到复杂，逐步深入。‎ 第二节“化学计量在实验中的应用”则是在化学基本概念的基础上，通过实验介绍一定物质的量浓度溶液的配制方法。溶液的配制方法作为化学实验基本方法和技能，也作为对知识的应用。而物质的量的有关知识，作为化学实验中的计量来呈现，从而突出实验主题。‎ 因此，这一章的教学内容是以实验基本方法和基本操作（包括一定物质的量浓度溶液的配制）为主要内容，也包括相关的化学基础知识，对整个高中化学的学习起着重要的指导作用。这一章是高中化学的第一章，课程标准所提到的有关实验的要求，不可能在本章一步达到，这些要求将在整个必修化学的教学中逐步完成。‎ 三、课时建议 第一节  化学实验基本方法                    3 课时 第二节  化学计量在实验中的应用              3 课时 复习                                        1 课时 第一节 化学实验基本方法 一、教学设计 课程标准将“化学实验基础”专题的具体内容标准确定为：“1.体验科学探究的过程，学习运用以实验为基础的实证研究方法。2.初步学会物质的检验、分离、提纯和溶液配制等实验技能。3.树立安全意识，能识别化学品安全使用标识，初步形成良好的实验工作习惯。4.能够独立或与同学合作完成实验，记录实验现象和数据，完成实验报告，并能主动进行交流。5.初步认识实验方案设计、实验条件控制、数据处理等方法在化学学习和科学研究中的应用。”‎ 虽然初中化学介绍了常见的化学仪器和药品的使用，以及一些基本操作，但高中新生对化学实验还了解不多。考虑到学生的实验基础和知识基础，本章对“化学实验基础”专题所确定的上述5个内容标准没有全部涉及，只是在初中化学实验的基础上，选择一些基本的实验知识和基本的操作。对课程标准中的所有实验要求，将在整个高中必修化学中贯穿，如实验方案设计、实验条件控制、数据处理等方法在化学学习和科学研究中的应用，一些实证方法、实验探究过程的体验，以及对实验科学方法的认识等。‎ ‎1.本节从实验室安全注意事项入手，主要提醒学生从实验室规则、安全措施和正确的操作方法等方面重视安全问题。并通过让学生讨论一些实际问题而加深对安全的认识。‎ ‎2.初中化学已经介绍了药品的取用、物质的加热、仪器的洗涤、天平的使用等基本操作，也介绍了过滤、蒸发等分离方法。本节选择“粗盐的提纯”实验，其目的是：（1）学生已经做过粗盐的提纯实验，在此，从学生的经验出发，既可起到复习的作用，又可降低实验的难度，逐步深入；（2）粗盐的提纯实验中包含着较多的分离操作，而且过滤是所有分离方法中最常用的，有必要让学生掌握；（3）粗盐经溶解、过滤后所得的滤液并不只是NaCl的溶液，仍然含有少量可溶性杂质，需要进一步检验并除去。这样就可以利用这一实验进一步介绍离子检验的方法。‎ ‎3.蒸馏的操作在初中只介绍了简易的方法，在此进一步介绍实验室较正规的操作方法，比初中有所提高。而且本节最后介绍了萃取这一新的方法，让学生对分离和提纯的方法有更进一步的认识，同时使实验技能进一步提高。‎ 本节教学重点：混合物的分离与离子的检验。‎ 本节教学难点：物质检验试剂的选择，蒸馏、萃取的操作，分离与提纯过程的简单设计。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.强调实验室规则，严格规范实验行为，培养学生良好的实验习惯 第一课时应该先对学生进行化学学科特点和化学学习方法的教育，教育的重点放在实验的必要性和重要性上。实验安全教育可以结合具体实验内容，如当酒精灯内酒精小于酒精灯容积的1/3时，用于加热可能会发生什么后果？用一盏酒精灯点燃另一盏酒精灯，或向燃着的酒精灯添加酒精，会造成什么后果？给盛有液体的烧瓶加热时，不加碎瓷片或沸石会造成什么后果？等等。使学生认识到化学实验的操作应该规范，应该仔细检查安全措施，确保实验的安全和成功。‎ 可利用教科书中的“思考与交流”，让学生根据自己的经验或了解的情况进行讨论，加深对实验安全的认识。‎ 教学中要强调实验的规范，让学生掌握实验程序：实验名称→实验目的→实验药品与装置→实验操作步骤→实验结果。要求学生做到：实验前做好预习，熟悉实验的内容，制定实验的方案，了解安全操作事项，检查实验的仪器和药品；实验时要认真观察与记录、分析实验现象并得出结论。要使学生认识到良好的实验习惯是实验顺利进行和实验取得成功的保证。‎ ‎2.通过复习粗盐的提纯方法，提高学生综合实验的能力 高一新生来自不同的初级中学，有的学校实验条件较好，有的学校实验条件可能较差，因此学生的实验水平参差不齐。通过粗盐的提纯这一涉及基本操作比较多的典型实验，复习实验原理和步骤，使学生掌握溶解、过滤、蒸发等基本操作。‎ ‎3.多采用演示、边讲边实验的教学方法，认真指导实验，培养学生实验技能 实验的体验和成功，有利于激发学生学习化学的兴趣。在教科书中，不区分演示实验和学生实验，提倡教师多采用边讲边实验的教学方式。这样有利于学生掌握实验技能，培养观察、思维、独立操作等能力，容易获得成功感。在实验过程中，教师通过分阶段讲解实验的操作要点和注意事项，提高学生的注意力，并可减少实验过程中不规范的操作。在教学中，教师应该做好以下几方面工作，充分发挥教师的引导、示范和调控作用。‎ ‎●切实做好实验的组织和准备工作 首先根据实验内容准备好实验仪器和药品，教师应预先做实验，保证实验成功；其次要把实验内容、要求和注意事项在黑板上写清楚；再是要求学生做好实验预习。‎ ‎●加强对学生实验的全面指导 实验开始时教师应检查学生的预习情况，针对实验的目的向学生讲清实验的内容和要求，强化注意事项。实验过程中教师要进行巡视，发现学生实验中存在的问题要及时纠正。‎ ‎●及时做好实验的评价 实验完成后教师应作简要的总结，评价学生实验完成的情况。‎ ‎●组织学生完成药品回收、仪器清洗和实验室整理等工作 对于一些重要的实验和操作，教师可先演示。演示实验是教学双方协调活动的一种实验方式，在根据一般要求进行教学时，还应该注意：‎ ‎●操作规范 学生实验技能的形成，往往从模仿教师的行为开始，教师应该严格要求自己，一丝不苟地按规范化的要求操作，起好示范作用。力求做到玻璃仪器透明洁净，试剂、装置排放井然有序，介绍仪器名称、实验原理清晰、简捷，实验操作准确、熟练，实验速度快慢适当等。‎ ‎●现象清晰 为增加实验的直观性，应选择那些反应时有明显颜色改变、气体产生、沉淀生成、物质溶解、热量变化、发光发热、燃烧爆炸（应保证安全）等鲜明现象的实验；尽可能使用大型仪器，使演示实验的整个装置位于全体学生的视野范围内；借用白色或黑色纸屏衬托，或作空白对比；如果是试管、烧杯等简单仪器内的反应，教师可作巡回演示；一些难以直接看清的实验，可采用投影放大等方法。‎ ‎●力求成功 实验前必须做好充分准备，演示实验前教师要亲自动手实验，有把握才进教室。对一些难做的实验，要设法改进，能很好地控制化学反应的条件。实验中要确保学生的安全，要努力减少学生对化学实验的恐惧心理。‎ ‎4.通过比较和归纳，使学生学会选择物质检验和分离的方法 过滤所得的食盐溶液中仍含有SO42-、Ca2+、Mg2+等离子，除去这些离子，试剂的选择是难点，要引导学生根据物质的溶解性表选择试剂。说明检验的试剂与除离子的试剂有所不同，应尽量具有单一性，因此需要加以比较和选择；为了确定某一离子的存在，还要设法排除其他离子的干扰。在学生学习了过滤、蒸发、蒸馏、萃取等物质分离方法后，要帮助学生比较和归纳，了解这些方法的原理、操作步骤和要点，引导学生从生活中寻找物质分离的事例进行分析和应用。‎ 二、活动建议 ‎【实验1-1】‎ 建议安排一节课复习粗盐的提纯。实验前教师先准备好学生的实验报告，格式参考：实验名称→实验目的→实验药品与装置→实验操作步骤→实验结果处理，把教材中的操作步骤和实验现象作为实验报告内容。报告中可用讨论形式复习溶解、过滤、蒸发的操作要点。操作步骤的填写内容可以参考下表：‎ 步  骤 现  象 ‎  （1）溶解：称取约‎4 g粗盐加到盛有约12 mL 水的烧杯中，边加边用玻璃棒搅拌，直至粗盐不再溶解为止 ‎  固体食盐逐渐溶解而减少，食盐水略显浑浊 ‎  （2）过滤： 将烧杯中的液体沿玻璃棒倒入过滤器中， 过滤器中的液面不能超过滤纸的边缘。 若滤液浑浊，再过滤一次 ‎  不溶物留在滤纸上，液体渗过滤纸，沿漏斗颈流入另一个烧杯中 ‎  （3）蒸发：将滤液倒入蒸发皿中，然后用酒精灯加热，同时用玻璃棒不断搅拌溶液，待出现较多固体时停止加热 ‎  水分蒸发，逐渐析出固体 思考分析：仅通过溶解、过滤、蒸发得到的固体仍然是不纯的食盐，因为从海水晒制的粗盐中除含有不溶于水的泥沙等杂质外，还含有可溶性的CaCl2、MgCl2及一些硫酸盐，这些杂质也被溶解，且过滤时进入滤液。检验这些离子存在的方法，可从分析它们盐在水中的溶解性得出。大多数硫酸盐都溶于水，而硫酸钡不溶于水，所以可用BaCl2溶液来检验硫酸盐。但钡盐除BaSO4外，还有BaCO3等，BaSO4不溶于稀盐酸，BaCO3等溶于稀盐酸。所以，检验硫酸盐时应先加入稀盐酸，再加入BaCl2溶液，若产生的沉淀不溶于稀盐酸，则存在硫酸盐。同理，可用Na2CO3溶液检验CaCl2，用NaOH溶液检验MgCl2。‎ ‎【实验1-2】‎ 与粗盐的提纯实验同一课时内完成。在进行物质检验时，一般先对试样的外观进行观察，确定其颜色、状态、气味等，然后准备试样进行检验。当试样是固体时，一般应将固体试样溶解，观察溶解后溶液的颜色、在溶解过程中有无气体产生、有无沉淀生成以及沉淀的颜色等。如需要加鉴别试剂检验时，应从溶液中取出一小部分，再滴加几滴试剂进行检验，观察现象。‎ 检验硫酸根离子所用的试剂是BaCl2溶液、稀盐酸（或稀硝酸）。加入顺序可先加酸、再加BaCl2溶液，也可先加BaCl2溶液、再加酸。‎ 实验现象：若先加酸、再加BaCl2溶液，则有白色沉淀生成即说明有SO42-存在；若先加BaCl2溶液、再加酸，应是有白色沉淀生成，加酸后沉淀不溶解证明含有SO42-。‎ ‎【实验1-3】‎ 实验室制取蒸馏水的目的是通过蒸馏除去水中的杂质。所以，本实验的设计是，先检验自来水中含有氯离子，然后将自来水蒸馏，再检验所得的蒸馏水中是否含有氯离子。若蒸馏后的水中检验不出氯离子，则说明自来水中的氯离子已通过蒸馏除去。‎ 由于【实验1-1】、【实验1-2】只介绍了SO42-的检验（讨论了Ca2+、Mg2+的检验），在做此实验前应先讨论实验的目的、氯离子的检验方法和蒸馏装置特点，再进行实验。实验中各步的现象可参照下表：‎ 实  验 现  象 ‎（1）自来水中氯离子的检验 加AgNO3溶液后有白色沉淀，再加稀硝酸，沉淀不溶解。‎ ‎（2）蒸馏，制蒸馏水 加热，烧瓶中水温升高至‎100 ℃‎后沸腾。在锥形瓶中收集到蒸馏水。‎ ‎（3）检验蒸馏水中是否含有氯离子 加AgNO3溶液和稀硝酸，蒸馏水中无沉淀。‎ ‎【实验1-4】‎ 实验前介绍萃取的原理和萃取、分液的专用仪器──分液漏斗；讲清加萃取剂、用力振荡、分液前打开玻璃塞、分液时控制活塞等操作的目的。‎ 实验现象：（1）加四氯化碳时，四氯化碳不溶于水，密度比水的大，在下层；（2）用力振荡的目的是使水与四氯化碳充分混合；（3）静置后四氯化碳层变紫色，水层黄色变浅或接近无色。‎ 三、问题交流 ‎【学与问】‎ 化学上所指的杂质不一定是有害或无价值的，如水中含有一些矿物质和微量元素是对人体有益的。可见，要视杂质性质及含量来评价其是否有害或在人类活动中是否有利用的价值。化学中除杂，主要是因为杂质的存在会影响某物质的利用价值，如在化学反应中杂质的存在可能会引起一些副反应，或反应中杂质的存在可能会引起催化剂中毒，等等。‎ ‎【思考与交流1】‎ 进行化学实验和探究时应该注意的安全问题，可以从试剂的存放、试剂的取用、实验操作和实验过程中废液等废弃物的处理等方面考虑。例如：‎ ‎① 氧化剂不能与还原剂一起存放；‎ ‎② 取用化学试剂时不能用手直接去取；‎ ‎③ 不能用鼻子直接闻气体；‎ ‎④ 酒精灯内酒精的量要适当；‎ ‎⑤ 不能给燃烧着的酒精灯添加酒精；‎ ‎⑥ 点燃可燃性气体前要验纯；‎ ‎⑦ 加热固体时试管口要略低于试管底；‎ ‎⑧ 加热液体时要放碎瓷片；‎ ‎⑨ 有加热和洗气（或气体吸收）装置的实验要防止液体倒吸；‎ ‎⑩ 稀释浓硫酸时要使浓硫酸慢慢沿器壁流入水中。‎ ‎……‎ 讨论实验中应注意的安全问题时，要让学生畅开思路，充分发表自己的意见。‎ ‎【思考与交流2】‎ 金是一种很不活泼的金属，在自然界中通常以游离态存在。金的密度又很大，所以从沙里淘金，可用水冲洗的方法从沙里提取密度很大的金。在用水冲洗沙时，密度小的泥土、细沙等物质被水冲去，可提取含量极少的金。这也是最简单的一种利用物质物理性质不同进行分离的方法。如果铁屑和沙混合，根据铁能被磁铁吸引的性质，可以用磁铁将混合物中的铁屑分离出来。还可以让学生讨论能不能用其他方法分离等。‎ ‎【思考与交流3】‎ 除去粗盐中含有的可溶性CaCl2、MgCl2及一些硫酸盐，根据资料卡片和【实验1-2】得出，除去这些杂质的试剂可选用Na2CO3、NaOH、BaCl2，它们之间发生的反应有：‎ 杂  质 加入的试剂 化学方程式 硫酸盐 BaCl2‎ BaCl2+Na2SO4=BaSO4↓+2NaCl MgCl2‎ NaOH MgCl2+2NaOH=Mg(OH)2↓+2NaCl CaCl2‎ Na2CO3‎ CaCl2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCl 为了使杂质能除得比较干净，所加试剂一般要过量，试剂过量则又出现原杂质被除去却可能引入新杂质的问题。为此要设计加入试剂的顺序，即要使前一过量试剂在后续除杂操作中除去。本实验中，一般的加入顺序是BaCl2、NaOH、Na2CO3、HCl。加Na2CO3时可除去过量的BaCl2，最后加HCl可除去过量的Na2CO3和中和过量的NaOH，当溶液达到中性微酸性时，得到几乎不含其他杂质的NaCl溶液。‎ 四、习题参考 ‎1.例如，农村把稻谷加工成大米时，常用筛子分离大米与糠；农村做豆腐常用纱布袋将豆腐花与豆浆水分离；在淘米时，常用倾倒法将洗米水与大米分离；当水中混有较多油而分层时，用吸管可逐渐吸出上层的油等。‎ ‎2.不慎将油汤洒在衣服上可用酒精、 洗涤剂等除去， 它们能将油污从汤液中萃取出来而除去。‎ ‎3.提示：纯碱的主要成分是Na22O3,大理石的主要成分是CaCO3,它们与盐酸反应生成CO2。陶瓷是由黏土烧制而成，不含有CO32-；玻璃是用石灰石、纯碱和二氧化硅等原料熔炼而成，在熔炼过程中发生了化学变化，因此，玻璃中不存在碳酸盐。‎ ‎4.在可能含有可溶性硫酸盐、碳酸盐和硝酸盐的溶液中，加入BaCl2溶液时，生成的沉淀不一定是BaSO4，也可能是BaCO3‎ ‎，或两者均有。可向有沉淀的液体中加入盐酸（或稀硝酸），振荡。若沉淀消失，说明该沉淀是BaCO3；若沉淀不消失，说明该沉淀是BaSO4，若沉淀减少，但不完全消失，则说明两种沉淀都有。‎ 第二节 化学计量在实验中的应用 一、教学设计 化学反应有很多是在溶液中进行的，在工业生产和科学研究中要定量研究在溶液中发生的化学反应通常用物质的量浓度来计算比较方便。在农业上需要配制一定浓度的农药，也必须了解溶液浓度的知识。在高中化学实验中，有些反应反应物的浓度大了或小了都不行。在高中化学的计算中更是离不开物质的量、物质的量浓度。‎ 本教材抓住一般反应都在溶液中进行的特点，设计以介绍“配制一定物质的量浓度的溶液”作为主要教学目标，将物质的量等基本概念作为化学计量。这样一方面突出重点知识，另一方面也可以大幅度减少化学计算的难度，从而有效地降低学生的学习难度。‎ 介绍物质的量浓度，就必须引入物质的量、摩尔质量等概念。物质的量是用来计量肉眼看不到、现代称量工具难以称量的原子、分子、离子等微观粒子的物理量。这个词对学生来说比较陌生、抽象、难懂，而且非常容易将物质的量与物质的质量混淆起来，以致错误地理解物质的量的涵义。教科书在介绍物质的量时，不介绍阿伏加德罗常数是根据什么确定的，而是提出6.02×1023个水分子或Al原子的质量在数值上正好与水的相对分子质量或Al的相对原子质量相等，因此用6.02×1023个分子或原子作为1 mol来衡量宏观物质中所含的粒子数目就十分方便。然后采用演绎推理和归纳推理的方法得出物质的量的概念，从而降低了解物质的量这个物理量涵义的坡度。‎ 在介绍一定物质的量浓度溶液的配制方法之前，先介绍物质的量浓度的概念，让学生理解概念和对概念进行应用，并了解应用物质的量浓度的好处，以及与溶液中溶质的质量分数的区别等。一定物质的量浓度溶液的配制方法的介绍可采用边讲边演示，然后总结出配制步骤的要点，有利于学生掌握。‎ 本节教学重点：物质的量、物质的量浓度的概念，物质的量、摩尔质量和物质的量浓度的关系，一定物质的量浓度溶液的配制方法。‎ 本节教学难点：物质的量的概念，一定物质的量浓度溶液的配制方法。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.从引入物质的量的必要性入手，激发学生了解物质的量概念的积极性 原子是化学变化中的最小粒子，分子与分子、原子与原子按一定的比例定量地进行化学反应，而原子或分子都很小，我们肉眼不可能观察到，更不可能一个一个地进行称量。怎样将微观的粒子数目与宏观的物质的质量联系起来，来研究分子、原子或离子所进行的化学反应呢？这就需要确定一种物理量。第14届国际计量大会通过以“物质的量”作为化学计量的基本物理量，规定1 mol粒子所含的数目为6.02×1023个。此时1‎ ‎ mol任何物质的质量以克为单位时，其数值恰好等于相对原子质量或相对分子质量，这样使用起来就十分方便。当物质的量小于0.1 mol或大于1 000 mol时，正像小于‎0.1 m或大于1 ‎000 m一样，需要采用“摩”的倍数单位。‎ ‎2.使学生了解物质的量、摩尔质量的涵义，并能正确运用 要强调“物质的量”是一个基本物理量，四个字是一个整体，不能拆开理解，也不能压缩为“物质量”，否则就改变了原有的意义。同时要与“物质的质量”区分开来。‎ 还要说明“摩”是“物质的量”的单位，不要将两者混淆起来，如“某物质的物质的量是多少”不要说成“某物质它的摩尔数是多少”。‎ 应该强调，物质的量这个物理量只适用于微观粒子，即原子、分子、离子等，使用摩作单位时，所指粒子必须十分明确，且粒子的种类要用化学式表示。如写成2 mol H、1 mol H2、1.5 mol NaOH、1 mol OH-和1 mol e-等。‎ 摩尔质量是单位物质的量的物质所具有的质量，单位是克/摩或千克/摩（g/mol或kg/mol）等。摩尔质量以克/摩为单位时，在数值上与物质的相对分子质量或相对原子质量相等。对于某一纯净物来说，它的摩尔质量是固定不变的，而物质的质量则随着物质的物质的量不同而发生变化。例如，1 mol O2的质量是‎32 g，2 mol O2的质量是‎64 g，但O2的摩尔质量并不会发生任何变化，还是‎32 g/mol。‎ ‎3.运用比较的方法，使学生正确理解“物质的量浓度”的涵义 物质的量浓度与溶液中溶质的质量分数之间的不同点是：前者的溶质用物质的量表示，后者的溶质用质量表示；前者的单位是mol·L-1，后者是质量之比，单位为1；两者的最大区别是相同物质的量浓度、相同体积的不同溶液，它们所含溶质的物质的量相等，而相同质量分数、相同体积的不同溶液，它们所含溶质的物质的量不相等。因为化学反应中物质的粒子数目之间存在一定的比例关系，用质量来表示不太方便，所以有必要引入物质的量浓度。‎ ‎4.做好一定物质的量浓度溶液的配制实验，使学生掌握溶液配制的要点 配制一定物质的量浓度溶液的方法，是高中学生必须学会的化学实验操作技能之一。教学中要介绍容量瓶的特点和使用方法，以及为什么转移溶液时要用玻璃棒；为什么要用水将烧杯洗涤数次，并将洗涤液倒入容量瓶中；容量瓶中溶液接近瓶颈刻度时为什么要改用胶头滴管加水等。一定物质的量浓度溶液的配制步骤可归纳为：计算、称量、溶解、洗液、定容、摇匀等。‎ ‎5.运用量方程，使学生建立概念之间的联系 通过简单的量方程，使学生建立物质的量等概念之间的联系，会运用其进行简单的计算。但应注意把握教学要求，不要强化计算。‎ 二、活动建议 ‎【实验1-5】‎ ‎（1）选用配制NaCl溶液，是因为NaCl价廉。配制100 mL，也是考虑所配的NaCl溶液用处不大，减少浪费。目前有的学校条件比较好，配备了分析天平，可用分析天平来称量。若用托盘天平，可向学生简单说明感量问题即可。此实验的目的是使学生学习配制溶液的方法和技能。‎ ‎（2）教学中教师可以先演示，然后学生再进行实验。‎ ‎（3）学生实验后可进行一些误差分析。‎ 三、问题交流 ‎【学与问1】‎ ‎24.5 g‎ H2SO4的物质的量是0.25 mol，1.50 mol Na2CO3的质量是‎159 g。教师可以再编一些类似的题进行训练，也可以让学生两人一组一问一答的形式进行训练。‎ ‎【学与问2】‎ ‎1.配制一定物质的量浓度的溶液时，烧杯中的溶液转移到容量瓶后，烧杯的内壁上还粘有少量溶液，若不用蒸馏水洗涤烧杯，容量瓶中的溶质就会减少，即容量瓶内溶质的物质的量减少，导致所配溶液中溶质的浓度偏低。为了减少溶质的损失，应用蒸馏水洗涤烧杯2～3次，并将洗涤后的溶液也转移到容量瓶中。‎ ‎2.如果将烧杯中的溶液转移到容量瓶中时不慎洒到容量瓶外，最后配成的溶液中溶质的实际浓度比所要求的小。因为洒出的溶液中含有溶质，所以转移到容量瓶内的溶质比称量时少，即容量瓶内溶质的物质的量减少。‎ ‎3.配制100 mL 1.00 mol/L NaCl溶液需要NaCl固体‎5.85 g。用托盘天平称量时，托盘天平的感量为‎0.1 g，所以不能称出‎5.85 g固体。如要比较准确地配制100 mL 1.00 mol/L NaCl溶液，应用分析天平进行称量。分析天平的精度比托盘天平高。‎ ‎【思考与交流】‎ ‎1.浓硫酸和稀硫酸在性质上有比较大的差异。例如，浓硫酸的密度比稀硫酸的大；将浓硫酸、稀硫酸分别滴在蓝色石蕊试纸上，浓硫酸能使石蕊试纸先变红后变黑（纸被腐蚀），而稀硫酸只能使石蕊试纸变红（久置后也会变黑）；浓硫酸稀释时会放出大量的热，而稀硫酸稀释时放出的热量不大；浓硫酸露置在空气中会变稀，稀硫酸露置在空气中浓度变化不大；浓硫酸常温下不与铁反应，稀硫酸能与铁反应产生氢气等。‎ ‎2.将5 mL浓硫酸稀释为20 mL稀硫酸，得到的稀硫酸与原浓硫酸中所含H2SO4的物质量相等。这是因为稀释前与稀释后H2SO4的质量是不变的，只是溶液体积增大了，所以两种溶液中H2SO4的物质的量相等。（讨论：如果从这20 mL稀硫酸中取出5 mL，与原5 mL浓硫酸相比，溶质的物质的量、溶液中溶质的物质的量浓度是否相同？为什么？）‎ 四、习题参考 ‎1. 14 mL（建议学生分步计算，学会物质的量浓度表达式的应用）‎ ‎2. 5.56‎‎ mmol/L，属于正常范围。（提示：1 mol=1 000 mmol）‎ ‎3.这种做法不对，会造成结果偏低。这是因为倒出的部分溶液中含有溶质，结果导致容量瓶内的溶质减少，即容量瓶内溶质的物质的量减少，溶质的物质的量浓度也减小。‎ 教学资源 ‎1.实验的安全和意外事故处理 ‎（1）实验安全 ‎● 防止火灾 化学药品中有很多是易燃物，在使用时若不注意可能酿成火灾。所以，对易燃物：① 必须妥善保管，放在专柜中，远离火源。易燃品、强氧化剂、钾、钠、钙等强还原剂要妥善保管；② 使用易挥发可燃物如乙醇、乙醚、汽油等应防止蒸气逸散，添加易燃品一定要远离火源；③ 进行加热或燃烧实验时要严格操作规程和仪器选用，如蒸馏时要用冷凝器等；④ 易燃物质用后若有剩余，决不能随意丢弃，如残留的金属钠应用乙醇处理，白磷应放在冷水中浸泡等。‎ 另外，实验室必须配备各种灭火器材（酸碱灭火器、四氯化碳灭火器、粉末灭火器、沙子、石棉布、水桶等）并装有消防龙头。实验室电器要经常检修，防止电火花、短路、超负载等引发火灾。‎ 在使用酒精灯时，一定要注意：① 不能用燃着的酒精灯去点燃另一盏酒精灯；② 不能用嘴吹灭酒精灯；③ 不能向燃着的酒精灯中添加酒精；④ 灯壶内的酒精不能超过容积的2/3等。‎ ‎● 灭火 如果不慎在实验室发生火灾，应立即采取以下措施：‎ ‎① 防止火势扩展：移走可燃物，切断电源，停止通风。② 扑灭火源：酒精等有机溶剂泼洒在桌面上着火燃烧，用湿布、石棉或沙子盖灭，火势大可以用灭火器扑灭。小范围的有机物、钾、钠、白磷等化学物质着火可用沙盖灭。③ 常用灭火器的种类和使用范围见下表：‎ 类  型 药液成分 适用灭火对象 酸碱式 H2SO4和NaHCO3‎ 非油类、电器 泡沫式 Al2(SO4)3和NaHCO3‎ 油类 CO2灭火器 液态CO2电 器、小范围油类、忌水的化学品 四氯化碳 液态四氯化碳 电器、汽油、丙酮。不能用于钾、钠、电石、CS2‎ 干粉灭火器 NaHCO3等类，适量润滑剂、防潮剂 油类、可燃气体、精密仪器、图书文件等 扑救化学火灾注意事项：‎ ‎① 与水发生剧烈反应的化学药品不能用水扑救，如钾、钠、钙粉、镁粉、铝粉、电石、PCl3、PCl5、过氧化钠、过氧化钡、磷化钙等，它们与水反应放出氢气、氧气等将引起更大火灾。‎ ‎② 比水密度小的有机溶剂，如苯、石油等烃类、醇、醚、酮、酯类等着火，不能用水扑灭，否则会扩大燃烧面积；比水密度大且不溶于水的有机溶剂，如二硫化碳等着火，可用水扑灭，也可用泡沫灭火器、二氧化碳灭火器扑灭。‎ ‎③ 反应器内的燃烧，如是敞口器皿可用石棉布盖灭。蒸馏加热时，如因冷凝效果不好，易燃蒸气在冷凝器顶端燃着，绝对不可用塞子或其他物件堵塞冷凝管口，应先停止加热，再行扑救，以防爆炸。‎ ‎● 防止爆炸 各种可燃气体与空气混合都有一定的爆炸极限，点燃气体前，一定要先检验气体的纯度。特别是氢气，在点燃氢气或加热与氢气反应的物质前，都必须检验其纯度。‎ ‎● 防止倒吸引起爆裂 加热制备气体并将气体通入溶液中的实验，要防止因反应容器内压强锐减而造成液体倒吸入热的反应容器内。玻璃的膨胀系数比较小，冷热不均会造成玻璃容器爆裂，甚至溅伤实验人员。为此，要注意以下几点：① 加热尽可能均匀；② 在反应容器后加一个安全瓶；③ 用倒扣漏斗等方法吸收易溶于水的气体；④ 实验结束前先从溶液中撤出导管再停止加热。‎ ‎● 防止有害气体污染空气 有毒气体如Cl2、HCl、H2S、SO2、NO2等酸性气体，用强碱溶液吸收（通常用浓NaOH溶液）；CO点燃除掉；NO先与足量空气混合后再通入碱溶液中；H2和其他可燃性气体，如气态烃虽无毒性，但弥散在空气中有着火或爆炸的危险，应当点燃除掉；NH3用浓硫酸吸收；制备有毒气体的实验应在通风橱内进行。‎ ‎● 防止暴沸 加热有机物时，由于它们的沸点一般比较低，一旦温度过高，液体局部过热，会形成暴沸现象，反应溶液甚至冲开橡皮塞溅伤实验者，所以，在反应容器中要放一些碎瓷片。‎ ‎● 严格按照实验规程进行操作 药品用量要尽可能少，如金属钾与水反应，钾的用量控制为绿豆般大小。用量过大，反应十分激烈会引起燃烧甚至爆炸。烧瓶内反应溶液的体积一般不宜超过瓶容积的一半，以防冲出瓶外。加热应控制在规定的温度范围内，特别是有机反应，如酯的制备要用小火加热等。易燃试剂在实验时远离热源；取用试剂后及时塞好瓶塞；稀释浓硫酸一定要将浓硫酸沿器壁慢慢倒入水中并不断搅拌。闻气体的气味时要用手轻轻扇动，让极少量气体飘进鼻孔等。‎ ‎（2）意外事故的处理方法 ‎● 创伤急救 用药棉或纱布把伤口清理干净，若有碎玻璃片要小心除去，用双氧水擦洗或涂红汞水，也可涂碘酒（红汞与碘酒不可同时使用），再用创可贴外敷。‎ ‎● 烫伤和烧伤的急救 可用药棉浸75%～95%的酒精轻涂伤处，也可用3%～5%的KMnO4溶液轻擦伤处到皮肤变棕色，再涂烫伤药膏。‎ ‎● 眼睛的化学灼伤 应立即用大量流水冲洗，边洗边眨眼睛。如为碱灼伤，再用20%的硼酸溶液淋洗；若为酸灼伤，则用3%的NaHCO3溶液淋洗。‎ ‎● 浓酸和浓碱等强腐蚀性药品 使用时应特别小心，防止皮肤或衣物被腐蚀。如果酸（或碱）流在实验桌上，立即用NaHCO3溶液（或稀醋酸）中和，然后用水冲洗，再用抹布擦干。如果只有少量酸或碱液滴到实验桌上，立即用湿抹布擦净，再用水冲洗抹布。‎ 如果不慎将酸沾到皮肤或衣物上，立即用较多的水冲洗，再用3%～5%的NaHCO3溶液冲洗。如果是碱溶液沾到皮肤上，要用较多的水冲洗，再涂上硼酸溶液。‎ ‎● 其他化学灼伤的急救 溴：用1体积氨水+1体积松节油+10体积乙醇混合处理。‎ 磷：先用5%的CuSO4溶液洗，再用‎1 g/L的KMnO4溶液湿敷。‎ 苯酚：先用大量水洗，再用乙醇擦洗，最后用肥皂水、清水洗涤。‎ ‎（3）妥善处理实验后的废液和废渣 化学实验的废液大多数是有害或有毒的，不能直接排到下水管道中，可先用废液缸收集储存，以后再集中处理。但一些能相互反应产生有毒物质的废液不能随意混合，如强氧化剂与盐酸、硫化物、易燃物，硝酸盐和硫酸，有机物与过氧化物，磷和强碱（产生PH3‎ ‎），亚硝酸盐和强酸（产生HNO2），MnO2、KMnO4、KClO3等不能与浓盐酸混合；挥发性酸与不挥发性酸等。‎ 常见废液的处理方法见下表：‎ 废  液 处理方法 注意事项 酸或碱 中和法 分别收集，混合无危险时将废酸、废碱混合 氧化剂 还原剂 氧化还原法 分别收集，查明废液化学性质，将一种废液分次少量加入另一种废液中 含重金属离子的废液 氢氧化物沉淀法，硫化物共沉淀法 用过滤或倾析法将沉淀分离，滤液不含重金属离子后再排放 含Ba2+‎ 沉淀法 加入Na2SO4溶液，过滤，除去沉淀即可排放 有机物 焚烧法，有机溶剂萃取回收利用 生成水、CO2等不污染环境 用溶剂萃取，分液后回收利用 固体残渣往往有一些重金属盐，对水体和土壤会造成污染，要处理（一般变成难溶的氧化物或氢氧化物）后集中掩埋。汞不慎撒落地面时，要先用硫黄覆盖，使其化合为硫化汞后扫除并妥善掩埋。用剩下的钠、钾、白磷等易燃物，氧化剂KMnO4、KClO3、Na2O2等，易挥发的有机物等不可随便丢弃，防止着火事件发生。有毒物质用剩后不可随意乱扔。‎ ‎（资料1摘编自《化学中的探索──发现式实验手册》，高华；《高三化学实验》，孙雪冰、宋国建）‎ ‎2.几种分离和提纯方法 ‎  ‎ 分离和提纯方法 过  程 应用实例 倾析 从液体中分离密度较大且不溶的固体 分离沙和水 过滤 从液体中分离不溶的固体 净化食用水 溶解和过滤 分离两种固体，一种能溶于某溶剂，另一种则不溶 分离盐和沙 离心分离法 从液体中分离不溶的固体 分离泥和水 结晶法 从溶液中分离已溶解的溶质 从海水中提取食盐 分液 分离两种不互溶的液体 分离油和水 萃取 加入适当溶剂把混合物中某成分溶解及分离 用庚烷提取水溶液中的碘 蒸馏 从溶液中分离溶剂和非挥发性溶质 从海水中取得纯水 分馏 分离两种互溶而沸点差别较大的液体 从液态空气中分离氧和氮； 石油的精炼 升华 分离两种固体，其中只有一种可以升华 分离碘和沙 吸附 除去混合物中的气态或固态杂质 用活性炭除去黄糖中的有色杂质 色层分析法 分离溶液中的溶质 分离黑色墨水中不同颜色的物质 ‎3.物质的量的单位──摩尔 摩尔一词来源于拉丁文moles，原意为大量和堆集。早在20世纪40至50年代，就曾在欧美的化学教科书中作为克分子量的符号。1961年，化学家E.A.Guggenheim将摩尔称为“化学家的物质的量”，并阐述了它的涵义。同年，在美国《化学教育》杂志上展开了热烈的讨论，大多数化学家发表文章表示赞同使用摩尔。1971年，在由41个国家参加的第14届国际计量大会上，正式宣布了国际纯粹和应用化学联合会、国际纯粹和应用物理联合会和国际标准化组织关于必须定义一个物质的量的单位的提议，并作出了决议。从此，“物质的量”就成为了国际单位制中的一个基本物理量。摩尔是由克分子发展而来的，起着统一克分子、克原子、克离子、克当量等许多概念的作用，同时把物理上的光子、电子及其他粒子群等“物质的量”也概括在内，使在物理和化学中计算“物质的量”有了一个统一的单位。‎ 第14届国际计量大会批准的摩尔的定义为：‎ ‎（1）摩尔是一系统的物质的量，该系统中所含的基本单元数与‎0.012 kg ‎12C的原子数目相等。‎ ‎（2）在使用摩尔时，基本单元应予指明，可以是原子、分子、离子、电子及其他粒子，或这些粒子的特定组合。‎ 根据摩尔的定义，‎12 g ‎12C中所含的碳原子数目就是1 mol，即摩尔这个单位是以‎12 g ‎12C中所含原子的个数为标准，来衡量其他物质中所含基本单元数目的多少。‎ 摩尔跟其他的基本计量单位一样，也有它的倍数单位。‎ ‎1 Mmol=1 000 kmol ‎1 kmol=1 000 mol ‎1 mol=1 000 mmol 那么，什么样的特定组合才符合摩尔定义中所规定的基本单元的涵义呢？‎ 凡是物质系统中能以化学式表示，同时又可以计数的特定组合都可以计量它的物质的量。国际纯粹和应用化学联合会于1979年出版的“物理化学量和单位的符号与术语手册”（第二次修订本）中对摩尔的应用示例作了重要的增补，即：‎ ‎1 mol HgCl                      其质量为 ‎‎236.04 g ‎1 mol Hg2Cl2                    其质量为 ‎‎472.08 g ‎1 mol Hg22+                     其质量为 ‎401.8 g，带有192.97 kC的电量 ‎1 mol Ca2+                    其质量为 ‎20.04 g，带有96.49 kC的电量 ‎1 mol e-                        其质量为 548.60 μg，带有-96.49 kC的电量 ‎1 mol某种混合物，其组分的摩尔分数（x）为：‎ x(N2)=0.780 9‎ x(O2)=0.209 5‎ x(Ar)=0.009 3‎ x(CO2)=0.000 3‎ 具有的质量为‎28.964 g。‎ ‎1 mol频率为1014 Hz的光子，具有39.90 kJ的能量。‎ ‎4.在使用摩尔时，为什么必须指明粒子的种类 摩［尔］是微观粒子的计量单位，它所量度的对象是构成物质的基本粒子（如原子、分子、离子、电子等）或是它们的特定组合。即凡是可以使用化学式表示的微观粒子或它们的特定组合，都可以使用摩［尔］来量度。因此，在使用摩［尔］时，必须要指明所量度的微观粒子的名称或微观粒子特定组合的名称。在表示所量度的微观粒子的名称或微观粒子特定组合的名称时，必须要使用名称的符号，而不能使用中文。例如，说1 mol氢，概念就模糊了，是毫无意义的，违反了物质的量的单位的使用规则。因为氢是元素的名称，不是粒子的名称，也不是粒子的符号或化学式。‎ ‎5.国际单位制简介 在日常生活、工农业生产和科学研究中，经常要使用一些物理量来表示物质及其运动的多少、大小、强度等。例如，‎1 m布、‎2 kg糖、30 s等等。有了米、千克这样的计量单位，就能表达这些东西的数量。但是，由于世界各国、各民族的文化发展的不同，往往会形成各自的单位制，如英国的英制、法国的米制等。因而使得同一个物理量常用不同的单位来表示。例如，压强的单位有千克/平方厘米、磅/平方英寸、标准大气压、毫米汞柱、巴、托等多种。这样多的单位在换算过程中很容易出现差错，这对于国际科学技术的交流和商业往来是非常不方便的。因此，就有了实行统一标准的必要。‎ ‎1960年以来，国际计量会议以米、千克、秒制为基础，制定了国际单位制（简称SI）。国际单位制是在米制基础上发展起来的，于1960年第11届国际计量大会通过。目前已有80多个国家宣布采用国际单位制，工业比较发达的国家几乎全部采用了国际单位制。1977年5月，我国国务院颁布了《中华人民共和国计量管理条例（试行）》，并在第三条中明确规定“我国的基本计量制是米制（即公制），逐步采用国际单位制”。1981年4月，经国务院批准颁发了《中华人民共和国计量单位名称与符号方案（试行）》，要求在全国各地试行。‎ 经过多次的增补，现在的国际单位制由下列部分组成：‎ 国际单位制的主要优点在于它的统一性。它不仅是一个统一的单位制，有利于国际交流，而且还表现在每一个物理量只用一个单位来表示。例如，不论是机械能、电能、热能、化学能或是原子能，只要是能量就都可以用焦［尔］（符号是J）来表示。国际单位制的另一个优点就是它能够分清质量、力和重量的关系。它采用牛［顿］作为力的单位，其他有关力的单位，如压强、重量等，则都是由牛［顿］导出的。‎ 下表列出一些用SI单位表示的在中学常用的物理量：‎ 物理量名称 符号 SI单位数值 元电荷 阿伏加德罗常数 电子［静］质量 质子［静］质量 中子［静］质量 法拉第常数 摩尔气体常数 标准状况时压强和温度 标准状况时气体摩尔体积 e NA me mp ma F R P、T Vm,o ‎1.602 177 33×10-19 C ‎6.022 136 7×1023 mol-1‎ ‎9.109 389 7×10-31 kg ‎1.672 623 1×10-27 kg ‎1.674 928 6×10-27 kg ‎9.648 530 9×‎104 C·mol-1‎ ‎8.314 510 J·mol-1·K-1‎ ‎101.325 kPa、273.15 K ‎0.022 414 ‎10 m3‎·mol-1‎ ‎6.SI单位的倍数单位 ‎（1）SI单位的倍数单位根据使用方便的原则选取。通过适当的选择，可使数值处于实用范围内。‎ ‎（2）倍数单位的选取，一般应使量的数值处于0.1～1 000之间。‎ 例1：1.2×‎104 g可写成‎12 kg 例2：0.003 94 mol可写成3.94 mmol 例3：1 401 Pa可写成1.401 kPa 例4：3.1×10‎-8 m可写成31 nm ‎（3）组合单位的倍数单位一般只用一个词头，并尽量用于组合单位中的第一个单位。‎ 通过相乘构成的组合单位的词头通常加在第一个单位之前。‎ 例如：力矩的单位kN·m，不宜写成N·km。‎ 通过相除构成的组合单位，或通过相乘和除构成的组合单位，其词头一般都应加在分子的第一个单位之前，分母中一般不用词头，但质量单位kg在分母中时例外。‎ 例1：摩尔热力学能的单位kJ/mol，不宜写成J/mmol。‎ 例2：质量能单位可以是kJ/kg。‎ 当组合单位分母是长度、面积和体积单位时，分母中可以选用某些词头构成倍数单位。‎ 例如：体积质量的单位可以选用g/cm3。‎ 一般不在组合单位的分子分母中同时采用词头。‎ 因数 词头名称 ‎ 符号 英文 中文 ‎106‎ mega 兆 ‎ M ‎ ‎103‎ kilo 千 k ‎102‎ hecto ‎ 百 ‎ h ‎ ‎101 ‎ deca 十 da ‎10-1‎ deci 分 d ‎10-2 ‎ centi 厘  ‎ c ‎10-3‎ milli 毫 m ‎10-6 ‎ micro 微 μ ‎10-9 ‎ nano 纳［诺］‎ n ‎ ‎10-12 ‎ pico 皮［可］‎ p ‎10-15 ‎ femto 飞［母托］‎ f 第二章 化学物质及其变化 本 章 说 明 一、教学目标 ‎1.感受分类方法对于化学科学研究和化学学习的重要作用。‎ ‎2.知道胶体是一种常见的分散系，了解丁达尔效应。‎ ‎3.了解电解质的概念，知道酸、碱、盐在溶液中能发生电离。‎ ‎4.通过实验事实认识离子反应及其发生的条件。‎ ‎5.了解氧化还原反应的本质是电子转移。‎ ‎6.能正确认识氧化还原反应的价值。‎ 二、内容分析 ‎1.地位和功能 如果说第一章是从化学科学研究手段──化学实验方面展开化学科学的话，那么，本章则是从化学学科内容方面展开化学科学。作为从学科内容方面使学生认识化学科学的起始章，是连接义务教育阶段《化学》《科学》与高中化学的纽带和桥梁，对于发展学生的科学素养，引导学生有效地进行高中阶段的化学学习，具有非常重要的承前启后的作用。“承前”意味着要复习义务教育阶段化学的重要内容，“启后”意味着要在复习的基础上进一步提高和发展，从而为化学必修课程的学习，乃至整个高中阶段的化学学习奠定重要的基础。因此，本章在全书中占有特殊的地位，具有重要的功能，是整个高中化学的教学重点之一。‎ ‎2.内容结构 化学物质及其变化是化学科学的重要研究对象。对于多达千万种的化学物质和为数更多的化学反应，人们要想认识它们的规律性，就必须运用分类的方法，分门别类地进行研究。这既反映了化学科学的发展规律，也符合学生的认知规律。因此，对化学物质及其变化的分类是本章的一条基本线索。考虑到学生在进入高中化学学习时，一般都需要复习初中的知识，如化学基本概念和原理、物质间的化学反应等。因此，把化学反应与物质分类编排在高中化学的第二章，使学生对物质的分类、离子反应、氧化还原反应等知识的学习，既源于初中又高于初中，既有利于初、高中知识的衔接，又有利于学生运用科学过程和科学方法进行化学学习，立意更高些。‎ 从化学物质的分类来看，纯净物的分类在初中已初步介绍过，这里主要是通过复习使学生进一步系统化。溶液和浊液这两种混合物虽然初中也涉及过，但是，还没有从分散系的角度对混合物进行分类。因此，分散系和液态分散系的分类、胶体及其主要性质是高中化学的新知识。胶体的性质表现在很多方面，这里只是从胶体与溶液区分的角度，涉及到胶体的丁达尔效应。‎ 从化学反应的分类来看，本章涉及到化学反应分类的3个标准：（1）反应物和生成物的类别以及反应前后物质种类的多少，按此标准划分，可将化学反应分为化合反应、分解反应、置换反应和复分解反应，这4种反应学生在初中已经学习过，这里主要是通过复习使学生进一步系统化；（2）反应中是否有离子参加；（3）反应中是否有电子转移。后两种分类初中没有涉及过，因而是高中化学的新知识。离子反应和氧化还原反应在高中化学学习中将大量涉及，因此，这两种反应是重要的基础知识，是本章的重点内容。‎ 三、课时建议 第一节  物质的分类                              2 课时 第二节  离子反应                                2 课时 第三节  氧化还原反应                            2 课时 复习                                            1 课时 第一节 物质的分类 一、教学设计 根据课程标准“能根据物质的组成和性质对物质进行分类”的要求，本节从分类的角度出发，安排了“简单分类法及其应用”和“分散系及其分类”这两部分内容。‎ 分类是把某些特征相似的物体归类到一起的方法，它是学习和研究化学物质及其变化的一种常用科学方法。运用分类的方法不仅能使有关化学物质及其变化的知识系统化，还可以通过分门别类的研究，发现物质及其变化的规律。教科书通过“图书馆中陈列的图书”的图片，使学生直接感受分类的标准和分类的好处。通过“思考与交流”栏目中三个问题的讨论，引导学生尝试用不同的方法对化学物质及其变化进行分类，使学生感悟到分类法是一种行之有效、简单易行的科学方法。为了使学生能够运用分类法进行学习，教科书又列举了“交叉分类”和“树状分类”这两种常用的、具体的分类方法，并安排了“实践活动”来加深学生对这两种分类方法的了解，让学生进一步体验到“掌握方法比死记硬背更有效”。‎ 胶体是物质的一种存在形式，是一种混合物体系。因此，胶体知识与学生以前所学的知识有所不同，它研究的不是某种物质所特有的性质，而是物质的聚集状态所表现出来的性质。这对学生而言是一个较为陌生的领域，是学生通过分类思想来研究物质、观察物质新的切入点。教科书根据这一特点，结合分类方法介绍了按照分散质和分散剂所处的状态得出9种分散系，然后从分散质粒子的大小引出了胶体的概念，再通过实验对胶体与溶液、浊液的探究，得出胶体的重要性质──丁达尔效应。目的是使学生在了解胶体的这一重要性质的基础上，认识到物质的性质不仅与物质的结构有关，还与物质的存在状态有关，从而拓宽学生的视野。值得注意的是，教科书最后有意识地点明了胶体化学原理和方法与纳米科技发展的关系，让学生理解化学的基本原理和高科技的发展是息息相关的。‎ 对于胶体这部分内容，教科书只介绍了丁达尔效应，至于渗析、布朗运动和电泳现象并未涉及，胶体的介稳性也只是在“科学视野”栏目中点到为止，并不要求作具体的展开。所以，在进行教学时，要注意把握好知识的深度和广度，在了解胶体概念与丁达尔效应的基础上，重点突出分类的方法。‎ 本节教学重点：了解常见化学物质及其变化的分类方法。‎ 本节教学难点：胶体。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.关于简单分类法及其应用的教学 教科书第一次引入“简单分类法及其应用”，其目的是使学生认识科学方法对于化学科学研究和化学学习的重要性，但在教学中可能会遇到一定的困难。因此，建议在“思考与交流”活动中，引导学生对具体的化学物质和化学反应从不同角度进行分类。例如：‎ 案例1  按照物质的组成和性质，对纯净物进行分类，作出树状分类图。然后选择下列合适的物质填在物质类别上。‎ O2、Cu、H2SO4、Ba(OH)2、KNO3、CO2、空气、含镁60%的MgO 案例2  对下列化学反应进行分类：‎ ‎（1）硫在氧气里燃烧 ‎（2）红磷在氧气里燃烧 ‎（3）铁丝在氧气里燃烧 ‎（4）铝箔在氧气里燃烧 ‎（5）蜡烛在氧气里燃烧 对上述5个化学反应可以从不同的角度进行分类。‎ ‎【分类标准1】是不是化合反应：化学反应（1）、（2）、（3）、（4）为一类，都是化合反应；‎ ‎【分类标准2】反应物的特点：化学反应（1）、（2）为一类，都是非金属与氧气反应，化学反应（3）、（4）为另一类，都是金属与氧气反应；‎ 学完本章全部内容后，还可以对上述反应继续进行分类。‎ ‎【分类标准3】是不是氧化还原反应：化学反应（1）、（2）、（3）、（4）、（5）为一类，都是氧化还原反应。‎ 在思考与交流过程中，要使学生感悟到进行分类的目的和意义。同时了解到对于化学物质及其变化，依据不同的标准，可以有不同的分类。‎ ‎2.关于分散系和胶体概念的教学 学习分散系这一部分内容，首先要突出分类的方法，教科书已经列举了按照分散质或分散剂所处的状态，它们之间可以产生9种组合方式，但没有具体的例证。教科书要求通过学生的“思考与交流”活动来完成，这对学生有一定的难度。例如，学生无法理解合金属于固体分散质和固体分散剂组成的分散系，空气属于气态分散质和气态分散剂组成的分散系。因此，教师要充分利用学生已有的知识与生活经验，从分类的角度加以积极引导与完善。‎ 对于丁达尔效应，要把学生在初中学过的悬（乳）浊液、溶液的有关知识及日常生活中接触到的有关事实、现象等联系起来。通过教科书中的“科学探究”活动，把胶体与溶液作对比，使学生在观察、比较的过程中认识胶体本身的特殊性。为避免学生从氢氧化铁胶体（红色）和硫酸铜溶液（蓝色）颜色不同去思考丁达尔效应，可以补充食盐溶液和淀粉溶胶的对比实验。观察丁达尔效应时，可以同时把溶液和胶体都放在入射光的“通道”上，比较哪一种液体有丁达尔效应。通过比较，引导学生抓住粒子直径大小这个关键，正确认识溶液、浊液、胶体的本质特征。‎ 关于胶体的聚沉，教科书以“科学视野”的方式呈现，在教学中也可以适当介绍。首先应让学生认识胶体具有介稳性，主要是因为同种胶粒带同种电荷，而同种电荷会互相排斥，要使胶体聚沉，就要克服排斥力，消除胶粒所带的电荷。然后可让学生展开讨论，提出消除胶粒所带电荷的方案，从中肯定合理的方案。‎ 研究胶体的概念时，教师可以“如果空气中没有气溶胶，我们的环境将会是什么样？”等问题组织讨论，让学生充分发表自己的意见，相互交流，互相争论，最后得出：“光照下无丁达尔效应──空间变得一团漆黑──人类难以生存”的结论。这样的教学方式能充分发挥学生的主体作用，激发学生的创新思维，从而加深对知识的记忆、理解和应用。‎ 二、活动建议 ‎【科学探究】‎ 实验所用的FeCl3溶液要饱和但不能浑浊。烧杯里蒸馏水煮沸后，滴加FeCl3溶液要不断振荡，但不宜用玻璃棒搅拌，也不宜使液体沸腾时间过长，以免生成沉淀。所得胶体应透明、呈红褐色。‎ 做丁达尔效应的实验时，也可预先用木板或硬纸板做一个暗箱，暗箱用带小孔的隔板分为大小两室，小室装一个100 W的灯泡，大室可并排放置两个烧杯，同时大室侧面要留有可看到两烧杯的观察孔。实验时，两烧杯中一个放胶体，另一个放溶液，注意在溶液中不要混有灰尘或胶体。‎ 三、问题交流 ‎【思考与交流1】‎ ‎1.提示：请参考“本章说明”中的“内容结构”。‎ ‎2.提示：如图书馆中的图书分类收藏，大型商场中的物品分类，网络中的信息分类，化学中分散系的分类，生物中对各个物种的分类，等等。‎ 意义：能够提高人们工作、学习的效率，使人们更快、更便捷地达到目的等。‎ ‎3.提示：公孙龙是战国时期平原君的食客。一天，他牵一匹白马出关被阻，公孙龙便以白马非马的命题与之辩论，守关的人辩不过他，公孙龙就牵着马出关去了。（或说，他还是不得出关）公孙龙说，白马为非马者，言白所以名色，言马所以名形也；色非形，形非色也。夫言色则形不当与，言形则色不宜从，今合以为物，非也。如求白马于厩中，无有，而有骊色之马，然不可以应有白马也。不可以应有白马，则所求之马亡矣；亡则白马竟非马。‎ 公孙龙白马非马的论断从颜色和形状两个方面把“马”和“白马”说成是两个概念，从逻辑上讲是偷换概念，但从分类方法上可以说是从颜色和形状分别对物质进行分类而得到的结论。‎ ‎【思考与交流2】‎ ‎1.按照分散质或分散剂的聚集状态（气、固、液）来分，有9种类型：‎ 分 散 质 分 散 剂 实  例 气 气 空气 液 气 云、雾 固 气 烟灰尘 气 液 泡沫 液 液 牛奶、酒精的水溶液 固 液 糖水、油漆 气 固 泡沫塑料 液 固 珍珠（包藏着水的碳酸钙）‎ 固 固 有色玻璃、合金 ‎2.按照分散质粒子的大小来分（分散剂是水或其他液体）：‎ 实例：泥浆水、空气、Ca(OH)2的悬浊液、澄清的石灰水、海水、江河水、牛奶、豆浆等。‎ 四、习题参考 ‎4.完成下列表格 分散系 分散质粒子大小 主要特征 举例 浊液 ‎>100 nm 不稳定，不均一 泥浆水 溶液 ‎<1 nm 稳定，均一 饱和NaCl溶液 胶体 ‎1～100 nm 较稳定，均一 豆浆 ‎5.提示：用丁达尔效应可以区分胶体与溶液。‎ 第二节 离子反应 一、教学设计 在介绍离子反应及其发生的条件以前，需要介绍电解质的概念，以及电解质的电离方程式。 因此， 本节内容分为两部分： “酸、 碱、 盐在水溶液中的电离”和“离子反应及其发生的条件”。‎ 在初中化学中，学生已做过溶液的导电性实验。在此基础上，介绍氯化钠、硝酸钾、氢氧化钠等固体分别加热至熔化后能导电，这样很顺利地引出电解质的概念。然后，通过介绍氯化钠在水中的溶解和电离，引出NaCl电离方程式的书写，以及HCl、H2SO4、HNO3三种酸的电离方程式，从电离的角度得出酸的定义。最后安排“思考与交流”活动，引导学生从电离的角度概括出碱和盐的本质。‎ 通过上面的讨论，使学生了解到电解质在溶液里所起反应的实质是离子之间的反应后，即可很自然地转入到对离子反应的讨论。‎ 教科书通过［实验2-1］现象的分析，引导学生得出CuSO4溶液与BaCl2溶液反应的实质是SO42-与Ba2+的反应，从而引出离子方程式。然后，通过四组酸碱反应的离子方程式的书写，得出中和反应的实质，引导学生更深入地了解离子反应的本质。最后通过［实验2-2］总结出溶液中离子互换型的离子反应发生的条件。‎ 本节没有介绍非电解质和强、弱电解质的概念，离子反应则侧重于对概念和发生条件的认识。本节内容主要特点是重视化学知识的综合运用。例如，通过引导学生参考酸的定义，尝试从电离的角度概括出碱和盐的本质，以及对初中学过的中和反应等知识的综合运用，培养学生分析问题、解决问题的能力，并训练学生的科学方法，加深他们对所学知识的理解。‎ 本节教学重点和难点：离子反应及其发生的条件。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.知道酸、碱、盐在水溶液中的电离情况，是认识离子反应及其发生条件的关键。教学时，在让学生了解电解质概念的基础上，重点讨论酸、碱、盐的电离情况，从电离的角度认识酸、碱、盐的本质。‎ ‎2.做好演示实验，把实验和学生讨论密切结合起来。本节实验是认识电解质的电离和离子反应本质的最好途径。例如，通过［实验2-1］、［实验2-2］进行讨论，可顺利导出离子反应的本质和离子互换反应的发生条件，并对离子方程式有更深刻的理解。‎ ‎3.离子反应、离子方程式的书写这两部分内容是密切相关的，其核心是离子反应。电解质的概念是离子反应的基础，离子方程式是离子反应的表示方法。教学中一定要注意根据课程标准的要求来掌握教科书内容的深广度。例如，不要把电解质的分类扩大，离子反应发生的条件也仅限于复分解反应，离子方程式的书写并不作要求。‎ ‎4.引导学生回忆并总结初中教科书附录“酸、碱、盐的溶解性表”。引导学生记住难溶物像硫酸钡、 卤化银、 碳酸盐 （钠盐、 钾盐除外）等， 同时可适当介绍常见的挥发性物质如氯化氢、 氨气等。‎ 二、活动建议 ‎【实验2-1】‎ CuSO4溶液、NaCl溶液、BaCl2溶液的浓度选用0.1 mol/L。‎ ‎【实验2-2】‎ BaCl2溶液、Na2SO4溶液、Na2CO3溶液、NaOH溶液的浓度选用0.1 mol/L。‎ 三、问题交流 ‎【思考与交流1】‎ 碱──电离时，生成的阴离子全部是OH-的化合物。盐──电离时，生成金属阳离子（或铵根离子）和酸根离子的化合物。‎ ‎【思考与交流2】‎ 例如：（1）利用离子反应鉴定明矾水溶液中的K+、Al3+和SO42-；（2）粗盐的提纯，除去NaCl中的Ca2+、Mg2+和SO42-等。‎ 四、习题参考 ‎2.C  3.B  4.D  5.C ‎6.提示：电解质是指在水溶液里或熔融状态下能够导电的化合物，金属属于单质，故不是电解质。金属导电是自由电子导电，电解质溶液导电是溶液中的离子导电。‎ 第三节 氧化还原反应 一、教学设计 本节主要包括三部分内容，即氧化还原反应的概念、氧化还原反应的特征和氧化还原反应的本质。‎ 在第一部分内容中，教科书以“思考与交流”的方式，让学生通过列举几个氧化反应和还原反应的实例，从得氧、失氧的角度对这些反应进行分类，最后得出氧化反应和还原反应是同时发生的结论，从而得出氧化还原反应的概念。‎ 在第二部分内容中，教科书还是以“思考与交流”的方式，让学生对常见的化学反应从元素的化合价是否发生了变化进行分类，分析氧化还原反应与元素化合价升降的关系，引出氧化还原反应的特征。将氧化还原反应扩大到虽然没有得氧、失氧关系，但只要化学反应前后元素化合价有升降的反应都属于氧化还原反应。‎ 第三部分主要从微观的角度来认识电子转移与氧化还原反应的关系，这是本节的主要内容。教科书以钠与氯气的反应、氢气与氯气的反应为例，从原子结构的角度讨论了氧化还原反应与电子转移的关系，并从电子转移的角度给氧化还原反应下了一个更为本质的定义。第三部分的最后安排了“学与问”，要求通过讨论，分析置换反应等基本类型的反应与氧化还原反应的关系，并要求学生用交叉分类示意图简要表示这种关系。‎ 本节最后简介了氧化还原反应在工农业生产、科学技术和日常生活中的重要应用，同时也辩证地介绍了氧化还原反应会给人类带来危害等。‎ 本节教学重点和难点：氧化还原反应的本质。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.化合价变化和电子转移的关系是本节教学的关键。教学中可结合实例，从得氧失氧、化合价升降到电子转移，一环扣一环、由表及里地揭示氧化还原反应的本质。当然，也要告诉学生在学习过程中要正确、恰当地看待概念的形成和发展。‎ ‎2.本节所设置的两个“思考与交流”起到了承上启下的作用，而“学与问”则对两种不同化学反应分类方法──氧化还原反应和四种基本类型反应有机地联系在一起，起到了巩固、升华的作用。建议教师在教学中重视培养学生“讨论探究式”的学习方法，精心设计讨论过程（如可设计不同的思路引导讨论，形式也可多种多样）。同时注意教学中要留出时间，指导学生阅读教科书、练习巩固，并引导学生进行小结。‎ 对于第一个“思考与交流”，可首先组织学生复习初中学过的氧化反应、还原反应的概念，引导学生从得氧、失氧的角度对化学反应进行分类。接着组织学生讨论，得出氧化反应和还原反应同时存在、不能分开，从而引出本节要学习的氧化还原反应的内容。‎ 对于第二个“思考与交流”，要引导学生从元素的化合价是否发生了变化的角度，对化学反应进行分类。这样一方面突出了分类的思想方法，另一方面也把初、高中知识自然地衔接起来。‎ ‎3.正确、辩证地认识氧化还原反应中各有关物质的相互关系是很重要的。例如，讲氧化剂和还原剂时，应着重说明在氧化还原反应中，氧化剂从还原剂获得电子而被还原，还原剂则将电子转移给氧化剂而被氧化，氧化剂与还原剂在反应中是相互依存的。‎ ‎4.对于氧化还原反应，教科书只要求学生知道在氧化还原反应中，某些元素的化合价在反应前后发生了变化；氧化还原反应的本质是有电子转移（得失或偏移）。不要引入“双线桥”“单线桥”以及氧化还原方程式的配平等内容。常见的氧化剂和还原剂也仅限于教科书中的例子。‎ 二、问题交流 ‎【思考与交流1】‎ ‎1.提示：硫、铁、铝与氧气的反应，氢气还原氧化铜，木炭还原氧化铜等。这类反应的分类标准为得氧即氧化反应，失氧即还原反应。‎ ‎2.提示：在木炭还原氧化铜的反应中，既有氧化铜失去氧发生的还原反应，还有碳得到氧发生的氧化反应。因此，氧化反应和还原反应是同时发生的。‎ ‎【思考与交流2】‎ ‎1.‎ Fe+CuSO4=FeSO4+Cu           Fe 的化合价升高，Cu的化合价降低 Mg+2HCl=MgCl2+H2↑          Mg 的化合价升高，H的化合价降低 S+O2=SO2                       S 的化合价升高，O的化合价降低 CuO+H2=Cu+H2O               H 的化合价升高，Cu的化合价降低 ‎2.不是，只要反应前后化合价有升降的反应都是氧化还原反应。‎ ‎【学与问】‎ ‎1.提示：正确。因为在这几类反应中，反应前后都有元素化合价发生变化。‎ ‎2.提示：化合反应、分解反应、置换反应与氧化还原反应的交叉分类示意图（可以启发学生思考多种表示方法）：‎ 三、习题参考 ‎1.提示：碳元素和铜元素。碳元素的化合价升高，铜元素的化合价降低。‎ ‎2.C ‎3.C、B ‎4.提示：反应中元素的原子发生了电子转移（得失或偏移）。失去（或偏离）；获得（或偏向）。‎ 教学资源 ‎1.科学方法简介 ‎  ‎ 类 别 名 称 定 义 方法举例 观察 通过感官或借助一定仪器，有目的、有计划地考察和描述客观对象的方法 直接观察 间接观察 获取科学事实的方法 实验 根据一定的研究目的，运用一定的物质手段（通常是科学仪器和设备），在人为控制或模拟自然现象的条件下获取科学事实、探索其本质和规律的方法 定性实验 定量实验 对照实验 模拟实验 思想实验 按照实验的模型展开的思维活动，是一种特殊实验方法 理想实验 想象实验 整理科 学事实 的方法 比较 通过相关对象之间的对比，确定它们的差异点和共同点，并发现其共同规律的思维方法 求同比较 求异比较 综合比较 分类 根据对象的共同点和差异点，将对象区分为不同的种类，而且形成有一定从属关系的不同等级的系统的逻辑方法 树状分类法 二元分类法 多元分类法 类比 根据两类对象之间某些相同或相似，推出它们在其他方面也可能相同或相似的逻辑推理方法 共存类比法 因果类比法 对称类比法 综合类比法 归纳 从个别到一般的逻辑思维方法 完全归纳法 不完全归纳法 科学归纳法 演绎 与归纳法相反，从一般到个别的逻辑思维方法 ‎ ‎ 分析 把整体分解为部分，或把复杂事物分解为简单要素，或把过程分解为阶段，或把动态凝固为静态来研究的思维方法 ‎ ‎ 综合 与分析相反，把各个部分、各个方面、各个层次、各种因素结合起来，动态地考察对象的思维方法 ‎ ‎ 构造科 学理论 体系的 方法 假说 根据科学原理和事实，对未知的新事实作出的假定性说明 ‎ ‎ 模型 通过研究模型来解释原型（被模拟的对象）的形态、特征和本质的方法 理想模型 物理模型 数学模型 科学理论 是系统化了的科学知识体系，它用概念、判断、推理的形式完整地反映客观对象的本质及其规律 ‎ ‎ 横向科 学方法 系统方法 按照事物的系统性把对象放在系统的模式中加以考察的方法 ‎ ‎ 信息方法 把系统的过程当作信息传递和转换的过程，通过对信息流程的分析和处理，以达到对某个复杂系统运动过程的规律性认识的方法 ‎ ‎ 反馈控制 用系统活动的结果来调整系统活动的方法 ‎ ‎ 功能模拟 以功能和行为的相似为基础，用模型模仿原型的功能和行为的方法 ‎ ‎ 黑箱方法 利用外部观测、试验，通过输入、输出信息来研究黑箱功能和特征，探究其构造和机理的方法 ‎ ‎ ‎2.丁达尔效应和光散射 ‎1869年，英国科学家丁达尔发现了丁达尔效应。‎ 光射到粒子上可以发生两种情况，一是当粒子直径大于入射光波长很多倍时，发生光的反射；二是当粒子直径小于入射光的波长时，发生光的散射，散射出来的光称为乳光。‎ 散射光的强度，随着颗粒半径增加而变化。悬（乳）浊液分散质粒子直径太大，对于入射光只有反射而不散射；溶液里溶质粒子太小，对于入射光散射很微弱，观察不到丁达尔效应；只有溶胶才有比较明显的乳光，这时粒子好像一个发光体，无数发光体散射的结果就形成了光的通路。‎ 散射光的强度还随着粒子浓度的增大而增加，因此，进行实验时，溶胶浓度不要太小。‎ ‎3.跨世纪的纳米材料 ‎1965年诺贝尔物理学奖获得者、美国加利福尼亚工学院教授费曼(R.P.Feynman)曾在1959年预言：“如果有一天可以按照人的意志来安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”‎ 时间仅仅过去了二十几年，到了1982年，费曼的预言便成了现实。国际商用机器公司研制成了扫描隧道显微镜（简称STM），它不仅能使人类观察到了原子，而且能够利用仪器的针尖来操纵原子，德国科学家宾尼（G.Binnig）等利用扫描隧道显微镜在镍板上将硅原子组成了“IBM”（国际商用机器公司的英文缩略语）的字样。不久，日本科学家又将硅原子堆成了一个金字塔。‎ 于是，人类也像大自然一样，成了主宰原子和分子的主人，而不仅仅是被动地去认识和利用大自然造就的原子和分子。这样，到了20和21世纪之交，人类正在悄悄地进入一个崭新的科技时代──纳米科技时代。‎ 纳米科技是在纳米的尺度上研究和应用原子、分子及其结构信息的高新技术，它的最终目标是直接用具有纳米尺度的原子、分子制造有特定功能的材料，被称为纳米材料（由粒径1～100 nm的粒子组成的固体材料），它是21世纪很有希望和前途的新型材料。‎ ‎（1）纳米材料的发现 组成材料的物质颗粒变小了，“小不点”会不会与“大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特（Grant）的科学思路。‎ 那是1980年的一天，格莱特到澳大利亚旅游，当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷、寂寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料的研究，了解晶体的晶粒大小对材料的性能有很大的影响：晶粒越小，强度就越高。‎ 格莱特上面的设想只是材料的一般规律，他的想法一步一步地深入：如果组成材料的晶体的晶粒细到只有几个纳米大小，材料会是个什么样子呢？或许会发生“翻天覆地”的变化吧！‎ 格莱特带着这些想法回国后，立即开始试验。经过将近4年的努力，终于在1984年制得了只有几个纳米大小的超细粉末，包括各种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。‎ 格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现象。众所周知，金属具有各种不同的颜色，如金子是金黄色的，银子是银白色的，铁是灰黑色的。至于金属以外的材料如无机化合物和有机化合物，它们也可以带着不同的色彩：瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有机化合物组成的染料更是鲜艳无比。‎ 可是，一旦所有这些材料都被制成超细粉末时，它们的颜色便一律都是黑色的：瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色──黑色。正像格莱特想像的那样，“小不点”与“大个子”相比，性能上发生了“翻天覆地”的变化。‎ 为什么无论什么材料，一旦制成纳米“小不点”，就都成了黑色的呢？原来，当材料的颗粒尺寸变小到小于光波的波长（1×10‎-7 m左右）时，它对光的反射能力变得非常低，大约低到小于1%。既然超细粉末对光的反射能力很小，我们见到的纳米材料便都是黑色的了。‎ ‎“小不点”性质上的变化确实是令人难以置信的。著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，居然使金属从导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。‎ 格莱特的发现已经和正在改变科学技术中的一些传统概念。因此，纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。‎ ‎（2）纳米材料的应用 ‎① 天然纳米材料 海龟在美国佛罗里达州的海边产卵，但出生后的幼小海龟为了寻找食物，却要游到英国附近的海域，才能得以生存和长大。最后，长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需5～6年，为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢？它们依靠的是头部内的纳米磁性材料，为它们准确无误地导航。‎ 生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。‎ ‎② 纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。‎ ‎③ 纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。‎ ‎④ 纳米传感器 纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。‎ ‎⑤ 纳米倾斜功能材料 在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。‎ ‎⑥ 纳米半导体材料 将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。‎ 利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。‎ ‎⑦ 纳米催化材料 纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。‎ 镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从‎600 ℃‎降低到室温。‎ ‎⑧ 医疗上的应用 血液中红血球的大小为6 000～9 000 nm，而纳米粒子只有几个纳米大小，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由活动。如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位，便可以检查病变和进行治疗，其作用要比传统的打针、吃药的效果好。‎ ‎⑨ 纳米计算机 世界上第一台电子计算机诞生于1945年，它是由美国的大学和陆军部共同研制成功的，一共用了18 000个电子管，总重量30 t，占地面积约‎170 m2‎，可以算得上一个庞然大物了，可是，它在1 s内只能完成5 000次运算。‎ 经过了半个世纪，由于集成电路技术、微电子学、信息存储技术、计算机语言和编程技术的发展，使计算机技术有了飞速的发展。今天的计算机小巧玲珑，可以摆在一张电脑桌上，它的重量只有老祖宗的万分之一，但运算速度却远远超过了第一代电子计算机。‎ 如果采用纳米技术来构筑电子计算机的器件，那么这种未来的计算机将是一种“分子计算机”，其袖珍的程度又远非今天的计算机可比，而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益。‎ ‎⑩纳米碳管 ‎1991年，日本电气公司的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料，它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物，也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。这种单层和多层的管状物的两端常常都是封死的，如图2-1。‎ 图 2-1  纳米碳管 这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的，因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍，导电率比铜还要高。‎ 在空气中将纳米碳管加热到‎700 ℃‎左右，使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏，成了开口的纳米碳管。然后用电子束将低熔点金属（如铅）蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上，由于虹吸作用，金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小，因此管内形成的金属丝也特别细，被称为纳米丝，它产生的尺寸效应是具有超导性。因此，纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。‎ ‎4.氧化数 对于离子化合物来说，氧化还原反应中电子是完全失去或完全得到的。但是，对于共价化合物来说，氧化还原反应中有电子的偏移，但没有完全的失去或得到。因此用氧化数来表示就更为合理。例如：‎ H2+Cl2=2HCl 这个反应的生成物是共价化合物，氢原子的电子没有完全失去，氯原子也没有完全得到电子，只是形成的电子对偏离氢而偏向氯。用氧化数的升降来表示就是氯从0到-1，氢从0到+1。这样，氧化数的升高就是被氧化，氧化数的降低就是被还原。在氧化还原反应里，一种元素氧化数升高的数值总是跟另一种元素氧化数降低的数值相等。以下列出一些氧化剂和还原剂中某些元素的氧化数。‎ ‎5.氧化还原反应在工农业生产、科学技术和日常生活中的意义 在这里，只能对氧化还原反应在工农业生产、科学技术等方面的作用和意义作一些极简单的介绍。‎ 我们所需要的各种各样的金属，都是通过氧化还原反应从矿石中提炼而得到的。如制造活泼的有色金属要用电解或置换的方法；制造黑色金属和别的有色金属都是在高温条件下用还原的方法；制备贵重金属常用湿法还原，等等。许多重要化工产品的制造，如合成氨、合成盐酸、接触法制硫酸、氨氧化法制硝酸、食盐水电解制烧碱等等，主要反应也是氧化还原反应。石油化工里的催化去氢、催化加氢、链烃氧化制羧酸、环氧树脂的合成等等也都是氧化还原反应。‎ 在农业生产中，植物的光合作用、呼吸作用是复杂的氧化还原反应。施入土壤的肥料的变化，如铵态氮转化为硝态氨，SO42-转化为H2S等，虽然需要有细菌起作用，但就其实质来说，也是氧化还原反应。土壤里铁或锰的氧化态的变化直接影响着作物的营养，晒田和灌田主要就是为了控制土壤里的氧化还原反应的进行。‎ 我们通常应用的干电池、蓄电池以及在空间技术上应用的高能电池都发生着氧化还原反应，否则就不可能把化学能转变成电能、把电能转变成化学能。‎ 人和动物的呼吸，把葡萄糖氧化为二氧化碳和水。通过呼吸把储藏在食物的分子内的能，转变为存在于三磷酸腺苷（ATP）的高能磷酸键的化学能，这种化学能再供给人和动物进行机械运动、维持体温、合成代谢、细胞的主动运输等所需要的能量。煤、石油、天然气等燃料的燃烧更是供给人们生活和生产所必需的大量的能。‎ 由此可见，在许多领域里都涉及到氧化还原反应，我们引导学生学习和逐步掌握氧化还原反应对于他们今后参加生产、走向社会等都是有意义的。‎ 第三章 金属及其化合物 本章说明 一、教学目标 ‎1.了解钠、铝、铁、铜等金属及其重要化合物的主要性质。‎ ‎2.初步认识金属材料在国民经济中的重要作用和与人们日常生活的密切联系，以及合理使用金属材料的重要意义。‎ ‎3.通过金属及其化合物性质的实验，提高学生对“化学是一门以实验为基础的科学”的认识，培养学生的实验意识、操作技能、观察能力和分析问题的能力等。‎ ‎4.以金属知识的学习为线索，通过阅读、查阅资料、讨论和概括等，培养学生获取知识及信息加工的能力。通过比较、归纳等，让学生逐步掌握学习元素化合物知识的一般方法。‎ ‎5.通过金属及其化合物、金属材料在生产和生活中的应用等的学习，提高学生学习化学的兴趣，增强学好化学、服务社会的责任感和使命感。‎ ‎6.通过多种多样的活动，鼓励学生积极提出问题，培养学生敢于质疑、勇于创新的精神和合作精神等。‎ 二、内容分析 ‎1.地位和功能 在第一章从实验学化学和第二章化学物质及其变化的基础上，本章开始介绍具体的元素化合物知识。这一章介绍金属及其化合物，下一章介绍非金属及其化合物。金属元素、非金属元素及其化合物构成了许许多多的物质，形成丰富多彩的世界。要想了解物质世界，了解化学，就要从构成常见物质的元素知识开始。元素化合物知识是中学化学的基础知识，也是学生今后在工作和生活中经常要接触、需要了解和应用的基本知识。这些知识既可以为前面的实验和理论知识补充感性认识的材料，又可以为化学2介绍的物质结构、元素周期律、化学反应与能量等理论知识打下重要的基础；也可以帮助学生逐步掌握学习化学的一些基本方法；还能使学生真正认识化学在促进社会发展、改善人类的生活条件等方面所起到的重要作用。‎ ‎2.内容结构 本章的元素化合物知识内容可分为单质、化合物和金属材料三大块。对于单质及化合物的化学性质，并没有按下页图所示逐条介绍，而是采取不同的方式来呈现：有的用回忆与复习、讨论的方式，有的用实验、观察的方式，有的用科学探究的方式，有的则让学生通过实践活动自己去研究和探索，从而使学生巩固和丰富化学反应的有关知识。‎ 教科书之所以这样编排，是根据课程标准而设计，既考虑到必修课程中两个模块的内容，又考虑到高中化学学科知识的连贯性和学生的认知规律。在金属元素的选择上，考虑到镁是重要的金属，而其化学性质在初中已经介绍过，且在合金部分也涉及到，因此没有专门介绍。铜是大家熟知的金属，所以以“资料卡片”的形式介绍了铜。为了使学生对金属及其化合物有一个整体的了解，本章钠、铝、铁、铜的知识采用横向对比的写法，这既是一种尝试，也是当前比较理想的编排方案。‎ ‎3.内容特点 本章知识内容多而广，但要求有所降低学生在初中化学中已学过一些金属及其化合物的知识，在平时的生活接触中也已有较多了解，现在进一步学习一些有关金属的新知识容易接受。受教学课时和教学要求的限制，金属及其化合物知识不可能分章详细介绍，只能相对集中。本章内容多而广，但受到课时限制，教学要求并不高。‎ 按单质、氧化物、氢氧化物的性质分块介绍在过去的教科书中，经常以某元素为线索，按照“金属单质→金属氧化物→氢氧化物→盐”的纵向知识结构进行编排，还采取先典型、后扩展到一般的方法，如学习一种典型金属元素及其化合物的性质，再学习同族元素性质的相似性和递变性。但本章没有按这一思路编排，而是按单质、氧化物、氢氧化物和盐来分类，重新整合，横向分块，集中介绍。‎ 突出了个别物质的特性反应对每种物质并没有全面介绍，对物质的化学性质的介绍也不求面面俱到，而是突出重点，强调物质的一些特性反应。如钠与水的反应、铝的两性、三价铁和二价铁的氧化还原性等。‎ 金属知识的内容提前教科书将有关金属的知识安排在“物质结构”“化学反应与能量”之前，集中学习。因此，元素的原子核外电子排布、周期表等相关知识只能立足于初中化学和前两章的基础之上，而不能在此得到更多地扩展，这也是本章内容的一个新情况。‎ 三、课时建议 第一节  金属的化学性质                               3 课时 第二节  几种重要的金属化合物                         3 课时 第三节  用途广泛的金属材料                           1 课时 复习                                                 1 课时 第一节 金属的化学性质 一、教学设计 课程标准要求“根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究，了解钠、铝、铁、铜等金属及其重要化合物的主要性质，能列举合金材料的重要应用”。金属单质的性质是金属元素性质的反映，是了解金属化合物性质的基础。由于受模块内容和课时的限制，本节的设计不像以往教科书按一种金属一节进行描述，而是将几种重要的金属列为一节进行介绍。本节要介绍的金属，也仅是课程标准所确定的几种常见金属。‎ 初中化学中介绍的金属主要是铝、铁和铜，金属的性质以物理性质为主，化学性质只提及铝与氧的反应，同时介绍了金属活动性顺序，使学生初步了解金属与酸或盐溶液反应的规律。本节“金属的化学性质”是在初中介绍的金属和金属材料的基础上，进一步加深和提高。金属种类选了“钠、铝、铁、铜”，具有代表性：两种主族元素、两种副族元素；一种非常活泼的金属，两种较活泼金属，一种不活泼金属；除钠外，其他三种金属都是常见金属，学生有感性的认识，能与日常生活中金属的应用相结合。‎ 学生对金属的化学性质主要通过实验、图画和讨论等途径获得。教科书中安排的实验有：钠在空气里缓慢氧化，钠加热时氧化，钠与水的反应，铝与盐酸或NaOH溶液的反应，铝箔在酒精灯上加热和铁跟水蒸气的反应等。实验操作与图片展示相结合，可以加深实验的印象，增强实验的效果。实验过程中有些现象和结论不是由老师告诉学生，也不在教科书中叙述，而是由学生自己得出，这样有利于学生独立思考，提高学生的分析能力和总结表达能力。几种金属的化学性质集中介绍，有利于金属性质的比较，如钠、铝与氧反应的学习结合生活中铁与氧的反应，可以对金属与氧气反应有一个整体的了解，并能认识到金属与氧气的反应情况与金属的活泼性有关。如钠与水的实验，现象比较多，为了更好地观察实验现象，教科书设计了“观察提示”，引导学生得出钠的密度、熔点、反应程度、反应产物及反应过程中的能量变化等相关结论，这样有利于培养学生分析问题的能力和科学态度。‎ 教科书里还安排了“思考与交流”“科学探究”和“实践活动”等栏目，不是把知识直接交给学生，而是引导学生以活动的形式获得。例如，铁与水蒸气的反应是通过科学探究，给出思路，引导学生提出设计方案、画出实验装置图等。这样通过科学探究，学生不仅学到了知识，还培养了学习能力，同时也帮助学生树立“结论来自实验”的观点。‎ 本节教学重点：钠的氧化和钠与水的反应，铝与NaOH溶液的反应。‎ 本节教学难点：钠与水反应、铝与NaOH溶液反应的实验现象观察。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.复习初中化学中金属的有关知识，做好与新课的衔接 可引导学生回忆初中化学中金属的化学性质和金属活动性顺序的有关知识，让学生畅谈日常生活中有关金属性质的所见、所闻。例如，打铁铺里铁熔化锤打时Fe3O4的生成，铁、铝与酸（如醋酸）的反应，CuO、FeCl3等常见化合物的存在等，以此说明金属可与一些非金属反应，然后引入新课。这样，既可以检查学生初中金属内容的掌握情况，为学习新内容奠定基础，同时又可以比较快地形成课堂气氛。‎ ‎2.充分运用实验，突出化学学科的学习特征 做好实验是学习化学的重要途径。做好本章实验可以加深学生对金属性质的认识，增强学生观察和分析问题的能力。钠是活泼金属，在自然界中不存在游离态的钠，所以，学生从未见过钠，更谈不上了解它的性质。教科书设计了新切开的银白色钠切口在空气中氧化变暗，钠在坩埚中加热时的逐渐变化及氧化反应的产物，以及钠与水的反应等实验。在教学中应该把这些实验做好，让学生感受到活泼金属的一些反应原来如此精彩，与我们熟悉的铁、铜的化学性质差别如此之大，从而增强学生希望了解更多金属知识的迫切感。同样，对铝在空气中受热熔化，铝与NaOH溶液的反应都应该充分发挥实验的作用，使学生获得感性的认识。在实验中要引导学生注意观察，通过所观察到的现象来分析金属的性质。钠与水的反应、铝与NaOH溶液的反应现象明显，也是经典的实验，教师应尽可能让学生动手完成这些实验，但要强调实验安全。‎ 在铁与水蒸气反应的科学探究中，实验本身难度较大，现要求进行几种实验，难度更大。教科书中有关实验设计的内容不多，课程标准有培养学生实验设计能力的要求，应引导学生完成好这一实验。‎ 实验是化学知识的联结点，如钠的保存可以在钠的取用时介绍，钠的物理性质可以在做钠与水反应的实验时来介绍等。‎ ‎3.提倡问题式教学，让学生主动参与到学习中去 在课堂上不仅要善于用问题启发学生思考，还应该积极调动学生学习的积极性，让学生主动地提出问题。例如，对于金属钠在空气中缓慢氧化与加热时的氧化，可以“你对金属钠与氧气在这两种情况下的反应可以提出哪些问题（包括它们的不同点）？”等来启发学生提出问题，改变以往“教师讲、学生记”或“教师提出问题、学生回答问题”的教学方式。不仅在课堂上提倡问题启发式教学，在一节课快结束时，也可以布置学生课外去思考问题，比一比在下节课谁提出的问题多，提出的问题有价值。然后将学生提出的问题进行汇总、分类，把学习活动推向深入。‎ ‎4.积极开展科学探究活动，让学生体验科学探究的过程 科学探究的目的是让学生在获得结论的同时，体验科学探究的过程，了解科学探究的方法。开展科学探究活动时，不要给学生规定框框，不要束缚学生的思维，要让学生动手实践，学会通过实践来解决问题，又从实践中发现新的问题。例如，铁与水蒸气反应的探究，引导学生分析需要解决哪些问题（制水蒸气、在什么条件下反应、产物是什么等），怎样去解决，等。然后让学生去思考，同学间交流探究方案（要告诉学生注意实验安全），在哪些方面还可以作出改进，再根据设计方案画出装置草图。在探究教学中，要注意开放性。既然是探究，各种情况都有可能出现，学生也可能得出不同的、甚至违反常规的结论，在探究中这些都属于正常的。学生提出的方案越多，思考的角度就越广。取众人所长，考虑的问题就越全面，设计的方案就越完美。教师对探究的评价应注意策略，多肯定学生好的方面，对于违反常规的设计，也不要立即否定，要鼓励学生质疑，引导学生分析原因，或重新再试。‎ ‎5.运用比较、归纳的学习方法，帮助学生总结提高 在学习了金属与氧气的反应、与水的反应、与NaOH溶液的反应等以后，要运用比较、归纳、分析、综合等方法找出金属的共性。同时也让学生注意钠、铝、铁分别与氧气、与水的反应各不相同，它们之间存在差异。然后可以根据反应程度的差异总结出不同金属与氧气、与水反应的情况与金属活动性的关系，用金属的活动性来说明钠、铝、铁、铜的性质（金属的活泼性与金属的活动性是两个不同的概念，但在某些方面是一致的）。同时还要让学生了解铝能够与NaOH溶液反应，不是所有金属共同具有的性质，而是少数金属的特性。通过比较、归纳，使学生了解金属的一般化学性质和个性，从而对金属的化学性质有一个整体的认识。‎ 二、活动建议 ‎【实验3-1】‎ 切开金属钠前先观察钠的表面，以便与切后进行比较。切割金属钠在玻璃片上进行，切口处可观察到银白色光泽，暴露在空气中很快变暗。这一实验不仅说明钠具有金属光泽，而且还说明钠质软。放置后钠表面变暗或久置生成一层厚的物质是氧化钠。‎ 观察钠的金属光泽还可以用以下方法：‎ ‎（1）取两支口径不同而长短适当的试管，一支试管较小，可以紧密地放到另一支试管里而不留下较多空隙。先在口径较大的试管里注入1‎ ‎ mL洁净的煤油，取金属钠一小块（黄豆大小），除去表面已经发生变化的部分，露出金属光泽，放入盛有煤油的试管里。在试管底部缓缓加热，等钠熔化后，插入较小口径的试管，把钠压挤在两个试管之间，成为一个薄层，钠的颜色和光泽就清楚地显现出来。然后在两支试管口间的缝隙涂上石蜡，以隔绝空气。这样可使钠的光泽在较长的时间内不致消失。‎ ‎（2）选取一根管壁较薄的玻璃管，用布包裹着玻璃管像使用钻孔器一样，慢慢地钻入大的钠块里，使管中填有一段银白色的金属钠。用玻璃棒把钠推到管的中央，然后用蜡封好玻璃管的两端，样品可以长期保存和使用。‎ 实验现象：取出的金属钠表面有一灰黄色层，切开后的切口处露出银白色光泽。切口在空气中露置一会儿，会逐渐变暗。久置表面还会形成溶液，再变成白色粉末。‎ ‎【实验3-2】‎ ‎1.钠的燃烧实验在坩埚里进行比较规范。在石棉网上或蒸发皿里进行也比较安全，而且现象的能见度较大。如在火焰上方罩一个干燥的小烧杯，还可以看到烧杯壁上附着的淡黄色的Na2O2。‎ ‎2.做此实验时应注意，钠开始燃烧后立即撤掉酒精灯。‎ 实验现象：可观察到钠先熔化后燃烧，燃烧时火焰呈黄色，最后留下的固体呈淡黄色。‎ ‎【实验3-3】‎ ‎1.钠与水的反应若在烧杯中进行，可让学生完成，但烧杯口上应盖一张塑料片，以防止钠反应时钠块或液体飞溅伤人。应提示学生观察反应时钠所处的部位、形态、钠球的运动和大小变化情况、周围水雾的产生和发出的响声，以及溶液的颜色变化等。如果教师演示，最好用玻璃水槽代替烧杯，用投影仪投影，以利于学生观察实验现象。‎ ‎2.可补充钠与水反应收集气体的实验，以验证反应生成的气体是氢气。‎ 实验现象：钠浮在水面，熔成小球并在液面上迅速游动；钠球周围有水雾，有时可能有火花，或伴有爆鸣声；钠球在反应中逐渐变小，最后消失；加有酚酞的溶液变成红色。‎ ‎【实验3-4】‎ 若要检验铝分别与盐酸、NaOH溶液反应放出的气体是氢气，盐酸和NaOH溶液的浓度应稍偏大，如可用6 mol/L的盐酸和30%的NaOH溶液，要保证氢气产生的一定速率和一定数量。将点燃的木条放在试管口可观察到蓝色火焰，但不明亮，用爆鸣的检验方法成功率比较高。铝片不宜太纯。在反应中可观察到开始反应较慢，后来渐渐加快，这是因为开始时是铝表面的氧化膜先发生作用，氧化膜反应完以后才有H2产生，而且随着反应的进行，温度升高，反应速率也加快。‎ 实验现象：铝分别放入盐酸、NaOH溶液中有气泡产生，将点燃的木条放在试管口，可观察到蓝色火焰。‎ ‎【科学探究1】‎ 首先提出“铝与氧气能否反应”的问题，然后分析若能反应应控制的条件，如选铝块、铝条还是铝箔？需不需要加热？再分别用未打磨的铝箔和已打磨的铝箔在火焰上加热。铝箔厚度要适当。太薄，用砂纸打磨除去氧化膜时难以操作或铝箔破损。打磨时用精细砂纸较易打磨。‎ 现象：将未打磨的铝箔在酒精灯火焰上加热，发现铝箔发红卷缩，变暗失去光泽，熔化不落下（表面有氧化膜，因此不能燃烧）。将已打磨的铝箔在酒精灯火焰上加热，发现铝箔也卷缩，变暗失去光泽，熔化不落下（打磨后铝箔表面又很快形成氧化膜，阻止了铝的燃烧）。‎ 可让学生讨论若要观察到铝的燃烧应采取哪些措施。例如，增大铝与空气（或火焰）的接触面，将铝粉撒到火焰上；提高反应的温度，即将铝箔略卷，尖端夹一根火柴，然后将火柴引燃，把火柴和铝箔一起伸入到氧气瓶中，均可观察到耀眼的白光。‎ ‎【科学探究2】‎ 先让学生用生活中的事例说明铁不能与冷水或热水反应。再提出若继续提高温度能否进行反应等问题展开讨论（如将铁块烧红插入水中，或将铁粉与水蒸气在高温下反应等），逐渐引入到铁粉与水蒸气反应的主题。‎ 铁粉与水蒸气反应，应从水蒸气的产生、铁粉与水蒸气反应、反应产物的检验等环节讨论反应装置的设计（即导出原教材“铁与水蒸气反应”的实验装置，如图3-1，左。课堂上若演示一下更能调动学生学习的积极性，演示时反应要在喷灯加热的条件下进行，硬质玻璃管中的铁粉应与石棉绒混合）。在此基础上再提出，用三支试管如何改进反应装置，总结改进后的方案（如图3-1，右）。最后介绍教科书中的实验装置，讨论该装置各部分的作用和装置的优点，然后用此装置进行演示。‎ 图 3-1  铁粉与水蒸气的反应装置 教科书中介绍的是用一支试管完成铁粉与水蒸气反应的实验，试管底部塞有一团潮湿的棉花，在湿棉花左边放有铁粉，蒸发皿中放肥皂水（或在水中加几滴洗涤剂）。整套装置试管口应低于试管底。铁粉与湿棉花的距离可近一些，加热时用一盏酒精灯先后加热两处。反应产生的气体导入到肥皂水中吹成氢气泡，再用燃着的火柴去点燃，可发出爆鸣声。这一实验所用的时间短且很安全。演示该实验要注意：（1）铁粉不需要与石棉绒混合，因改用酒精灯加热，温度比用喷灯加热时低。（2）酒精灯应先在放湿棉花的位置上加热一会儿，待试管底部温度略高，且有部分水形成蒸气时，再将酒精灯移至放铁粉的位置加热，可防止发生倒吸现象。（3）加热一会儿后再将导管插入到肥皂水中，最初插入时吹起的是空气泡。肥皂水不宜太稀，否则吹起的氢气泡太小，点燃时难以有较大的爆鸣声。（4）实验结束时，应先从肥皂水中撤出导管，再移去燃着的酒精灯。‎ 现象：加热时试管内铁粉红热，点燃肥皂泡可听到爆鸣声。‎ ‎【实践活动】‎ ‎1.让学生在课外用卡片的形式把提出的问题收集并汇总，然后分类。‎ ‎2.把学生的分类情况和自己选择研究、调查的问题的结果以书面形式上交。‎ ‎3.把结果张贴或在课堂上交流，教师对学生参加这次活动的情况要作出评价。‎ 问题举例：① 金属都有光泽吗？铁块上的灰色是光泽吗？‎ ‎② 观察铁粉为什么看不见银白色光泽？‎ ‎③ 哪些金属在自然界中以游离态存在？实验室有单质金属钠，可以说钠在自然界以游离态存在吗？‎ ‎④ 为什么有的金属只有一种化合价，而有的金属有多种化合价？‎ ‎⑤ 铁有银白色光泽，为什么铁又称为黑色金属？‎ ‎⑥ 铝的导电性比铜的差，为什么电力工业上常用铝做导线？‎ ‎……‎ ‎（分类可以有不同的标准，如金属可按存在状态、密度、颜色、活泼性等分类，对学生提出的问题也可以用不同的标准进行分类。）‎ 三、问题交流 ‎【思考与交流】‎ ‎1.列举金属能发生哪些化学反应。‎ 围绕初中化学所学的金属与氧气的反应、金属与酸的反应和金属与一些盐溶液的反应，以及金属活动性顺序等知识，并结合生活中所观察到的现象展开讨论。‎ ‎2.图3-2四幅图分别是：铝丝与CuSO4溶液反应形成铜树、镁条燃烧、铜丝与AgNO3溶液反应形成银树、镁条与盐酸反应。根据图3-2 有关金属化学性质的一些实验让学生讨论：镁条燃烧发生了什么反应？铜树、银树是怎样形成的？这些反应有什么特点？它们各属于什么反应类型？写出相应反应的化学方程式。‎ 四、习题参考 ‎1.在实验室里，应把金属钠保存在煤油里。这是由于钠很容易与空气或水反应，钠的密度比煤油的大，沉在煤油底部，煤油起到隔绝空气的作用。‎ ‎2Na+O2Na2O2    2Na+2H2O=2NaOH+H2↑‎ ‎2.B ‎3.B ‎4.（1）3Fe+4H2O（g）Fe3O4+4H2↑‎ ‎（2）2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑  2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑‎ ‎5. ‎1 kg Mg与‎1 kg Al分别与足量盐酸反应时，‎1 kg Al放出的H2多。（‎1 kg Mg与足量盐酸反应可放出‎83 g H2，‎1 kg Al 与足量盐酸反应可放出‎111 g H2。）‎ 设体积为1 ‎000 cm3，则Mg的质量为1 ‎738 g，约72.4 mol，反应可产生H2 ‎144.8 g；Al的质量为2 ‎700 g，约100 mol，反应可产生H2 ‎300 g。所以相同体积的Mg、Al分别与足量盐酸反应，Al放出的H2多。（建议学生运用物质的量概念进行计算，并列出计算式。）‎ ‎6.建议从铝的矿产资源、铝的冶炼、铝燃烧放出的热量、铝燃烧的条件、燃烧容器等方面去考虑。‎ ‎7.建议教师帮助学生列表比较几种主要因素，再由学生查阅资料，填表比较、分析，最后得出结论。‎ 第二节 几种重要的金属化合物 一、教学设计 本节知识是金属的化学性质知识的延伸和发展。在自然界中金属元素基本上都以化合物的形式存在，只有既了解金属单质的化学性质，又了解它们的化合物的性质才是比较全面地了解了金属。金属化合物的性质是建立在金属单质性质的基础之上，金属在化学反应中失去部分电子转变为金属阳离子，生成金属化合物，所以它们之间存在着必然的因果关系。但金属阳离子的性质与金属单质的性质就完全不同了，这是原子核外电子的量变引起质变的有力证据。大多数金属阳离子核外已达到稳定结构，所以金属化合物之间的相互转化主要是发生复分解反应，一般不涉及金属元素化合价的变化，只有少数有变价的元素（如Fe）的阳离子在一定条件下才会发生氧化还原反应。‎ 本节对钠、铝、铁、铜四种重要金属的化合物的性质按氧化物、氢氧化物和相应盐的顺序编写。同类化合物的性质有许多相似性，这样编排便于从一类化合物的性质中找出共性，形成规律性的知识，有利于对同类其他化合物的认识和推断。‎ 根据课程标准的要求，对钠、铝、铁、铜的化合物性质的介绍仍以化学性质为主，且是主要的化学性质，对于它们的物理性质不作详细描述。‎ 根据课程标准所确定的“课程强调学生的主体性”，要“有助于学生主动构建自身发展所需的化学基础知识和基本技能”的课程性质，本节内容在呈现方式上有以下特点：图片较多，有利于引起学生的学习兴趣；化合物的知识不是逐个物质介绍，而是相对集中学习，用比较的方法加以叙述，如MgO、Fe2O3、CuO与酸的反应，Fe(OH)2、Fe(OH)3的生成等；活动较多，如Na2CO3、NaHCO3的性质，Fe3+的检验等采用了科学探究的形式。‎ 本节教学重点：氢氧化铝、氢氧化铁的性质，Fe3+、Fe2+的转化。‎ 本节教学难点：两性氢氧化物概念的形成，Fe3+、Fe2+的转化。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.运用列表比较的方法，理解各类金属化合物的性质 列表比较法是化学教学中经常使用的一种方法。对同一类化合物的性质，运用比较法可以使知识结构清晰，得出它们的共同点和性质差异，有利于学生对知识的掌握。例如，金属氧化物的性质可列表为：‎ 氧化物 固体颜色 水溶性 与盐酸反应的化学方程式（注明溶液的颜色）‎ Na2O 白色 溶 Na2O+2HCl=2NaCl+H2O（溶液无色）‎ MgO 白色 不溶 MgO+2HCl=MgCl2+H2O（溶液无色）‎ Fe2O3‎ 红棕色 不溶 Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O（溶液黄色）‎ CuO 黑色 不溶 CuO+2HCl=CuCl2+H2O（溶液蓝色）‎ Al2O3性质特殊，是两性氧化物。同样，对于氢氧化物，可以先从NaOH、Mg(OH)2、Cu(OH)2的固体颜色、水溶性、与酸的反应等了解碱的一般性质，再介绍Fe(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3的性质，也可以列表进行比较。得出它们既具有一般碱的性质，也具有一些特殊的性质。如Al(OH)3是两性氢氧化物。在归纳过程中，一个事例，不可能归纳出规律性。只有从许多事例中归纳出的规律才有指导作用。‎ ‎2.做好每一个实验，充分发挥实验的功能 本节有5个实验，3个科学探究，是实验数量最多的一节。除作为科学探究的Na2CO3和NaHCO3‎ 分别溶于水和与酸的反应、铝盐和铁盐的净水作用的实验外，其他几个都是简单易做的实验，建议采用边讲边实验的形式来完成。对于Na2CO3和NaHCO3分别溶于水的实验，有条件的话也可以边讲边做，因为实验要求感受它们溶于水时的热量变化，这是只有学生亲自动手才能感受到的。这些实验都是验证性的，但要让学生通过观察实验现象，分析得出有关结论，体验实验的作用。‎ ‎3.正确指导学生观察图画和阅读资料，充分发挥图画、资料的功能 本节有13幅图画用来配合和丰富教学内容，在这些图画中，有晶体的图片，有物质的制取和用途的图片，有配合实验展示现象的图片。例如，Al(OH)3吸附色素实验现象的对比、氢氧化铁和氢氧化亚铁的生成、焰色反应等。要引导学生仔细观察这些图画，找出图画中所包含的丰富的信息，加深学生对相关知识的认识。‎ ‎4.强化金属化合物的性质与金属活动性顺序的联系，提高知识的理解层次 学习金属化合物的性质要与金属活动性顺序联系起来，这样可以提高知识的理解层次，对其中存在的规律性加深认识。例如，金属越活泼，它的氧化物越容易生成，氢氧化物的碱性越强。金属活动性顺序的规律性很强，在平时应用很多，而且与金属化合物的性质联系起来，也使这一规律的内涵更加丰富。‎ ‎5.向学生征集问题，鼓励学生质疑 为了促进学生主动地学习，可以开展向学生征集问题的活动。在征集问题的过程中促进学生思考，促进学生去自学、去搜集资料、去解决自己想要了解的问题。如学了Fe(OH)2、Fe(OH)3后知道铁元素有+2、+3价，学生可能会问：铁的氢氧化物只有两种，为什么铁的氧化物会有三种？难道铁元素还有第三种价态吗？Al2O3、Al(OH)3为什么都具有两性？等等。不论学生提出的问题有多少，质量有多高，我们都可以从学生的问题中了解学生的思想、学生的认识水平，同时这些问题也可以提供大量的教学素材，有利于生动活泼的课堂教学模式的形成。‎ 二、活动建议 ‎【实验3-5】‎ 结合图3-12，实验前和实验时要引导学生注意观察金属氧化物和与盐酸反应后生成溶液的颜色，加深对这几种金属氧化物和相应的盐溶液颜色的印象，并将观察到的现象填入表中。‎ 金属氧化物与盐酸的反应速率与盐酸浓度有关。一般盐酸浓度约为1 mol/L比较适宜，溶解效果较好。‎ 实验现象：白色的MgO粉末溶于盐酸生成MgCl2无色溶液，红棕色的Fe2O3粉末溶于盐酸生成黄色的FeCl3溶液，黑色的CuO粉末溶于盐酸生成蓝绿色的CuCl2溶液。‎ ‎【实验3-6】‎ 用吸有NaOH溶液的胶头滴管垂直从盛有FeCl3、FeSO4溶液的试管口滴入NaOH溶液，可以观察到FeSO4溶液中产生的沉淀迅速变化。分析原因，然后再改进实验：将吸有NaOH溶液的长滴管伸入到FeSO4溶液的液面下，挤出NaOH溶液，观察现象；或向盛有FeSO4溶液的试管里加入少量煤油，以隔绝空气，再将吸有NaOH溶液的长滴管伸入到FeSO4溶液的液面下，挤出NaOH溶液，观察现象。‎ 实验现象：在FeCl3溶液中滴入NaOH溶液生成红褐色的Fe(OH)3沉淀；在FeSO4 溶液中滴入NaOH溶液，先生成白色絮状的Fe(OH)2，而后迅速变为灰绿色，最后变为红褐色的Fe(OH)3沉淀。‎ ‎【实验3-7】‎ 可让学生逐滴加入氨水，振荡，观察沉淀的生成、沉淀的胶状和沉淀量的增加，形成胶状沉淀的概念。静置一会儿，观察沉淀沉降的情况，了解胶状沉淀的性质，为解释明矾能吸附色素和净水的原理埋下伏笔。‎ 继续加氨水稍过量，沉淀不溶解，说明Al(OH)3不溶于弱碱。‎ 在此基础上，可补充Al(OH)3吸附色素的实验。‎ 实验现象：在Al2(SO4)3溶液中滴加氨水有白色胶状沉淀生成。‎ ‎【实验3-8】‎ 将［实验3-7］制得的Al(OH)3沉淀分装在两支试管里，分别加入盐酸和NaOH溶液，边加边振荡，观察现象。结合教科书分析反应产物，得出两性氢氧化物的概念。‎ 实验现象：Al(OH)3沉淀中加盐酸或NaOH溶液，沉淀都消失。‎ ‎【实验3-9】‎ ‎1.火源最好用喷灯、煤气灯，因酒精灯火焰略带黄色，喷灯的火焰温度高，而且无色。‎ ‎2.做焰色反应实验前，铂丝（或无锈铁丝）应灼烧到无色。也可先用盐酸清洗，再灼烧至无色。‎ ‎3.做钾盐的焰色反应实验时，要透过蓝色钴玻璃片进行观察。蓝色玻璃片能吸收黄光，能排除钠盐的干扰。没有蓝色钴玻璃片，可用幻灯片涂上蓝色颜料代替。‎ 一些改进实验：（1）用甲醇配制金属盐溶液，装入喷雾器向火焰处喷射，焰色明显。‎ ‎（2）将粉笔先吸足酒精，再点燃，在火焰上进行焰色反应实验，现象很明显。‎ 实验现象：焰色反应的颜色为：钠盐呈黄色、钾盐呈紫色、钙盐呈砖红色、锶盐呈洋红色、铜盐呈绿色。‎ ‎【科学探究1】‎ ‎1.采用课堂实验教学法，与［科学探究2］合并为一节课，写出实验报告。‎ ‎2.先复习初中化学中Na2CO3、NaHCO3与酸的反应，也可比较与酸反应时产生H2的速率。可增加NaHCO3受热分解的演示实验。‎ ‎3.对为什么Na2CO3、NaHCO3溶液显碱性的问题，让学生自己去找资料解决。‎ ‎4.讨论图3-18所示装置的特点及检验产生CO2气体的方法。‎ 实验现象与结论：‎ ‎  ‎ 步 骤 ‎1 g‎ Na2CO3 ‎ ‎1 g‎ NaHCO3‎ ‎①加1 mL 水白色粉末，加水结块变成晶体；放热 细小白色粉末，加水部分溶解；感受不到热量变化 ‎② 加10 mL水 振荡时间长时可溶解 固体量减小 ‎③ 加2滴酚酞溶液 溶液变红（较深）‎ 溶液变微红色 初步结论 加水先变成含结晶水的晶体，溶液碱性比NaHCO3的强 加水部分溶解，溶液碱性比Na2CO3的弱 ‎  ‎ 现  象 发生反应的化学方程式 结  论 Na2CO3‎ 澄清的石灰水不变浑浊 ‎────‎ 受热不分解 NaHCO3‎ 澄清的石灰水变浑浊 ‎2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑‎ 受热易分解 ‎【科学探究2】‎ ‎1.FeCl2溶液要新配制的，用铁粉还原后再分发给学生。‎ ‎2.做Fe3+离子氧化性的实验时，加铁粉的量应少，否则影响后一个实验。或让学生从第一个实验的溶液（即加铁粉与KSCN溶液后的液体）中取出一部分做第二个实验。‎ ‎3.Fe3+的氧化性事例可略展开，如与Cu、H2S的反应等。‎ 实验现象与结论：‎ ‎（1）Fe3+离子的检验：‎ ‎    ‎ 滴入KSCN溶液 FeCl3溶液溶 液呈血红色 FeCl2溶液 溶液颜色无变化 ‎（2）Fe3+离子的氧化性：‎ 加  入 现  象 反应的化学方程式 铁粉，KSCN溶液 不显血红色 ‎2FeCl3+Fe=3FeCl2‎ 加入氯水，振荡 溶液显血红色 ‎2FeCl2+Cl2=2FeCl3‎ ‎【科学探究3】‎ 可在介绍日常生活中或在洪涝灾害时对饮用水净化处理的方法后进行实验。本实验采用对照法，实验现象参见下表：‎ ‎  ‎ 不加试剂 加入明矾 加入硫酸铁溶液 ‎2 min 无明显变化 有明显沉降，溶液半透明 有明显沉降，溶液半透明 ‎5 min 浑浊，略有沉降 沉淀沉在底部，溶液接近透明 （比加硫酸铁的透明）‎ 沉淀沉在底部，溶液接近透明 关于明矾和硫酸铁溶液为什么可用于净水，可让学生利用已学的知识和课外阅读资料，自己去找答案，并希望学生归纳出作为净水剂应具备的条件。‎ 三、问题交流 ‎【学与问1】‎ ‎1.Na2O、Al2O3都是白色固体，但附在银白色的金属钠或铝上均显暗灰色。它们的化学性质不同：Na2O能溶于水生成NaOH ，Al2O3不溶于水；Na2O能与酸反应，Al2O3既能与酸反应，又能与强碱反应；Na2O疏松，对内层金属不能起保护作用，而在空气中铝表面的Al2O3是致密的薄层，对内层铝有很好的保护作用。‎ ‎【学与问2】‎ 参考答案：‎ ‎（1）Fe(OH)2+2HCl=FeCl2+2H2O           Fe(OH)3+3HCl=FeCl3+3H2O Fe(OH)2+H2SO4=FeSO4+2H2O               2Fe(OH)3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+6H2O 四、习题参考 ‎1.酸、强碱、两性、两性 ‎2.生成白色沉淀、沉淀不消失；生成白色沉淀、沉淀消失 ‎3.B ‎4.C ‎5.2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2  三价铁被还原为二价铁，铜从0价升高到+2价。‎ ‎6.先生成白色絮状Fe(OH)2，而后迅速变为灰绿色，最后变为红褐色的Fe(OH)3沉淀。‎ FeSO4+2NaOH=Fe(OH)2↓+Na2SO4；4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3‎ ‎7.Na2CO3,‎‎21.2 g 第三节 用途广泛的金属材料 一、教学设计 材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史，因此，历史学家往往根据当时有代表性的材料将人类社会划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。人们在大量地烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术来烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜，这是人类社会最早出现的金属材料。‎ 第二次世界大战后，各国致力于恢复经济、发展工农业生产，对材料提出质量小、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分地代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶黏剂等都得到相应的发展和应用。合成高分子材料的问世是材料发展中的重大突破，从此，以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。金属材料在一个国家的国民经济中占有举足轻重的位置，因为金属材料的资源比较丰富，已积累有一整套相当成熟的生产技术，有组织大规模生产的经验，产品质量稳定，价格低廉、性能优异。此外，金属材料自身还在不断发展，传统的钢铁工业在冶炼、浇铸、加工和热处理等方面不断出现新工艺。新型的金属材料如高温合金、形状记忆合金、储氢合金、永磁合金、非晶态合金相继问世，大大扩展了金属材料的应用范围。‎ 鉴于金属材料在国民经济中的重要地位和日常生活中的广泛应用，编写一节金属材料的内容，以体现教科书内容的时代性，反映教学与生产、生活实际的联系。通过这一节的教学，让学生了解金属材料的发展历史、重要作用和面临的挑战，通过激发学生的爱国热情和社会责任感来提高学生的求知欲。‎ 这是一节全新的内容，阅读性比较强。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.通过金属材料发展史及有关的知识，使学生初步认识合理使用金属材料的意义 学生过去对有关金属材料的知识了解不多，金属材料究竟包含哪些材料？它们有哪些功能？主要应用在哪些方面？学生对这些问题不太清楚，对金属材料的学习也就不可能有兴趣，也就达不到本节的教学目的。教师在教学中应该作一些介绍，或让学生互相交流，教师补充，让学生对金属材料形成一个初步概念。‎ 金属材料的基本元素是金属。因此，笼统地说，金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性，耐热、耐寒，可铸造、锻造、冲压和焊接，还有良好的导电性、导热性和铁磁性，因此是一切工业和现代科学技术中最重要的材料。‎ 金属材料可分为两大类：钢铁和非铁金属（或有色金属）。‎ 含碳量在2%～4.3%的铁的合金为铸铁，含碳量一般在0.03%～2%的铁的合金为钢。在Fe-C合金中，有目的地加入各种适量的合金元素，来提高钢铁的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。常用的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、B等，形成了形形色色的合金铸铁或合金钢。‎ 非铁合金大体可分为：轻合金（铝合金、钛合金、镁合金、铍合金等）、重有色合金（铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等）、低熔点合金（铅、锡、镉、铋、铟、镓、汞及其合金）、难熔合金（钨合金、钼合金、铌合金、钽合金等）、贵金属（金、银、铂、钯等）和稀土金属等。其中应用最广的是铝合金。据统计，协和式超音速飞机全部结构的71%是用特殊的铝合金制造的；高速火车、汽车等交通工具对铝型材的用量需求不断加大；建筑装饰用的铝材越来越多，既漂亮、又耐腐蚀；电力系统和家用电器中铝导线的用量超过铜导线；铝箔可用于包装食品和香烟；铝合金还可用作电容器等。‎ ‎2.介绍金属材料面临的挑战，激发学生的社会责任感 近一二十年来，金属材料的发展受到了巨大的压力，这种压力来自外部和内部两个方面。就外部来讲，从20世纪中期开始，高分子材料的崛起，尤其是工程塑料从性能到应用许多方面已能和传统的金属材料相抗衡，加上原料丰富、价格便宜，产量以惊人的速度增长。与此同时，先进陶瓷材料也崭露头角，特别是在现代电子工业中占有重要地位。因此，材料领域从金属材料的一统天下转变为金属、陶瓷、高分子材料三足鼎立的新格局。从内部来讲主要是能源、资源和环境三个方面。金属材料的近百年的大力发展，某些主要的金属矿产资源日渐紧张，高品位的金属矿产很快减少，低品位的矿产使能源消耗和成本增加。金属工业是能源的最重要消耗者，也是严重的环境污染者。这些问题对金属材料今后的发展提出了有力的挑战。‎ 应对措施，一是对已有的金属材料要最大限度地提高它的质量，挖掘它的潜力，使其产生最大效益。近些年来，金属材料的制造技术有非常迅速的进步，先进的冶炼技术、精炼技术、铸造技术、连铸连轧技术、成型加工技术和热处理技术在不断提高，微量杂质的技术、微量元素的合金化技术有所创新。二是开拓金属材料的新功能，以适应更高的使用要求。超高强度钢、超低碳不锈钢等新的合金钢和新的有色合金应运而生。三是加强废旧金属的回收和再利用。‎ 通过对金属材料面临的挑战和应对措施的初步介绍，可提高学生的社会责任感，有志者会明确自己努力的方向，会奋发学习，将来去承担更大的社会责任。‎ ‎3.积极开展社会调查活动，提高学生对金属材料的认识，增强其社会活动能力 通过开展社会调查活动，去了解金属材料的组成、来源、价格和用途，从不同角度增加对金属材料的认识。尤其是通过家庭房屋的装璜，将性能和成本作为选材的重要条件去考虑。‎ 社会调查活动需要认真组织，有调查目的、调查计划、调查内容、调查记录、调查总结和结果评价，以使活动收到预期的效果。‎ ‎4.开展多种形式的交流活动，培养学生的互助合作精神 教科书中安排了角色扮演活动，这种活动学生会比较感兴趣。学生根据自己所扮演的角色，去了解这种角色的心声，然后进行交流，可以提高对某一问题的认识。这种活动既可以培养学生收集、整理资料的能力，又可以培养学生发表自己见解的能力，还可以培养学生的合作精神等。‎ 二、活动建议 ‎【实践活动1】‎ ‎1.对如何写有关合金的小论文提出一些具体要求，如论文的内容、调查的手段、论文的字数等。‎ ‎2.给学生一定的完成时间。‎ ‎3.论文上交后进行展评。‎ ‎【实践活动2】‎ 针对是否应该停止使用铝制饮料罐的问题，让学生自选扮演角色，准备好表达自己看法的材料，开一次辩论会。应该注意的是，角色扮演要求学生转变角色，真正从所扮演角色的角度去考虑问题，并参加辩论。这可以使学生逐步学会站在他人的立场思考问题，对于培养学生倾听别人的意见，尊重、关心和爱护他人的情感是很有利的。‎ 三、问题交流 ‎【学与问】‎ 采用讨论的形式。‎ 初中提到的合金是在金属中加热熔合某些金属或非金属制得具有金属特征的金属材料。不同的合金具有不同的性能，与钢铁相比，主要表现在机械强度、韧性、硬度、可塑性、耐腐蚀性等方面。例如，不锈钢抗腐蚀性好，用来做医疗器械、炊具等；硬铝强度和硬度好，用来制门窗，也用于制火箭、飞机、轮船等；青铜强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀，用于制机器零件，等等。‎ ‎【思考与交流】‎ 该活动可以按教科书提示，针对“如何选用材料”进行交流。也可以让学生对自己家庭或某一单位的装璜根据教科书提示的几个方面进行调查，写出调查报告，再让学生对学校某会议室提出装璜意见。比一比谁的装璜设计最合理、最美观、最有创意。‎ 四、习题参考 ‎1.某种金属能不能成为一种应用广泛的材料，主要取决于该金属的储量、冶炼成本、市场价格等以及所具有的性能和是否易于加工等。‎ ‎2.建议教师引导学生查阅有关金属物理性质的一些数据（如电导率、热膨胀系数、熔点等）进行列表比较，并根据这些金属的化学活动性做一些分析和说明。‎ ‎3.建议教师准备一些不同用途的金属制品，让学生辨认和分析。‎ ‎4.建议让学生作一次家庭调查，并写出调查报告。‎ 教学资源 ‎1.金属的分类 人们根据金属的密度把金属分为重金属和轻金属。重金属的密度大于‎4.5 g/cm3，轻金属的密度小于‎4.5 g/cm3。‎ 冶金工业上还常常把金属分为黑色金属和有色金属。黑色金属有三种：铁、锰、铬。它们或它们的合金的表面常有灰黑色的氧化物，所以称这类金属为黑色金属。除铁、锰、铬以外的金属称为有色金属。有色金属又可以分为九大类：‎ ‎① 重金属：铜、铅、锌等；② 轻金属：铝、镁等；‎ ‎③ 轻稀有金属：锂、铍等； ④ 难熔稀有金属：钨、钛、钒等；‎ ‎⑤ 稀散金属：镓、锗等； ⑥ 稀土金属：钪、钇及镧系元素；‎ ‎⑦ 放射性金属：镭、锕等； ⑧ 贵金属：金、银、铂等;‎ ‎⑨ 碱金属：钾、钠等。‎ ‎2.几种常见和重要的金属 ‎（1）钠 钠不能以游离态存在于自然界，因为它的化学性质很活泼，因此在自然界，钠存在于许多无机物中（如氯化钠、碳酸钠、硫酸钠、硝酸钠、硼酸钠等）。在海水、矿泉水、盐湖水中有可溶性钠盐。地壳中含有2.63%化合形式的钠，其含量在元素中占第6位。23Na是惟一的天然同位素，还有6种人工放射性同位素：20Na、21Na、22Na、24Na、25Na、26Na。‎ 钠能与许多气体发生反应：① 在空气中‎120 ℃‎时着火，‎160 ℃‎以下氧气不足时反应的主要产物是Na2O，250～300 ℃与足量氧气反应生成的是Na2O2和少量的NaO2。②‎ ‎ 与H2室温下不反应，200～350 ℃时反应生成NaH。③ 与N2在任何温度下不反应。有在放电条件下反应生成氮化钠和叠氮化钠的报道。④ 与CO2在室温下反应很慢，但燃烧的钠与CO2反应迅速，在控制条件的情况下这种反应可生成甲酸钠、草酸钠。有在撞击条件下钠与CO2(s)反应发生爆炸生成碳化钠的报道。⑤ 与N2O反应生成Na2O。在氧化氮中燃烧生成硝酸钠和连二硝酸钠的混合物。‎ 钠能与H2O反应，也能与酸、盐溶液反应。钠能与熔融碱反应，如Na+KOHK+NaOH，2Na+NaOH＝Na2O+NaH。‎ 图 3-2  制钠电解槽示意图 金属钠的用途：在过去，相当一部分钠用于制造汽油抗爆震剂──四乙基铅添加了四乙基铅的汽油会污染空气，因此现在已不允许使用。，它能降低汽油的爆震性，减少在汽油发动机中使用汽油时发出的噪音。四乙基铅通常是用氯乙烷与金属钠和铅（钠铅齐）的合金起反应而制成，化学方程式为‎4C2H5Cl+4Na+Pb=(C2H5)4Pb+4NaCl。金属钠能从钛、锆、铌、钽等金属的化合物中把它们置换出来，如TiCl4+4NaTi+4NaCl。钠还用于制造过氧化钠等钠的化合物。在核工业上钠可用作传热介质。在电力工业上用于制钠灯，钠灯不降低照度水平但能减少能源消耗。‎ 金属钠的制法：工业上钠的制法很多，有碳还原碳酸钠法、NaCl加石灰用硅铁还原法、电解熔融NaOH法，目前世界上钠的工业生产多数用电解氯化钠的方法。反应通常在电解槽里进行。电解时，氯化钠需要熔融，氯化钠的熔点为‎801 ℃‎，在技术上有困难，采取的方法是用质量分数为40%的氯化钠和60%的氯化钙混合形成低共熔物（熔点为‎580 ℃‎），降低了电解时所需的温度，从而也减低了钠的蒸气压。电解时，氯气在阳极放出，金属钠和钙同时在阴极被还原出来，浮在阴极熔盐的上方，从管道溢出。把熔融的金属混合物冷却到105～110 ℃，金属钙成晶体析出，经过滤就可以把金属钠与金属钙分离。‎ ‎（2）镁 ‎1808年英国的H .戴维在电解氧化镁和氧化汞的混合物时，因得到镁汞齐而发现了镁，并以氧化镁产地希腊的Magnesia城来命名为Magnesium。镁在地壳中含量约为2.5%，以碳酸镁形态大量存在。海水中也含有约0.13%的Mg2+，它使海水具有苦味。镁在空气和水中由于在表面形成一层碱式碳酸镁保护膜，而不致进一步被侵蚀。它能与热水反应产生氢气，在加热时镁还可把CO2还原成碳。加热时镁可用于分离许多金属和非金属，如可把硅或硼从它们的氧化物中还原出来。镁能与氮、硫、卤素等许多非金属化合。镁粉很容易燃烧并发出强烈的白光，在空气中燃烧同时生成氧化镁和氮化镁。镁在生物化学上非常重要，它是构成叶绿素的特征元素，在生物体内也具有代谢功能；它也存在于人体细胞中。镁主要用于制造轻金属合金、球墨铸铁、建筑金属以及用于汽车、飞机、科学仪器上的镁合金；也可作还原剂、脱硫剂、脱氢和格氏试剂；也能用于制造烟火、闪光粉、镁盐等。目前镁的主要来源是先从海水中获得氯化镁，而后电解熔融氯化镁来制取。另外，在高温下用硅铁还原氧化镁也是常用的制取方法。‎ ‎（3）铝 铝是自然界中分布最广的金属元素。地壳中铝的含量接近8%，仅次于氧和硅。铝通常以化合状态存在，已知的含铝矿物有250多种，其中最常见的是铝硅酸盐类，如长石、云母、高岭石、铝土矿、明矾石等。‎ 铝是银白色金属，其主要特性是密度小，相对密度只有钢铁的1/3。某些铝合金的机械强度甚至超过结构钢。各种铝合金（如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等）广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，导弹、宇宙飞船、人造卫星也大量使用铝及其合金。例如，一架超音速飞机约由70%的铝及其合金构成，每枚导弹的用铝量约占总质量的10%～15%，一艘1.5万吨级的大型客船用铝量约为2 000 t。‎ 铝是一种良好的导电材料。铝的导电能力虽然只有铜的60%～70%，但密度只有铜的1/3。以传导等量电流而论，铝的导电截面积大约是铜的1.6倍，而铝的质量只有铜的一半。换言之，铝可节省用量，价格远低于铜，且铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀作用，而且有一定绝缘性，所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业有广泛的用途。‎ 铝是热的良导体。铝的热导率大约是铁的3倍，不锈钢的10倍。因此铝是制造机器活塞、热交换器、饭锅和电熨斗的理想材料。铝还具有良好的光和热的反射能力，所以铝可用来制反光镜，又可作绝缘材料。‎ 铝易于加工，可压成铝板或铝箔，或拉成铝线，挤压成各种异形的材料。在100～150 ℃时可制成薄于‎0.01 mm的铝箔，广泛用于包装香烟、糖果等，还可制成铝丝、铝条，并能轧制成各种铝制品。‎ 铝的化学性质：铝在氧气中加热时能剧烈地燃烧，发出炫目的白光，并放出大量的热。铝与氧结合的能力很强，是亲氧元素，它能从许多金属氧化物中夺取氧，而且放出的大量热可使游离出来的金属熔化。应用此原理在冶金工业上用来制取铁、锰、铬、钒等金属，如Cr2O3+2Al=Al2O3+2Cr，这种方法叫铝热法。铝可与稀酸（盐酸或硫酸）、强碱溶液反应生成盐，同时放出氢气。把铝放入冷的浓硝酸或浓硫酸中会被钝化，因此，浓硝酸或浓硫酸可用铝的容器贮存。纯度为99.95%以上的大片铝，可以抵御大多数酸类的侵蚀。铝和氯在高温下反应生成AlCl3，和硫在1 ‎000 ℃‎以上时反应生成Al2S3，和碳在‎800 ℃‎以上时反应生成Al‎4C3。‎ ‎（4）铁 铁是地壳中最丰富的元素之一，含量为4.75%，在金属中仅次于铝。铁分布很广，能稳定地与其他元素结合，常以氧化物的形式存在，有赤铁矿（主要成分是Fe2O3）、磁铁矿（主要成分是Fe3O4）、褐铁矿（主要成分是Fe2O3·3H2O）、菱铁矿（主要成分是FeCO3）、黄铁矿（主要成分是FeS2）、钛铁矿（主要成分是FeTiO3）等。土壤中也含铁1%～6%。铁是活泼的过渡元素，是一种光亮的银白色金属，常温下呈体心立体晶格。常见的化合价为+2和+3价。纯铁相对较软，有良好的延展性和导热性，能导电，能被磁化，又可去磁。‎ 纯铁化学性质比较活泼，是一种良好的还原剂。纯铁在空气中不起变化，含杂质的铁在潮湿空气里逐渐生锈，外表生成一层褐色的氢氧化铁。铁红热时能与水反应生成氢气。铁易溶于稀酸中，但在浓硫酸或浓硝酸中由于表面发生钝化而不能溶解，因此铁制容器可用来储存浓硫酸或浓硝酸。浓的碱溶液能侵蚀铁，生成高价铁酸盐。铁加热时能与卤素、硫、磷、硅等非金属反应，但与氮不直接反应。‎ 铁是生命过程所必需的元素，是红细胞（血红蛋白）的主要成分。‎ 铁的最大用途是炼钢，也大量用来制造铸铁。铁和它的化合物还用来做磁铁、染料（墨水、蓝晒图纸、胭脂颜料）和磨料（红铁粉）。还原铁粉大量用于冶金。我国在春秋时代晚期已炼出可供浇铸用的液态生铁，隋唐时开始用煤炼铁，明代已能用焦炭炼铁。铁现在常用焦炭、铁矿石和石灰石为原料炼得。‎ ‎（5）铜 铜是人类发现最早的金属之一，也是最好的纯金属之一。固体铜呈紫红色光泽，面心立方晶系。铜稍硬，极坚韧，耐磨损，还有很好的延展性，容易锻造和压延成薄片，可轧成很细的金属丝。铜具有优良的导电和导热性，仅次于银，但含有杂质时则导电性大受影响。铜和它的一些合金还有较好的耐腐蚀能力。‎ 铜在干燥的空气里很稳定，但在潮湿的空气里表面可生成一层绿色的碱式碳酸铜〔Cu2(OH)2CO3〕，称做铜绿。高温时铜可被氧化。铜能溶于硝酸和热的浓硫酸，容易被碱侵蚀。在一定温度下，铜也能与卤素、硫等非金属反应生成卤化物或硫化物。铜的主要化合价有+1和+2价，+2价铜的化合物比较普遍，也比较稳定。水溶液中+1价铜的化合物不稳定，歧化生成单质铜和+2价铜。‎ 铜的最大用途是广泛用于电器工业上，如制作电线、电缆和各种电器设备等，也用于制造各种合金，如黄铜（Cu-Zn合金）、青铜（Cu-Sn合金）等。铜及其合金在机械和仪器仪表等工业上用来制造各种零件。在国防工业上用来制造枪弹、炮弹等。在化学工业上用来制造热交换器、深度冷冻装置等。‎ ‎3.Na+、K+、Mg2+、Ca2+的生理作用 钠、钾、钙、镁对生物的生长和正常发育是需要的。Na+、K+、Mg2+、Ca2+四种离子占人体中金属离子总量的99%。对高级动物来说，钠、钾比值在细胞内液中和细胞外液中有较大不同。在人体血浆中，c(Na+)≈0.15 mol/L，c(K+)≈0.005 mol/L；在细胞内液中，c(Na+)≈0.005 mol/L，c(K+)≈0.16 mol/L。这种浓度差别决定了高级动物的各种电物理功能──神经脉冲的传送、隔膜端电压和隔膜之间离子的迁移、渗透压的调节等。由于钠在高级动物细胞外液中的浓度高于钾的浓度，因此，对动物来说钠是较重要的碱金属元素，而对植物来说钾是较重要的碱金属元素。‎ 食盐是人类日常生活中不可缺少的无机盐，如果得不到足量的食盐，就会患缺钠症。其主要症状是恶心、肌肉痉挛、神经紊乱等，严重时会导致死亡。人可以从肉、奶等食物中获取一定量的钠，从果实、谷类、蔬菜等食物中吸取适量的钾。神经细胞、心肌和其他重要器官功能都需要钾，肝脏、脾脏等内脏中钾比较富集。胚胎中的钠、钾比值与海水中十分接近，这一事实被一些科学家引为陆上动物起源于海生有机体的直接证明之一。‎ 植物对钾的需要同高级动物对钠的需要一样，钾是植物生长所必需的一种成分。植物体通过根系从土壤中选择性地吸收钾。钾同植物的光合作用和呼吸作用有关，缺少钾会引起叶片收缩、发黄或出现棕褐色斑点等症状。‎ 镁和钙对动植物的生存也起着重要作用。镁存在于叶绿素中。已经发现谷类光合作用的活性与Mg2+、Ca2+浓度有关。镁占人体重量的0.05%，人体内的镁以磷酸盐形式存在于骨骼和牙齿中，其余分布在软组织和体液中，Mg2+是细胞内液中除K+之外的重要离子。镁是体内多种酶的激活剂，对维持心肌正常生理功能有重要作用。若缺镁会导致冠状动脉病变，心肌坏死，出现抑郁、肌肉软弱无力和晕眩等症状。成年人每天镁的需要量为200～300 mg。‎ 钙对于所有细胞生物体都是必需的。肌肉、神经、黏液和骨骼中都有Ca2+结合的蛋白质。钙占人体总重量的1.5%～2.0%，一般成年人体内含钙量约为1 ‎200 g，成年人每天需要钙量为0.7～1‎.0 g。钙是构成骨骼和牙齿的主要成分，一般为羟基磷酸钙〔Ca5(PO4)3OH〕，占人体钙总量的99%。在血中钙的正常浓度为每100 mL血浆含9～11.5 mg，其中一部分以Ca2+存在，而另一部分则与血蛋白结合。钙有许多重要的生理功能，钙和镁都能调节植物和动物体内磷酸盐的输送和沉积。钙能维持神经肌肉的正常兴奋和心跳规律，血钙增高可抑制神经肌肉的兴奋，如血钙降低，则引起兴奋性增强，而产生手足抽搐（即“抽风”）。钙对体内多种酶也有激活作用，钙还参与血凝过程和抑制毒物（如铅）的吸收；它还影响细胞膜的渗透作用。人体缺钙，将影响儿童的正常生长，或出现佝偻病；对成年人来说，则患软骨病，易发生骨折并发生出血和瘫痪等疾病；高血压、脑血管病等也与缺钙有关。‎ ‎4.过氧化钠 Na2O2是离子型化合物，淡黄色粉末，商品常制成圆形小颗粒。它的熔点为‎675 ℃‎，有二水合物和八水合物。Na2O2具有强氧化性，例如,能把铁氧化成铁酸盐(FeO42-)，甚至在常温下能把几乎所有的有机物氧化成碳酸盐和乙醇，与其他易燃品放置在一起会发生燃烧。在熔融状态下，Na2O2几乎不分解，但遇到棉花、炭粉或铝粉时可发生爆炸。Na2O2易潮解，与水或稀酸作用时生成过氧化氢并放热，过氧化氢不稳定，立即分解放出氧气。Na2O2可与空气中的CO2作用放出氧气，因此常用在缺乏空气的场合，如矿井、坑道、潜水、宇宙飞船等方面，以供人们呼吸应急用。Na2O2与强氧化剂（如KMnO4）作用时显还原性，它不溶于乙醇。Na2O2在工业上常用作漂白剂、杀菌剂、消毒剂、去臭剂、氧化剂等。通常可通过在不含CO2的干燥空气流中把金属钠加热到‎300 ℃‎来制取Na2O2。‎ ‎5.碳酸钠、碳酸氢钠 Na2CO3又叫纯碱，俗称苏打。无水碳酸钠是白色粉末或细粒，加热至‎851 ℃‎时熔化而不分解。Na2CO3易溶于水，溶解时放热。由于Na2CO3是强碱弱酸盐，所以其水溶液呈碱性。碳酸钠以水合物存在时有Na2CO3·H2O、Na2CO3·7H2O、Na2CO3·10H2O，日常的食用碱主要是十水碳酸钠，俗称洗涤碱。Na2CO3存在于我国内地的盐碱湖中，低温时，湖面上会析出晶体，叫做天然碱。透明晶状的十水碳酸钠在干燥空气中易失去结晶水而变成粉末，主要转变成一水碳酸钠。碳酸钠吸湿性很强，吸湿后可结成硬块。碳酸钠的最大用途是制玻璃，也是造纸、肥皂、洗涤剂、纺织、制革、石油、染料、食品等工业的重要原料。在工业上纯碱可代替氢氧化钠来中和酸，冶金工业用它作助熔剂，水的净化中用它作软化剂，机械零件表面的去油剂，以及用来制钠的其他化合物。碳酸钠可由天然矿物（碳酸钠石Na2CO3·NaHCO3·2H2O，又称天然碱）加工而得，更多的是由氨、二氧化碳和饱和食盐水为原料制得。‎ NaHCO3俗称小苏打，也叫生碳酸钠或重碱或酸式碳酸钠。它是白色粉末，在水中的溶解度比碳酸钠略小，水溶液呈微碱性，固体碳酸氢钠受热即分解。NaHCO3‎ 是发酵粉的主要成分，也用于制灭火剂、焙粉或清凉饮料等方面的原料，在橡胶工业中作发泡剂。将碳酸钠溶液或结晶碳酸钠吸收CO2可制得碳酸氢钠，它也是氨碱法制纯碱的中间产物。‎ 一般说来，碳酸和碳酸盐的热稳定性有下列规律：‎ ‎（1）H2CO3＜MHCO3＜M2CO3（M为碱金属）‎ ‎（2）同一主族元素（如碱金属元素）的碳酸盐：Li2CO3＜Na2CO3＜K2CO3＜Rb2CO3‎ ‎（3）碱金属碳酸盐＞碱土金属碳酸盐＞过渡金属碳酸盐 ‎6.氧化铝、氢氧化铝 ‎（1）Al2O3俗名矾土，是一种难熔又不溶于水的白色粉末。它的熔点为2 ‎015 ℃‎，沸点为2 ‎980 ℃‎。Al2O3具有不同晶型，主要有α和γ两种变体。自然界存在的α型氧化铝称为刚玉，硬度仅次于金刚石，混有少量杂质可使刚玉带有各种色泽，称为宝石，如红宝石（含有少量的Cr3+）和蓝宝石（含Ti3+和Fe2+、Fe3+），目前可用熔融氧化铝人工结晶方法制造宝石。人造宝石在性质上不次于天然宝石，广泛用于工业技术方面。例如，用做机器快速转动部分的轴承、钟表上的钻石，以及磨料、耐火材料等。活性氧化铝即γ型氧化铝，是一种多孔物质，每克内表面积可达数百平方米，有极高的活性，可吸附水蒸气和许多气体、溶液分子，常用作吸附剂、催化剂和干燥剂。‎ Al2O3是典型的两性氧化物，可溶于酸也可溶于碱。氧化铝是电解法制金属铝的主要原料，所用的氧化铝越纯，炼出的铝就越纯。由于提纯铝比提纯氧化铝更困难，所以电解前氧化铝的提纯非常重要。天然铝土矿是制取氧化铝的主要原料，一般含量可达40%～60%，杂质主要有二氧化硅、氧化铁及稀散元素等。利用它们化学性质上的共性和个性可将氧化铝与其他杂质分开。‎ ‎（2）氢氧化铝又称为氧化铝的水合物，有三水合氧化铝Al2O3·3H2O〔即Al(OH)3〕和一水合氧化铝Al2O3·H2O〔即AlO(OH)〕。但在这些化合物的晶格中并不存在水分子，只是在加热时分解成水和氧化铝，这一点与水合物的性质相同。氢氧化铝是典型的两性氢氧化物，它既能溶于强酸生成铝盐溶液，又能溶于强碱生成偏铝酸盐溶液。氢氧化铝可用来制备铝盐，作吸附剂、媒染剂和离子交换剂，也用于作瓷釉、耐火材料、防火布等的原料。氢氧化铝凝胶有中和胃酸和保护溃疡面的作用，可用于治疗胃和十二指肠溃疡、胃酸过多等。‎ ‎7.铁的合金 ‎（1）生铁 一般地说，含碳量在2%～4.3%的铁的合金叫做生铁。生铁里除含碳外，还含有硅、锰以及少量的硫、磷等，它可铸不可锻。根据生铁里碳的存在形态不同，又可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁。‎ 炼钢生铁  碳在这种铁的合金里主要是以碳化铁的形态存在。这种生铁质硬而脆，难于加工，一般都用来炼钢，所以叫它炼钢生铁。由于它的断口呈白色，又叫白口铁。‎ 铸造生铁  碳在这种铁的合金里是以片状的石墨形态存在。由于石墨质软并有润滑作用，因而这种生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能等。但是，由于有片状石墨的存在，降低了它的抗拉强度，使它不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造机床床座、铁管等。因此，把这种生铁称为铸造生铁。由于它的断口呈灰色，通常又叫灰口铁。‎ 球墨铸铁  把铸造生铁加热熔化，并用镁合金或稀土合金等处理，就能使铁碳合金里的石墨从片状变为球状。这种球状石墨的形成使铸铁的机械性能大大提高。球墨生铁比普通生铁好，它的某些性能接近于钢，而价格却比钢便宜得多。因此，它可以代替一部分钢材用于制造曲轴、齿轮和阀门等。‎ 按用途不同分，生铁除炼钢生铁、铸造生铁外还有特种生铁。特种生铁为含有特种金属元素的生铁。在高炉冶炼过程中，铁矿中的某些金属元素如铬、镍 、钴、钡、钛、铌等大部分还原进入铁水。‎ ‎（2）钢 含碳量一般在0.03%～2%的铁的合金叫做钢。钢坚硬，有韧性、弹性，可以锻打、压延，也可以铸造。钢的分类很多，如按化学成分分类，钢可以分为碳素钢和合金钢。‎ 碳素钢  碳素钢又叫普通钢。它所含的碳、硅、锰比生铁少得多，硫和磷的含量也比生铁低得多。根据含碳量的不同，碳素钢的性质也各不相同，含碳量越高硬度越大，含碳量越低韧性越强。工业上一般把含碳量低于0.3%的叫做低碳钢；含碳量在0.3%～0.6%之间的叫做中碳钢；含碳量在0.6%以上的叫做高碳钢。低碳钢和中碳钢用来制造机器零件、管子等，高碳钢用来制造刀具、量具和冲压模具等。‎ 合金钢  合金钢也叫特种钢。在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种不同的特殊性能，如强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀，以及其他许多优良性能。下面是一些特种钢的性能和用途：‎ 种 类 性 能 用 途 钨钢、锰钢 硬度很大 制造金属加工工具、拖拉机履带和车轴等 锰硅钢 韧性特别强 制造弹簧片、弹簧圈等 钼钢 抗高温 制造飞机的曲轴、特别硬的工具等 钨铬钢 硬度大，韧性很强 做机床刀具和模具等 镍铬钢（不锈钢）‎ 抗腐蚀性能强，不易氧化 制造化工生产上的耐酸塔、医疗器械和日常用品等 ‎8.铝合金 铝合金广泛应用于运输、建筑、轻工、化工、仪表、机械等部门，以及包装和家用器具等方面。如今，铝合金已成为第二大金属，其产量仅次于钢铁而超过其他有色金属的总和。铝中添加合金元素的首要目的是提高在不同环境条件下的机械强度，并保持能满足使用要求的塑性、韧性与抗腐蚀性。‎ 铝合金按生产工艺可分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。‎ 铸造铝合金又可分为Al-Si系铸造铝合金、Al-Cu系铸造铝合金、Al-Mg系铸造铝合金、Al-Zn系铸造铝合金。它们的主要性质和用途列表如下：‎ 种 类 主要性能 主要用途 Al-Si系铸造铝合金 高流动性、低收缩率和低热裂倾向，良好抗腐蚀性及可焊性，低膨胀系数 适合铸造形状复杂的构件 Al-Cu系铸造铝合金 热处理效果突出，热稳定性好 适合铸造高温工作的构件 Al-Mg系铸造铝合金 较高的抗腐蚀性和强度，良好的切削性能和低的表面粗糙度 用于铸造在海水中工作的构件 Al-Zn系铸造铝合金 抗腐蚀性及尺寸稳定性较高，良好的可焊性，有明显的时效硬化能力 适于砂型铸造压气机活塞、气缸座等 变形铝合金  可分为防锈铝、硬铝、锻铝和超硬铝四类。防锈铝包括Al-Mn及Al-Mg系合金，抗腐蚀性好，机械强度高于工业纯铝，同时具有良好的焊接性能，但不能热处理强化。硬铝属Al-Cu-Mg合金系，具有很强的时效硬化能力，可热处理强化。铜是硬铝中的主要合金元素，为了提高强度，铜含量控制在4.0%～4.8%的范围内。锻铝合金有Al-Mg-Si和Al-Mg-Si-Cu系普通锻用铝合金及Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金三种。该类合金的主要特点是有良好的热塑性，适用于生产锻件。超硬铝属Al-Zn-Mg-Cu系，是铝合金中强度最高的一类。通过控制镁、锌总量，添加适量的铜、铬及锰，可改善合金的抗应力和抗腐蚀能力。‎ ‎9.铜合金 铜合金具有优异的导电、导热性能，良好的耐腐蚀性能，易于加工成型，又有足够的强度、弹性和耐磨性，广泛用于建筑、电气、造船和化工等许多重要的工业领域。‎ 铜合金的种类很多。根据传统的分类方法，铜合金可分为紫铜、黄铜(Cu-Zn)、白铜(Cu-Ni)和青铜(Cu与Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr、Ti等元素组成的合金的统称)四类。根据铜合金使用时的状态或成型方法，又可将其分为铸造铜合金和变形铜合金。‎ 铸造铜合金与变形铜合金的区别主要是：① 铸造合金通常无论是热加工或者冷加工，都较难以塑性变形。② 虽然某些合金化元素，如铅、锡、铁和铝，既可以添加到变形合金，也可以添加到铸造合金，但是一般在铸造合金中的添加量多于变形合金中的添加量。添加到铸造合金的元素目的是改善金属液的流动性、铸造组织或强度。某些元素添加到变形合金中，可能会导致加工性能变差。③ 铸造合金中的杂质含量要高一些。④ 铸造合金的电导率要低于变形合金。‎ ‎10.新型金属材料 ‎（1）金属纤维 ‎ 除了由大单晶组成的钨纤维，所有其他的金属纤维均是多晶无机纤维。它们是通过物理形变制得，而很少使用化学制备法。品种有钢丝、铝丝、钨丝、铍丝等。‎ 金属纤维具有许多重要的特性，如导电和导热性，高抗拉强度、高弹性模量及高熔点等。由于金属纤维的密度很高，所以它们只能增强那些对减轻重量无特别要求的材料，特别是混凝土和橡胶。1959年首次将钢纤维用作轮胎帘子线，目前90%以上的汽车轮胎使用钢纤维。将0.5%～6%的不锈钢丝混在织物中可起到消除静电的作用。直径为12 μm的钨丝用于制备B或SiC纤维以及白炽灯的灯丝。在纺织行业中，用铝丝制做带金属光泽的装饰线。‎ ‎（2）超导材料 ‎ 超导现象最早是由荷兰科学家H .K.Annes于1911年发现的。他在测量水银的低温电阻时发现电阻随温度降低而下降，然后突然降为零，并将这种电阻为零时的温度（4.2 K）称为临界温度，用Tc表示。后来把这种电阻为零的现象称为“超导”。在随后的研究中，人们逐渐认识到除了临界温度Tc外，还有临界磁场强度Hc和临界电流Ic这两个临界参数。‎ 从1911年到1986年，超导体的Tc提高很小。其中，1973年发现了Nb3Ge合金超导材料，Tc为23.2 K，并保持Tc最高值达10年以上，当时认为超过该值是极为困难的。1986年瑞士的Bednoz和Muller发现了Tc为30 K的La-Ba-Cu-O系氧化物超导体，从此开创了超导材料研究的崭新局面。1987年美国宣布发现Tc为98 K的超导材料，紧接着中国科学院物理研究所发现了Y-Ba-Cu-O系超导体，转变温度在100 K以上，Tc为78.5 K，超导临界温度第一次突破了液氮温度（77 K）。1988年初美国和日本相继报道不含稀土的Bi-Ca-Cu-O和Tl-Ba-Ca-Cu-O两系列超导体，其Tc分别为110 K和125 K。现已知道元素周期表上有26种金属元素具有超导性，它们的Tc均在10 K以下，难以有实用价值。于是科学家把注意力转向开发合金或金属化合物的研究之中，迫切希望找到高温超导体。‎ 超导特性通常只用Tc进行比较，但实际上除了Tc以外，还有两个重要的评价超导指标，即还必须有相当高的超导破坏磁场（临界磁场Hc）和临界电流密度Ic。也就是说，只有同时满足以上三个条件才有实用的可能，但不是所有的应用都要求高的临界磁场性能。‎ 超导的主要应用有：‎ 核磁共振成像  核磁共振成像一般是从氢原子核的核自旋变化信号中获得的。人体中75%是水，因此可以利用这项技术进行人体医学诊断。氢原子核需要的磁声较小，相应的电磁辐射是在兆赫范围内，很容易进入人体。与X射线层析照相比，核磁共振成像所用的电磁辐射和磁声对人体无害。‎ 核磁共振谱仪  采用常规磁体或永久磁体的核磁共振谱仪的共振频率只能达到100 MHz。目前美国利用高均匀度、高稳定性的高声超导磁体，已试制成功600 MHz的核磁共振仪，并准备试制900 MHz的核磁共振仪，用于有机分子波谱分析。‎ 超导储能  超导储能是一种利用超导磁体的电感储能技术。与常规储能方法相比，由于它不需要能量形式的转换，因而具有储能密度大和储能效率高于90%，以及只要几十毫秒就可以作出从充电向放电转变的反应等优点。‎ 超导电缆  随着电力需求的不断增长，发电站的容量逐渐增大，大功率、长距离、低损耗的输电技术成为研究热点。由于具有零电阻特性，超导体可以输送极大的电流和功率而没有功率损耗。超导技术的关键是制作超导电缆。‎ 磁悬浮列车  因磁悬浮可使列车悬浮起来，脱离地面的接触支撑，因而列车速度可提高到‎500 km/h，相当于地面飞机。超导线圈可产生磁悬浮列车所需的强大磁场。日本的山梨新实验干线全长‎42.8 km，于1997年通车，磁悬浮列车的最高速度为‎550 km/h。所用的超导线圈为Cu-Nb-Ti合金超导线，每个线圈重‎60 kg，总计使用超导线2 t。‎ 据2001年2月报道，我国高温超导磁悬浮实验车在西南交大研制成功，全车总共344块超导材料，全部是国内研制。中国科学院物理研究所在2002年2月又合成了高质量二硼化镁新超导体，它具有易加工、电导率高、使用方便等特点，有优良的可应用性，如在临界电流可提供强电输运、强磁场以及高品质的微波元件，可制备更好的超导量子干涉器件。‎ ‎（3）磁性材料 淬火马氏体碳钢是最早生产和使用的永磁材料，其最大磁能积仅为1～2 kJ/m3。20世纪30～60年代是永磁材料发展的第一个时期，如Fe-Ni-Al系、Fe-Cr-Co系、Cu-Ni-Fe系、Cu-Ni-Co系、Fe-Co-V系和Mn-Al-C系等永磁材料，它们的磁能积为40～88 kJ/m3。此外还有钡铁氧体和锶铁氧体永磁材料，其磁能积可达到25 kJ/m3。由于铁氧体永磁材料的化学稳定性好而且生产工艺简单，成本较低，磁性也不错，至今仍是工业产量最大的永磁材料。永磁材料发展的第二个时期始于1966年，K.Strnat发现YCo5具有极高的磁晶各向异性常数，导致第一代稀土永磁体SmCo5的诞生。以后相继研究成功Sm2Co17第二代和Nd2Fe14B第三代稀土永磁材料。‎ 稀土永磁材料的最大特点是使得器件体积大幅度减小，结构紧凑，有助于电器设备小型化。主要应用：① 机电类：电动机、发电机、磁选机、电磁式仪表、传感器、电磁开关等；② 家用电器及设备类：照相机、收录机、激光唱机、录像机、空调、冰箱等；③ 医疗器械类：心电图仪、核磁共振成像仪、X射线成像仪、磁疗仪、磁按摩器以及外科手术器械等；④ 办公用品类：计算机、打印机、复印机等；⑤ 其他：用于卫星导航的微波器件、用于航天飞机和陀螺仪的磁轴承、磁悬浮列车等。‎ ‎11.新型合金 ‎（1）轻质合金 铝锂合金具有高比强度（断裂强度/密度）、高比刚度且相对密度小的特点，如用作现代飞机蒙皮材料，一架大型客机可减轻重量‎50 kg。以波音747为例，每减轻‎1 kg，一年可获利2 000美元。钛合金比钢轻、耐腐蚀、无磁性、强度高，是用于航空和舰艇的理想材料。‎ ‎（2）储氢合金 由于石油和煤炭的储量有限，而且在使用过程中会带来环境污染等问题，尤其是20世纪70年代全球石油危机，使氢能作为新的清洁燃料成为研究热点。在氢能利用过程中，氢的储运是重要环节。1969年荷兰飞利浦公司研制出LaNi5储氢合金，具有大量的可逆地吸收、释放氢气的性质，其合金氢化物LaNi5H6中氢的密度与液态氢相当，约为氢气密度的1 000倍。‎ 储氢合金是由两种特定金属构成的合金，其中一种可以大量吸氢，形成稳定的氢化物，而另一种金属虽然与氢的亲和力小，但氢很容易在其中移动。Mg、Ca、Ti、Zr、Y和La等属于第一种金属，Fe、Co、Ni、Cr、Cu和Zn等属于第二种金属。前者控制储氢量，后者控制释放氢的可逆性。通过两者合理配制，调节合金的吸放氢性能，制得在室温下能够可逆吸放氢的较理想的储氢材料。‎ ‎（3）超耐热合金 镍钴合金能耐1 ‎200 ℃‎的高温，可用于喷气飞机和燃气轮机的构件。镍钴铁非磁性耐热合金在1 ‎200 ℃‎时仍具有高强度、韧性好的特点，可用于航天飞机的部件和原子反应堆的控制棒等。寻找符合耐高温、可长时间运行（10 000 h以上）、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料，仍是今后研究的方向。‎ ‎（4）形状记忆合金 它们具有高弹性、金属橡胶性能、高强度等特点，在较低温度下受力发生塑性变形后，经过加热，又恢复到受热前的形状。如Ni-Ti、Ag-Cd、Cu-Cd、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Zn等合金，可用于调节装置的弹性元件（如离合器、节流阀、控温元素等）、热引擎材料、医疗材料（牙齿矫正材料）等。‎ 形状记忆效应来源于一种热弹性马氏体相变。一般的马氏体相变作为钢的淬火强化的方法，就是把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，例如直接插入冷水中（称为淬火），这时钢转变为一种马氏体的结构，并使钢硬化。后来，在某些合金中发现了不同于上述的另一种所谓热弹性马氏体相变，热弹性马氏体一旦产生便可以随着温度降低继续长大。相反，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小。热弹性马氏体相变时随之伴有形状的变化，其晶体结构的变化如图3-3所示（图中Ms表示冷却时开始产生热弹性马氏体的转变温度，Mf表示冷却时转变的终止温度，As表示升温时逆转的温度，Af表示逆转完全的温度）。‎ 图 3-3  形状记忆合金晶体结构随温度的变化 新型金属功能材料除上述几类以外，还有能降低噪音的减振合金；具有替代、增强和修复人体器官和组织的生物医学材料；具有在材料或结构中植入传感器、信号处理器、通信与控制器及执行器，使材料或结构具有自诊断、自适应，甚至损伤自愈合等智能功能与生命特征的智能材料等。‎ ‎12.学生小论文选例 ‎（1）黄铜 黄铜是铜与锌的合金。改变黄铜中锌的含量可以得到不同性能的黄铜。黄铜中锌的含量越高，其强度也越高，塑性降低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%，含锌量再高将会产生脆性，使合金性能变差。‎ 为了改善黄铜的某种性能，常加入其他合金元素，如硅、铝、锡、铅、锰、铁和镍等。在黄铜中加铝能提高黄铜的强度和抗腐蚀性，含铝小于4%的黄铜具有良好的加工、铸造等综合性能。在黄铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力，因此被称为“海军黄铜”，锡还能改善黄铜的切削加工性能。黄铜加铅的主要目的是改善切削加工性能和提高耐磨性，铅对黄铜的强度影响不大。锰黄铜具有良好的机械性能、热稳定性和抗腐蚀性，在锰黄铜中加铝，还可以得到表面光洁的铸件。‎ ‎（2）铝及铝合金 铝是一种轻金属，密度小，具有良好的塑性。铝合金具有较好的强度，超硬铝合金的抗拉强度可达600 MPa，普通硬铝合金的抗拉强度也达200～450 MPa，它的比刚度远高于钢，因此在机械制造中得到广泛的运用。铝的导电性仅次于银和铜，居第三位，适于制造各种导线。铝具有良好的导热性，可用作各种散热材料。‎ 铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又可分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型铝合金不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。‎ ‎13.实践活动──角色扮演：是否应该停止使用铝质饮料罐参考资料 目前，铝质饮料罐在世界上非常流行。在日本，铝质饮料罐的年产量高达三十几万吨，占铝总产量的8%，而将废铝罐再生成铝罐的年生产能力只有约2万吨，只占回收量的1/4～1/3。然而，在铝的生产过程中，能源消耗主要是在脱氧阶段，而金属铝的再生只需适当加热熔化，其能源消耗只占原铝（从氧化物提炼的纯铝）生产过程能源消耗的1/20。此外，金属铝的再生可以减少对不可再生资源铝矾土的开发（回收一吨废铝可节省五吨铝矾土）。因此，通过加大废铝罐的收集、分类力度，经过一些加工实现铝的再利用，将产生巨大的社会效益和经济效益。‎ 聚酯（简称PET）瓶是另一类在当今市场上深受消费者欢迎的包装容器。聚酯瓶具有透明和便于使用等优点，但存在避光保护性差等缺点，同时在耐氧性和阻隔性上也比铝质饮料罐差。‎ 第四章 非金属及其化合物 本章说明 一、教学目标 ‎1.了解氯、氮、硫、硅等非金属单质的化学性质，认识不同的非金属单质性质有较大的差异。‎ ‎2.了解氯、氮、硫、硅的重要化合物的主要性质，认识某些非金属化合物既有相似的性质，又有各自的特性。‎ ‎3.认识氯、氮、硫、硅及其化合物的广泛用途，体会化学的创造性与实用性。‎ ‎4.通过实验进一步训练学生的操作技能，体会实验对认识和研究物质性质的重要作用，培养学生求实、创新的良好品质。‎ ‎5.以非金属知识的学习为线索，通过多种活动，帮助学生进一步掌握学习物质及其化学性质的一般方法，提高自主学习能力。‎ ‎6.了解氮循环对生态平衡的重要作用。了解某些污染物的来源、性质和危害，体会化学对环境保护的重要意义，培养学生关注社会的意识和责任感。‎ 二、内容分析 ‎1.地位和功能 本章主要讨论硅、氯、硫和氮等典型元素及其重要化合物的性质，安排在第三章“金属及其化合物”之后，是常见无机物及其性质等知识的继续。这些内容既是学生今后继续学习化学的基础，也是在生活中经常要接触、需要了解和应用的化学常识。‎ 本章具有巩固离子反应、氧化还原反应等基本知识的作用。在第三章的基础上，进一步介绍元素化合物知识和研究方法，为元素族概念的形成、元素性质的递变规律、元素周期表的形成积累感性材料，是学生认识元素周期律、元素周期表知识的重要基础。‎ 本章在选材上着眼于这几种元素的单质及其重要化合物的主要性质，在知识安排上尽量使知识和用途相结合，理论和实际相结合，物质的重要性能与可能的负面作用相结合，从而使学生认识到常见无机物在生活和生产中的应用，以及与人类和环境的关系。例如，二氧化硅与硅酸盐产品的应用及其发展，氯气的性质与应用及其可能存在的问题，硫酸、硝酸和氨的性质及广泛用途，酸雨的形成等。这些内容不仅增强了学生的学习兴趣，而且培养了学生的科学态度和科学精神。另外，科学史话──“氯气的发现和确认”渗透了严谨、求实的科学思维品质的培养，科学视野──“新型陶瓷”“信使分子──NO”“火箭为什么能飞上天”等让学生体会知识的价值。这样，更全面地体现化学课程的科学教育功能。‎ ‎2.内容结构 非金属及其化合物知识受课时所限，不可能像过去那样分章详细介绍，只能相对集中，因此在设计教科书结构时，对教学内容进行了精选和整合。为了使学生对非金属及其化合物有一个整体的了解，本章对代表性元素各有侧重地选择有重要价值的单质及其化合物让学生学习、研究。在编排顺序上，将存在和用途十分广泛的元素硅及其化合物、典型的非金属元素氯及其化合物分节编写，将与当代环境关系十分密切的硫和氮的氧化物、用途广泛的两种酸──硫酸和硝酸以及氨分别合节编写，有分有合，突出重点，加强联系和对比。‎ ‎3.内容特点 增强学习的探究性、亲历性和体验性元素化合物的性质来自观察、实验和经验，本章通过多处“实验”“思考与交流”“学与问”“实践活动”“科学探究”以及习题等的设计，大大增加学生活动，学生的学习自主性得到了更多的体现。例如，第三节中“用水吸收二氧化氮”的科学探究，让学生通过实验现象的观察与分析，感受过程的变化，寻找变化的原因，感悟对工业上生产硝酸的启迪，从中体验探究的乐趣，学会探究的方法。‎ 注重化学知识与科学精神、人文精神的渗透与融合本章所涉及的单质和化合物与社会、生活、健康、环境的关系十分密切，教科书在这方面有比较充分的体现。但与以往教科书明显不同的是，不过分强调知识的逻辑顺序，在注意知识内在逻辑的同时，突出了知识与社会、生活、健康、环境的联系，并将科学精神和人文精神融合其中。化学科学技术与人类的关系从来没有像现在这样密切和严峻：化学对人类文明作出了巨大贡献，而人们对化学的误解与疏离却越来越严重。作为基础科学教育课程的化学必须面对这一现实，用科学的态度来看待化学的功与过。本章在介绍几种典型的非金属元素的单质及其重要化合物的主要性质与应用时，不回避某些物质可能对环境、健康等带来的负面影响，并指出化学在解决这些问题时可能的方向和作用，这有助于培养学生的科学态度和价值观。‎ 性质与用途紧密联系，深化对元素化合物知识的理解和应用这是本章教材的另一个特点，是深入理解、灵活运用物质性质的好方法、好途径，同时也是体现学习元素化合物知识价值的重要方面。这样不仅使教科书更具有吸引力和时代感，而且有利于增进学生学习化学的兴趣和情感。‎ 三、课时建议 第一节  无机非金属材料的主角──硅                              2 课时 第二节  富集在海水中的元素──氯                                2 课时 第三节  硫和氮的氧化物                                          2 课时 第四节  硫酸、硝酸和氨                                          3 课时 复习                                                            1 课时 第一节 无机非金属材料的主角──硅 一、教学设计 为什么要选取硅作为非金属的开篇呢？‎ 从硅及其化合物在国民经济中的地位来看，从学科发展的角度来看，硅及其化合物在材料科学和信息技术等领域有广泛的用途，在半导体、计算机、建筑、通信及宇宙航行、卫星等方面大显身手，而且它们的应用前景十分广阔；硅酸盐工业在经济建设和日常生活中有着非常重要的地位。无机非金属材料中硅元素唱主角，而含硅元素的材料制品大都是以二氧化硅为原料。所以，首先介绍硅及其化合物，突出了它在社会发展历程中、在科学现代化中的重要性和应用价值。‎ 从物质存在和组成多样性的角度来看，硅是无机非金属的主角，是地壳的基本骨干元素。自然界中的岩石、土壤、沙子主要以二氧化硅或硅酸盐的形式存在，地壳的95%是硅酸盐矿。所以，介绍硅及其化合物，体现了硅元素存在的普遍性和广泛性。‎ 从认知规律来看，硅元素的主要化合价只有+4价，硅单质比较稳定，硅的化合物知识也比较简单。因此，学生的学习负担比较轻，有利于学习积极性的保护和培养。‎ 本节内容编排有以下特点：‎ 从硅及其化合物的知识体系来看，它由二氧化硅和硅酸、硅酸盐以及硅单质等三部分内容组成。在内容编排上打破常规，首先从硅的亲氧性引出硅主要存在的两种形式──二氧化硅和硅酸盐，接着介绍二氧化硅的性质，再介绍硅酸、硅酸盐的一些性质，最后介绍硅单质。先学习比较熟悉的硅的化合物，再学习单质硅的顺序符合认知规律，有利于学生接受。‎ 从知识内容的安排上来看，重点、非重点把握准确。主干内容保持一定量，并重彩描绘。例如，二氧化硅的知识突出酸性氧化物的性质，在“科学视野”中介绍硅氧四面体结构，了解二氧化硅的一些物理性质，然后以图配文的方式介绍了二氧化硅的用途，最后让学生通过日常生活中的一些事实，以“思考与交流”的方式得出二氧化硅的化学性质。在学习二氧化硅的化学性质时，既介绍了酸性氧化物的共性，又介绍了SiO2的特性，扩展了学生对非金属酸性氧化物的认识。硅酸盐重点介绍硅酸钠溶液的性质和用途。对非重点知识和拓展性内容，采用多种形式来呈现。例如，简要介绍了硅酸的制取原理和硅胶的用途，应用广泛的硅酸盐产品以图片的形式呈现，一些新型陶瓷以“科学视野”的方式介绍，硅酸盐的组成以“资料卡片”的形式介绍，等等。‎ 总之，硅及其化合物知识的介绍，既体现了元素存在的广泛性又体现了应用的前瞻性，既有亲近感又可以使学生开阔眼界，同时也能使学生增强对学习化学的重要性的认识。‎ 本节教学重点：二氧化硅的性质。‎ 本节教学难点：硅酸盐的丰富性和多样性。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.采用对比的方法，联系碳、二氧化碳等学生已有的知识和生活经验来介绍硅、二氧化硅等新知识。联系和对比是一种有效的学习方法，通过对比可加深对知识的理解，有利于学生对知识的记忆和掌握。因此，应指导学生学会运用对比的方法来认识物质的共性和个性、区别和联系。碳和硅是同一主族相邻的两种元素，它们的性质既有相似之处，又有不同之处。在教学时要突出硅的亲氧性强于碳的亲氧性，从而引导学生理解硅的两种存在形式──二氧化硅和硅酸盐。对于SiO2化学性质的教学，可启发学生根据SiO2和CO2都是酸性氧化物这一特点，把它们的性质一一列出。然后引导学生从硅的亲氧性大，得出常温下SiO2的化学性质稳定；在加热的条件下，SiO2才能与碱性氧化物起反应，等等。‎ 在介绍硅酸时，可以补充这样一个实验：将CO2通入Na2SiO3溶液中，引导学生观察白色胶状沉淀的生成，从而加深对H2SiO3的酸性弱于碳酸的认识。‎ 对于硅单质，主要让学生了解硅是重要的半导体材料，在电子工业上有广泛的用途。‎ SiO2的结构知识属于拓展性内容，在教学中不作要求。‎ ‎2.要多运用日常生活中的事例进行教学。非金属元素首先介绍硅元素，硅的化合物普遍存在是原因之一。因此，教学时要多注意联系生产和生活实际，充分利用实物、模型及教科书中的彩图和插图，通过放映教学录像，学生自己搜集有关的实物或照片，在课堂上展示交流等方法，增强教学的直观性，激发学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感。例如，可用生活事例来说明SiO2质硬、不溶于水的性质，引导学生通过观察教科书中的图片、观察陶瓷和玻璃制品等实物来了解硅酸盐的广泛用途等。‎ ‎3.通过自学讨论的方法进行硅酸盐的教学。学生的学习是一个自主构建的过程。他们带着自己原有的知识背景、活动经验和理解走进学习活动，并通过自己的主动活动，包括独立思考、与他人交流和反思等，去构建对化学知识的理解。例如，讲硅酸盐时可指出，最常见的可溶性硅酸盐是Na2SiO3，它的水溶液称为水玻璃。然后展示样品，观察水玻璃的黏稠性。同时拿出一块反复充分浸过水玻璃并已干燥的布条，把它放在火焰上，结果布条不能燃烧，从而认识用水玻璃浸泡织物可以防火。最后，对于硅酸盐的丰富性和多样性，建议学生以阅读、交流的方式来完成。‎ 二、活动建议 ‎【实验4-1】‎ 控制溶液混合物的酸碱性是制取硅酸凝胶的关键。盐酸的浓度以6 mol/L为宜。‎ 在饱和Na2SiO3溶液中，滴加酚酞溶液呈红色。逐滴加入稀盐酸，待溶液红色变浅并接近消失时，有透明的硅酸凝胶产生。‎ ‎【实验4-2】‎ 若无硅酸钠溶液，可用市售的水玻璃代替。一定要使小木条或滤纸条反复浸透。‎ 水浸过的滤纸或小木条，当水分蒸发后就燃烧。硅酸钠溶液浸过的滤纸或小木条，当水分蒸发后不易燃烧(滤纸只起泡)。‎ 三、问题交流 ‎【思考与交流】‎ 物理性质：熔点高、硬度大。‎ 化学稳定性：化学稳定性好，除氢氟酸外一般不与其他酸反应，可以与强碱如NaOH等反应，属于酸性氧化物。‎ SiO2的这些性质主要和它的结构有关。SiO2是正四面体的空间网状结构，因此性质很稳定。‎ 四、习题参考 ‎1.（1）⑧⑩  （2）⑤⑥⑦⑨  （3）①②③④‎ ‎2.‎ 材料 物理性质 化学性质 玻璃 硬度高、耐磨损，耐高温,较脆 化学性质很稳定 陶瓷 硬度高、耐磨损，耐高温定 化学性质很稳 ‎3.晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，主要应用于信息技术和光电池等方面。‎ ‎4.（1）还原剂（2）化合反应（氧化还原反应）；置换反应；还原剂。‎ ‎5.不要求课后马上完成，建议学生在一定的时间内，由个人或小组合作完成。最好物色学有余力的同学多花功夫写出质量较高的小论文。‎ 第二节 富集在海水中的元素──氯 一、教学设计 氯及其化合物知识作为本章第二节教学内容，其设计意图是：一、氯是一种比较典型的、重要的非金属元素。教科书选择氯气的性质、用途以及Cl-‎ 的检验等内容进行比较全面的学习和研究，不但可以让学生了解典型非金属单质及其化合物的性质，而且对学生全面认识化学元素，尤其是了解其他非金属元素及其化合物的性质，形成正确的观点、掌握正确的学习方法等具有重要的作用。二、氯是海水中富集的一种元素，资源丰富。而且食盐、漂白粉等含氯的化合物大家都非常熟悉，认识上有一种亲近感，容易产生求知的欲望。‎ 本节内容主要包括三部分：一是活泼的黄绿色气体──氯气，二是氯离子（Cl-）的检验，三是卤素简介。‎ 本节内容编排有以下特点：‎ ‎1.突出重点  从物质种类上来看，重点学习氯元素的单质──氯气；从氯气的知识结构来看，重点学习氯气的强氧化性；从氯气的氧化性来看，重点学习氢气在氯气中的燃烧、氯气与水的反应。本节的另一个重点内容是氯离子的检验。教科书对重点知识不仅作了比较详细的介绍，而且安排了“实验”“思考与交流”“学与问”等活动，以调动学生各种感官，使学生建立起知识结构并不断加深。而教科书对氯气的实验室制取、氯的化合物、卤族元素等通过“科学史话”“科学视野”作了简单的介绍。本节突出典型元素氯的介绍，又有所体现卤素的性质，较好地体现了以点为主、点面结合的编制思想。‎ ‎2.讲究实用性  重点知识选择的依据之一是实用性。氢气在氯气中的燃烧是工业上制盐酸的重要方法，氯气与水反应是氯气用于自来水消毒的原理所在，离子检验是化学实验的重要内容，也是一项重要的基本技能。因此，这些重点知识的学习对学生知识与能力的发展有非常重要的作用。而氯气的实验室制法，实用意义不大，若介绍就要安排实验，会对环境造成污染，因此，仅在“科学史话”中作了介绍。‎ ‎3.体现思想性  教学内容体现了对立统一规律和辩证唯物主义观点。例如，氯气是有毒气体，但它可用于自来水消毒，而且是重要的化工原料。通过学习可以使学生认识到要学好知识，正确运用，才能让自然资源更好地为人类服务。此外，学生还可以从科学史话──“氯气的发现和确认”中学习科学家的科学态度和研究方法。‎ 本节教学重点：氯气的化学性质。‎ 本节教学难点：氯气与水反应、氯气与NaOH溶液反应。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.引导学生充分利用已有的知识学习新知识。在第二章中学生对分类方法已有所了解，本节应从离子反应、氧化还原反应等不同角度来理解和认识所涉及的化学反应，并以新知识为载体，巩固氧化还原反应的有关概念。初中化学中，学生已学过盐酸、NaCl与AgNO3溶液的反应。在介绍Cl-的检验时，可以先复习这两个反应，再进行实验。‎ ‎2.准确把握教学要求，突出重点。教师要充分利用教科书中的资源做好实验、引导思考、广泛交流、适当拓展，突出教学重点。还可以利用课外教学资源，如漂白粉的漂白原理、漂白粉的含氯量计算等，进一步强化重点知识。由于原子结构和元素周期律、元素周期表等知识在必修2中学习，因此，对于氯元素在周期表中的位置、原子结构、卤族元素原子结构的比较等内容不必展开。氯气的实验室制法的介绍也不必加深。‎ ‎3.运用化学史实，积极创设探究情景。教科书先以氯气的发现和确认这一科学史话作为阅读材料，激发学生的学习兴趣，让学生在比较轻松的环境里了解氯气可以从氧化盐酸中的氯离子得到，氯气是黄绿色、有刺鼻气味的气体等，而且从科学家身上学习到科学研究的思想和科学探究的精神。然后安排了“思考与交流”，让学生谈一谈从这一史实中得到的启示，然后很自然地引出氯气的实验室制法，再写出相应的化学方程式。在思考和交流的过程中，要利用好这一问题的情景，引导学生体会理论指导的重要性和实验实证的基础性，使学生产生对化学知识的亲近感，增加他们主动求知的精神。‎ ‎4.充分运用实验，通过实验加深学生对非金属性质的印象，增强学生观察和分析问题的能力。教科书在知识的表述方法上，充分利用化学是实验科学这一特点，通过演示实验讲述氯气的典型性质，使学生对氯气的认识从感性上升到理性。关于Cl-的检验，为说明自来水中含有Cl-，教科书除了选用稀盐酸、NaCl溶液、Na2CO3溶液与AgNO3溶液反应外，还增加了自来水作为试剂与AgNO3溶液反应，同时以蒸馏水与AgNO3溶液混合作为对比实验。对使用AgNO3溶液检验Cl-时需要滴加稀硝酸酸化的理由，教学中要注意通过对比实验来解决。还可以以Na2CO3溶液为例，对稀硝酸加在AgNO3溶液前和后有什么影响展开讨论。‎ ‎5.增强教学的问题性和探究性。对于氯气与水的反应、氯气与碱的反应这些教学难点，建议首先向学生提出问题：请你根据已掌握的Cl2的性质猜测，Cl2与H2O反应可能形成的产物是什么？并设计各种实验方案，证明你的假设是否成立。通过假设、设计、验证、得出结论后，再用下列问题进行情境迁移：（1）根据Cl2与H2O的反应设想一下，如果将Cl2通入NaOH溶液中会发生怎样的反应？（2）在工业上，Cl2与消石灰反应可以制得漂白粉，其有效成分是什么？起漂白作用的物质是什么？若学生的基础较好，此时可应用下列问题继续进行深入探究：往NaOH溶液中滴加酚酞溶液，再逐滴滴加氯水，会有什么现象？实验中酚酞褪色的原因是什么？是因为Cl2与碱发生了反应，还是因为氯水中含有的HClO起了漂白作用？你是否能设计实验证明哪种猜测是对的呢？在此过程中，教师应充分调动学生主动参与探究学习的积极性，引导学生通过实验、观察、调查、资料收集、阅读、讨论、辩论等多种方式进行学习，培养学生提出问题、分析问题，以及通过实验解决问题的能力。‎ 二、活动建议 ‎【实验4-3】盛氯气的集气瓶要干燥。瓶中的氯气要浓，为了防止氯气逸散，可在集气瓶口涂一点凡士林，使玻璃片与瓶口更密合。因为这是第一个关于氯气性质的实验，实验时要提醒学生注意观察氯气的颜色（黄绿色），并注意氢气在空气里燃烧与在氯气里燃烧火焰的颜色是不同的。‎ ‎【实验4-4】色布的颜色最好是自行染上的。可取白纱布条，用红墨水染成红色，晾干备用。‎ ‎【实验4-5】实验时所用氯气和有色布条一定要干燥。为此，从气体发生器出来的气体要经过装有浓硫酸的洗气瓶，干布条要用临时烘干的。‎ 建议增加一个氯气与水反应和氯气与碱反应的对比实验。操作方法如下：‎ 取两个装有氯气的集气瓶，先让学生观察氯气的颜色。然后向一个瓶中注入少量水（约5 mL），向另一个瓶中注入等体积的浓氢氧化钠溶液，振荡。片刻后，对比瓶里氯气的颜色（注入碱液的瓶里黄绿色褪去，而注入水的瓶里的氯气的黄绿色变化不明显）。‎ ‎【实验4-6】此实验中，地区不同，自来水中滴入AgNO3溶液的现象可能不同。稀盐酸和NaCl溶液中加入AgNO3溶液都产生白色沉淀，再加稀硝酸，沉淀不溶解。Na2CO3溶液中加入AgNO3溶液产生白色沉淀，再加稀硝酸，沉淀溶解，且放出气泡。‎ 三、问题交流 ‎【思考与交流1】‎ 启示1：科学研究需要有正确的理论作指导，错误的理论只能浪费时间和精力。‎ 启示2：科学研究需要以大量事实为依据，只有大量事实才能推翻错误的理论，建立正确的理论或推动科学理论的发展。‎ 启示3：科学研究需要有热爱科学的思想和奉献科学的精神。‎ MnO2+4HCl(浓) MnCl2+Cl2↑+2H2O ‎【思考与交流2】‎ 提示：燃烧不一定要有氧气参加，物质并不是只有在氧气中才可以燃烧。燃烧的本质是氧化还原反应，所有发光发热的剧烈的化学反应都称为燃烧。‎ ‎【学与问】‎ 提示：因为城市自来水常用Cl2进行消毒，所以自来水中溶解有少量的氯气，有刺激性气味。‎ 四、习题参考 ‎1.氯气溶于水发生反应：Cl2+H2O=HCl+HClO,HClO具有强氧化性，能杀灭水中的病菌。‎ ‎2.‎ ‎      ‎ 实验现象 解释或化学方程式 滴入AgNO3溶液 白色沉淀 AgNO3+HCl=AgCl↓+HNO3‎ 滴在蓝色石蕊试纸上 先变红后很快褪色 氯水具有酸性和漂白性 滴入红墨水 褪色 氯水具有漂白性 ‎3.2Cl2+2Ca(OH)2=CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O ‎4.Ca(ClO)2，优点是漂白粉的性质比氯水稳定，可以长时间放置。‎ ‎5.观察包装袋是否密封，漂白粉中有无结块，注意使用期限，现买现用，购买之后应密闭保存在干燥的地方等。‎ ‎6.应十分小心，不要吸入氯气，不要把氯气大量排放到空气中去等。‎ ‎7.D  8.C ‎9.取少量试剂于小试管中，滴入用稀硝酸酸化的AgNO3溶液，如立刻有白色沉淀产生，则说明有Cl-存在。‎ ‎10.（1）Cl2+2KBr=Br2+2KCl、Cl2+2KI=I2+2KCl ‎（2）Br2+2KI=I2+2KBr ‎11.（1）取极微量尝味道；（2）加入醋酸或盐酸，看有无气体放出；（3）溶于水后加入CaCl2（或BaCl2）溶液，看有无沉淀产生；（4）用pH试纸测其溶液的pH；（5）分别溶于水后滴入酚酞溶液，看是否变红,等等。‎ ‎12.建议：‎ ‎（1）可以以小组形式进行；（2）到附近厂矿、农技单位进行调查；（3）教师可适当介绍网站和书籍，如《化工辞典》（王箴主编，化工出版社）、google、baidu等。‎ 第三节 硫和氮的氧化物 一、教学设计 环境保护问题已越来越为世界各国所重视，环境意识已成为当代人类文化素质的重要组成部分，并成为衡量一个国家，一个民族乃至一个人的文明程度的重要标准。环境问题的产生主要是由于人类对自然资源和生态环境的不合理利用和破坏造成的，而这种损害环境的行为又是同人类对环境缺乏正确的认识联系在一起的。因此，根据课程标准“关注人类面临的与化学相关的社会问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力”的要求，加强环境教育，提高学生的环境意识，帮助学生正确认识环境和环境问题。‎ 二氧化硫和二氧化氮是造成大气污染的主要气体，大气质量与二氧化硫、二氧化氮的含量有关。因此，在本章中，把这二者单独作为一节来学习。‎ 本节从人们熟悉的空气质量日报提出相关的4个问题，然后教科书安排了三部分内容，第一部分是二氧化硫的性质，第二部分是二氧化氮、一氧化氮的性质，第三部分是二氧化硫和二氧化氮对大气的污染。‎ 本节内容编排有以下特点：‎ ‎1.主题明确本节的主题是了解环境污染的原因和树立环境保护意识，教科书从空气质量日报引出环境问题，最后教学内容落实到二氧化硫和二氧化氮对大气的污染，给自然环境、人类的正常生活和工农业生产带来的危害，以及防治环境污染的方法等。总体的思路是先弄清楚有关污染物的性质，然后让学生了解引起大气污染的原因，从而引导学生形成参与解决环境问题的意识。‎ ‎2.内容新颖本节中空气质量日报、信使分子──NO、火箭为什么能飞上天、防治酸雨的措施、雨水pH的测定等都是比较新的内容，而且是与生产、生活联系密切的化学问题。在教学中要充分利用这些知识，或进行适当的扩充，以达到拓宽学生视野的目的。‎ ‎3.呈现方式灵活本节除文字叙述外，还安排了“实验”“学与问”“科学探究”“实践活动”等，提供了“资料卡片”“科学视野”等阅读材料，体现了课程标准提出的“精心创设学生自主活动和积极探究的情境，引导学生积极参与探究过程，获取知识，获得亲身体验，学会合作与分享，提高探究欲望”的要求，努力达到有计划、有步骤地培养学生的科学探究能力的目的。‎ 本节教学重点：二氧化硫与水的反应，二氧化氮与水的反应，二氧化硫和二氧化氮对大气的污染。‎ 本节教学难点：可逆反应，二氧化氮与水的反应。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.努力体现以学生为主体的教学思想。教科书一开始利用空气质量日报提出4个问题，激发学生思索，使学生较快的投身于学习的情景中。在教学中一方面要开好头，另外在“实验”“科学探究”“实践活动”中要注意激发学生求知的欲望，多让学生参与，把教学活动开展得有声有色。例如，在学习二氧化硫时，可以提出二氧化硫中硫元素的化合价为多少及其所属氧化物的类型是什么等问题，预测二氧化硫的化学性质并以实验验证。建议安排下列活动：（1）根据二氧化硫中硫为+4价，居于中间价态，推出二氧化硫既有氧化性又有还原性；二氧化硫是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性。（2）联系酸、碱、盐、氧化物间的相互转化关系和氧化还原反应的有关知识设计验证方案。（3）师生共同讨论验证方案的可行性。（4）学生分组实验：二氧化硫与水（滴加紫色石蕊溶液）、二氧化硫与氢氧化钠溶液（滴加酚酞溶液）、二氧化硫与品红溶液。（5）记录现象，教师引导学生分析得出结论等。‎ ‎2.准确把握教学要求。对于二氧化硫，教科书简要介绍了硫与氧气反应生成二氧化硫；二氧化硫有难闻的气味，能溶于水，水溶液显酸性，以及二氧化硫的漂白性等。教学中不要提高要求，避免增加学生的负担。至于二氧化硫漂白作用的机理、反应的生成物，考虑到学生的接受能力，教科书没有介绍。要提醒学生注意SO2+H2OH2SO3‎ 是可逆反应，这是学生第一次接触可逆反应的概念，建议说明这一概念的涵义，为学生今后接触更多的可逆反应，以及学习化学平衡等奠定基础。对于学生基础比较好的学校，建议在讨论SO2的漂白性时，从反应原理上和次氯酸的漂白作用进行比较，使学生注意它们的区别。‎ ‎3.采用辅助教学手段，体现新教科书的特色。例如，对于NO与O2的反应，建议利用录像来展示，使学生不但能看到气体颜色的变化，而且能看到气体体积的变化。然后从体积变化的定量数据中讨论原因，学习有关的知识。对于NO2与水的反应，建议有条件的学校采用边讲边实验；若不采用边讲边实验，可以利用实物投影等教学手段，以弥补演示实验的不足，提高直观教学效果。‎ ‎4.要培养学生的环境保护意识。对于SO2和NO2对大气污染的教学，可以指导学生阅读课文，引导学生了解SO2和NO2的产生、危害以及防治的措施等。然后根据SO2、NO2的利用和对大气的污染，开展如何评价SO2、NO2的讨论。这样既巩固了SO2和NO2的有关知识，又培养了学生利用化学知识化害为利的科学思想。‎ 二、活动建议 ‎【实验4-7】演示该实验时，应注意：‎ ‎1.收集二氧化硫的试管要干燥，气体要收集满，否则液面上升不多，液体变色不明显。‎ ‎2.可用亚硫酸钠与酸反应来制备二氧化硫。‎ ‎3.品红溶液的质量分数不能太大，以0.01%左右为宜，并使溶液显酸性。‎ ‎4.二氧化硫并不能漂白所有的有色物质,它只能漂白某些有色物质。因此,应预先试验它的漂白效果。‎ ‎【科学探究】‎ 采用课堂实验教学法，写出实验报告。‎ 实验现象与结论：‎ ‎1.提示：实验所需的氧气可以当时制取，也可以课前制好，装在塑料袋中供学生选用。‎ ‎  ‎ 实验步骤 现象 解释（可用化学方程式表示）‎ ‎(1)‎ 将一支充满NO2的试管倒放在盛有水的水槽中 红棕色气体逐渐消失，水位上升，最后水充满整个试管的2/3，无色气体充满试管的1/3（上部）‎ ‎3NO2+H2O=2HNO3+NO NO2为红棕色气体，易溶于水，NO为无色气体，难溶于水 ‎(2)‎ 制取少量氧气 ‎    ‎ ‎2KClO3=2KCl+3O2↑‎ 或2H2O22H2O+O2↑‎ ‎(3)‎ ‎(3)将氧气慢慢地通入步骤（1）的试管中 无色气体变为红棕色气体，又变为无色气体，但气体体积逐渐缩小，液面不断上升 ‎2NO+O2=2NO2‎ ‎3NO2+H2O=2HNO3+NO ‎2.提示：从上述实验结果可知，只有2/3的二氧化氮转化为硝酸，而1/3的二氧化氮转化为一氧化氮。因此，硝酸工业常在吸收反应进行过程中补充一些空气，使生成的一氧化氮再氧化为二氧化氮，二氧化氮溶于水又生成硝酸和一氧化氮。经过这样多次的氧化和吸收，二氧化氮可以比较完全地被水吸收，能够尽可能多地转化为硝酸。‎ ‎【实践活动1】由于本节实践活动的形式比较新，特提出如下建议：‎ ‎1.活动的宗旨是使每个学生都动起来，因此在教学中要设法调动学生的积极性，使他们主动参与，在活动中受到教育和启发，环保意识也得到提高。‎ ‎2.活动的教学要求并不高，难度也不大，教师可以根据具体情况，选用其中的一部分活动，也可以自行设计其他活动。‎ ‎3.在活动前应做好充分的准备，如要求学生做好课前调查、查阅资料、发言准备等。教师应准备好活动必备的用品，如污染物样品、报刊资料、复印材料、图片、投影片或录像片等。‎ ‎4.教学时可以采取灵活多样的方式，如某些活动可以采取收集资料──调查──阅读──讨论的方式进行。‎ ‎5.教学时应注意尽量结合当地的实际情况，使学生感到环境问题就发生在自己身边，保护环境人人有责。‎ ‎6.应该注意的是，其中有些活动并没有固定的答案，活动中也不要强求统一。活动的目的主要在于学生的参与，在参与过程中培养学生的环境意识。‎ ‎7.在上述实践活动中，学生学到的不仅仅是一些环境知识，更重要的是引起他们对环境问题的关注，同时培养他们的探究能力、思维能力、表达能力、组织活动能力、与人交流的能力等，同时也可以培养他们的科学方法、科学态度和科学精神等，而这些正是未来人才所应具备的品质和能力。‎ 大气污染物的来源十分广泛，各地情况也有很大差别，以下举出一些例子。‎ ‎（1）工业排出的废气；‎ ‎（2）工厂、家庭燃烧含硫的燃料；‎ ‎（3）火山爆发产生的气体；‎ ‎（4）焚烧农作物的秸杆、森林火灾中的浓烟；‎ ‎（5）焚烧生活垃圾、废旧塑料、工业废弃物产生的烟气；‎ ‎（6）吸烟；‎ ‎（7）做饭时厨房里的烟气；‎ ‎（8）垃圾腐烂释放出来的有害气体；‎ ‎（9）工厂有毒气体的泄漏；‎ ‎（10）居室装修材料（如油漆等）缓慢释放出来的有毒气体；‎ ‎（11）风沙、扬尘；‎ ‎（12）农业生产中使用的有毒农药；‎ ‎（13）使用涂改液等化学试剂；‎ ‎（14）复印机、打印机等电器产生的有害气体等。‎ ‎【实践活动2】该活动涉及较多的技能，如收集雨水、使用pH试纸（或pH计）、列表或制图等。如果本地区的雨水显酸性，活动后应调查分析雨水变酸的原因，并提出减轻酸雨危害的建议。活动可分组合作进行。‎ 三、问题交流 ‎【学与问】‎ 通过分析H2SO3的热不稳定性和二氧化硫的溶解性得出结论。‎ 四、习题参考 ‎1.刺激性、有、气体，变红。无，红棕 ‎2.A  3.C  4.C  5.D ‎6.（1）2SO2+O2=2SO3   (2)Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O ‎(3)3NO2+H2O=2HNO3+NO 第四节 硫酸、硝酸和氨 一、教学设计 硫酸、硝酸是硫、氮元素的最高价氧化物的水化物，是重要的含氧酸，氨是氮的氢化物。非金属单质、氢化物、氧化物、含氧酸等构成某一非金属元素的知识体系。在硫、氮元素的知识体系中，比较重要的是氧化物和含氧酸。硫酸、硝酸既有酸的一些通性，又有它们自己的特性。氨也有大多数非金属元素的氢化物所具有的性质，同时它又是水溶液呈碱性的惟一气体，而且是大家非常熟悉的物质。因此，将它们归为一节进行学习。‎ 硫酸、硝酸和氨是重要的基本化工产品。掌握硫酸、硝酸和氨的性质，可以更好地认识它们在工农业生产和国防中的重要用途。自然界中氮的循环具有一定的典型性。因此，本节教科书选择浓硫酸、硝酸的氧化性，氨气的性质和制法，以及自然界中氮的循环为内容，目的是让学生了解这些重要化工产品的主要性质，了解氮的循环对生态平衡的作用。‎ 学生在初中已经学过稀硫酸、稀盐酸的化学性质，也做过浓硫酸吸水的实验。本节通过“思考与交流”，应用初中化学知识了解硫酸、硝酸具有酸的通性，然后引出浓硫酸和硝酸的氧化性。氨的性质主要学习氨的水溶性、氨水的碱性，以及氨与酸的反应。‎ 本节内容编排有以下特点：‎ ‎1.重视知识的建构知识结构由主干知识和基本知识构成，主干知识作支撑。浓硫酸、硝酸的主干知识是强氧化性，它们能与绝大多数金属起反应，也能与一些非金属起反应，反应的特点是浓硫酸、硝酸中的硫、氮元素被还原，生成硫的氧化物和氮的氧化物。氨的主干知识是水溶液呈碱性，因此容易与酸反应生成盐。教科书对于这些主干知识采用实验进行建构，用图示进行加深，用化学反应方程式进行强化。而对其他一些基本知识，则采用“思考与交流”“资料卡片”等形式来呈现。‎ ‎2.重视环境教育例如，浓硫酸与铜反应的实验，以往是用铜片与浓硫酸反应，实验时反应不能随意停止，过多的SO2会造成环境污染。现在改用铜丝与浓硫酸反应，反应一会儿后，拉出铜丝，反应即停止，减少了SO2对环境的污染。对于自然界中氮的循环，教科书采用图片与问题相结合的形式，旨在通过讨论，让学生认识氮的循环对生态平衡的重要作用。‎ 本节教学重点：浓硫酸、硝酸的氧化性，氨的化学性质。‎ 本节教学难点：浓硫酸、硝酸的氧化性。‎ 教学建议如下：‎ ‎1.做好实验，充分发挥实验的功能。实验→观察→分析是本节教学的重要手段与方法。为取得良好的实验效果，教师要明确实验目的，明确实验观察的重点，使学生通过仔细观察现象，来分析变化的本质。另外还要强调实验的操作要点及要掌握的实验技能等。‎ 在复习浓硫酸的吸水性、脱水性时可做蔗糖中加浓硫酸的实验，结合教科书图4-27，以激发学生的兴趣。‎ 对于硫酸的氧化性，建议演示实验前设置如下思考题：（1）本实验反应的条件是什么？（2）反应前后溶液及铜片有哪些变化？（3）实验发生后品红溶液（或紫色石蕊溶液）有何变化？由此得出什么结论？盛品红溶液试管口的棉花起什么作用？这样可以使学生带着问题进行观察，加强其对直观现象的认识。可对铜与浓硫酸反应的实验进行改进（见“活动建议”）。‎ 对于硝酸与铜、非金属的反应，可以适当补充演示实验，但必须控制环境污染问题。做浓、稀硝酸与铜反应的实验时要选用细长的导线铜丝。这样既反应快，又便于及时抽出，污染少；选用1∶2的稀硝酸现象较明显，为增强可观察性，可用白纸作衬托。在做红热的木炭在浓硝酸里燃烧的实验时，要求学生认真观察实验现象，并指出除碳外，硫、磷也能被浓硝酸氧化，至于氧化的产物不要求学生掌握。要记住王水的组成，可引导学生妙用王水中的“王”字的竖横笔画比，帮助记忆。‎ 对于【实验4-9】，可根据实验现象引导学生分析：（1）烧瓶内为什么会形成喷泉？（2）溶液为什么变成红色？这个实验可以使学生更好地理解氨极易溶于水、且水溶液显碱性的性质。对于氨与盐酸的反应，也可以用实验进行演示。‎ ‎2.加强思想方法教育。讨论浓硫酸和硝酸的性质时，要突出氧化还原的观点，分析反应的特点，从而理解浓硫酸、硝酸的氧化性表现在硫、氮元素价态的变化上。另外，学生学习了浓硫酸、硝酸的强氧化性后，一定会产生疑问：浓硫酸、稀硫酸中溶质都是H2SO4，为什么性质有如此大的差异？浓硝酸、稀硝酸的氧化性为什么也有比较大的差异？这时要引导学生运用内因与外因的关系进行分析，指出量变会引起质变，加深对自然辩证法的认识。‎ ‎3.运用比较归纳法进行学习。浓硫酸、硝酸的氧化性有许多相似的地方，通过比较可以加深理解、方便记忆。如浓硫酸、硝酸作氧化剂时，都是硫、氮元素被还原；都是浓的溶液氧化性比稀的溶液强；浓硫酸、浓硝酸都能与不活泼金属和一些非金属反应；在常温下，浓硫酸、浓硝酸都能使铁、铝表面氧化生成牢固的氧化物薄膜，从而阻止酸与内层金属的反应等。在教学过程中，学生会常常错误地认为：硝酸愈稀被还原的程度愈大，说明硝酸愈稀氧化能力愈强。对此，要向学生说明，氧化性的强弱是指氧化其他元素的能力，而不是指本身被还原的程度，即不能以还原产物中氮的价态作为衡量标准。在教学中还可以引导学生归纳氨的特殊性，如氨水的化学式、氨水的酸碱性等。‎ ‎4.注意教学方式的多样化。应充分利用各种实物、音像资料，通过观看、阅读、讲解、讨论等多种形式进行教学。尤其是要注意不断创设问题的情景，引发学生讨论。还要鼓励学生主动提出问题，质疑释疑等。‎ 二、活动建议 ‎【实验4-8】该实验只有在持续加热时，才有稳定的SO2气流。反应完毕，冷却后，把试管里的液体慢慢倒入另一支盛有少量水的试管里，可观察到溶液呈现蓝色。‎ 在做这个实验时，试管底部往往会出现黑色沉淀物，溶液也显得发黑，持续加热的时间长一些，颜色可变浅。由于反应复杂，不宜过多介绍。‎ 此实验也可稍作改进（如图4-1）。改进后的实验可证明SO2的产生；证明SO2溶液为酸性；证明SO2不能漂白石蕊溶液；强调尾气处理的方法。‎ 现象：浓硫酸与铜在加热时能发生反应，放出能使紫色石蕊溶液变红或使品红溶液褪色的气体。反应后生成物的水溶液显蓝色。‎ 图 4-1  浓硫酸与铜的反应 ‎【实验4-9】做此实验时应注意：‎ ‎1.装置要密闭不漏气。‎ ‎2.圆底烧瓶要干燥。‎ ‎3.烧瓶里的氨气要充满。‎ 实验中所用的氨气可用以下方法得到：‎ ‎1.用NH4Cl与Ca(OH)2共热制氨气。注意首先要检查Ca(OH)2是否变质〔长期存放的Ca(OH)2可能会部分变成CaCO3〕，最好用新制的Ca(OH)2。为防止生成氨合物，Ca(OH)2要过量，NH4Cl与Ca(OH)2的质量比以5∶8为宜。如果用（NH4)2SO4代替NH4Cl，则二者的质量比以1∶1为宜。如果用粉末状的生石灰代替Ca(OH)2，制得的氨气比较干燥。‎ ‎2.加热浓氨水制氨气。在烧瓶中加入2～4 mL浓氨水，加热即可得到氨气。此法也可用于做喷泉实验。‎ ‎3.在常温下，用浓氨水与固体烧碱混合制氨气。方法是：在分液漏斗中加入浓氨水，在锥形瓶中加入少量固体氢氧化钠（约一小药匙），按图4-2所示安装好装置。将浓氨水慢慢滴入锥形瓶，待冒出较多的气泡时，用向下排气法收集氨气。实验时要控制好浓氨水的滴入速度，分液漏斗的活塞不要开得太大，以免产生氨气过多而冲开锥形瓶的塞子。此法的装置和操作都很简便，而且制得的氨气浓度也比较大，做“喷泉”实验效果比较好。‎ 图 4-2  制取氨气 现象：烧杯里的水由玻璃管进入烧瓶，形成喷泉，烧瓶内液体呈红色。‎ 三、问题交流 ‎【思考与交流1】（1）它们都是酸，在水溶液中电离出H+，硫酸和硝酸是含氧酸，盐酸是无氧酸；硫酸是二元强酸，硝酸和盐酸是一元强酸……‎ ‎（2）在水溶液中都电离出氢离子，HA=H++A-‎ ‎（3）从盐酸、稀硫酸是非氧化性酸，浓硫酸或硝酸是氧化性酸的角度加以讨论。‎ ‎【思考与交流2】提示：氮是蛋白质的基本组成元素之一。所有生物体内均含有蛋白质，所以氮的循环涉及到生物圈的全部领域。氮是地球上极为丰富的一种元素，在大气中约占79%。氮在空气中含量虽高，却不能为多数生物体所直接利用，必须通过固氮作用。固氮作用的两条主要途径，一是通过闪电等高能固氮，形成的氨和硝酸盐，随降水落到地面；二是生物固氮，如豆科植物根部的根瘤菌可使氮气转变为硝酸盐等。植物从土壤中吸收铵离子（铵肥）和硝酸盐，并经复杂的生物转化形成各种氨基酸，然后由氨基酸合成蛋白质。动物以植物为食而获得氮并转化为动物蛋白质。动植物死亡后遗骸中的蛋白质被微生物分解成铵离子（NH4+）、硝酸根离子（NO3-）和氨（NH3）又回到土壤和水体中，被植物再次吸收利用。‎ 四、习题参考 ‎1.无，刺激，极易。小，吸，制冷剂 ‎2.NH3  NH4NO3  N2  N2O  NO  N2O3  NO2  N2O4  N2O5  HNO3……‎ ‎3.B  4.C ‎5.‎ ‎ ‎ ‎ 浓硫酸 ‎ 稀硫酸 酸性 强弱 弱（主要以分子状态存在，弱酸性，不能用来制取氢气）‎ 强（可以用来与活泼金属反应制取氢气）‎ ‎ 化学 方程式 H2SO4（浓）+2NaOH=Na2SO4+2H2O ‎2NaCl+H2SO4(浓）Na2SO4+2HCl↑‎ H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O ‎2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4‎ 应用 制氯化氢等挥发性酸 ‎ 除铁锈、制硫酸铵等盐类 ‎ 氧化性 强弱 强氧化性（硫元素被还原，可以与不活泼金属如Cu及非金属如C等发生氧化还原反应）‎ 弱氧化性（氢元素被还原，只能与金属活动性顺序中排在氢前面的金属反应）  ‎ 化学 方程式 Cu+2H2SO4(浓）CuSO4+SO2↑+2H2O Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑‎ 应用 精炼石油、制造炸药等 实验室制氢气、制盐等  ‎ ‎  ‎ 浓硫酸有吸水性 无 吸水性 应用 干燥剂 ‎ ‎   ‎ 脱水性 ‎   ‎ 浓硫酸有脱水性 无 ‎ 化学 方程式 ‎ ‎ C12H22O11‎12C+11H2O ‎ ‎ ‎   ‎ 应用 在有机反应中作脱水剂、制染料等 ‎ ‎   ‎ ‎6.提示:(1)各取少量溶液，滴入Ba(NO3)2溶液，有白色沉淀生成的是稀硫酸：‎ Ba（NO3)2+H2SO4=BaSO4↓+2HNO3‎ ‎(2)各取剩下的两种溶液少许，滴入AgNO3溶液，有白色沉淀生成的是稀盐酸，最后一种是稀硝酸。‎ AgNO3+HCl=AgCl↓+HNO3‎ ‎7.区别的方法有很多，以下方法仅供参考（只要求学生掌握其中三四种方法即可）。‎ ‎（1）密度法：浓硫酸的密度比稀硫酸大得多，可以测试这两支试管相同体积液体的重量，重量大的是浓硫酸，重量小的是稀硫酸（或用密度计进行测试）。‎ ‎（2）黏度法：浓硫酸是黏稠的液体，而稀硫酸接近水的黏度，所以将两支试管拿起摇动几下，观察。流动性差的是浓硫酸，流动性好的是稀硫酸。‎ ‎（3）稀释法：浓硫酸溶于水时放出大量的热，故可用稀释法进行鉴别。在小烧杯中加入10 mL水，再慢慢沿烧杯壁加入某种硫酸，放出热量大的是浓硫酸，热量变化很小的是稀硫酸。‎ ‎（4）露置法：浓硫酸具有吸水性，而稀硫酸无此特性。分别称取等量的两种硫酸，露置在空气中一段时间后再称量，质量明显增加的是浓硫酸，另一种是稀硫酸。‎ ‎（5）吸水法：在两支试管中各加入少量胆矾，再分别加入几滴硫酸，晶体溶解且溶液变蓝的是稀硫酸，若蓝色晶体变白，则加入的酸是浓硫酸。‎ ‎（6）钝化法：取已去氧化膜的两块铁片或铝片，分别放入盛有两种硫酸的试管中。无明显现象的是浓硫酸，有气泡产生的是稀硫酸。（或取已去氧化膜的两块铁片或铝片，分别放入盛有两种硫酸的试管中片刻，取出后用水洗净，再分别浸入CuSO4溶液中，过一会儿后如果有红色物质析出，则原试管所盛的是稀硫酸；若无现象，则原试管所盛的是浓硫酸。）‎ ‎（7）氧化法：浓硫酸具有强氧化性，而稀硫酸的氧化性弱。分别取两支试管，加入铜片后再分别加入两种硫酸，加热，能产生刺激性气味气体的是浓硫酸，另一种是稀硫酸。‎ ‎（8）脱水法：分别用玻璃棒醮取两种酸涂在纸上，过一段时间后，若纸上出现黑色痕迹，则涂的是浓硫酸。‎ ‎（9）生雾法：在两支试管中各加少量浓盐酸，再分别加入少量的两种硫酸，若有大量白雾生成，则加入的是浓硫酸。‎ ‎（10）导电法：取两种酸少许于两只小烧杯中，分别做导电性实验，若小灯泡发光且亮，则烧杯中所盛的是稀硫酸。‎ ‎……‎ ‎8.提示：需要考虑的因素主要是：能够达到干燥效果，最大限度地减少所需气体的损失，不产生其他杂质。‎ SO2可以用浓硫酸等干燥；NO可以用浓硫酸、碱石灰或P2O5等干燥；NO3可以用碱石灰干燥。‎ ‎9.提示：以硫元素在自然界的循环为线索，分别考虑硫及其化合物的转化，并分析人类行为的影响。‎ ‎10.2Cu+O22CuO CuO+H2SO4=CuSO4+H2O 教学资源 ‎1.硅 ‎（1）硅在高新技术中的应用 单晶硅作为半导体器件的核心材料,大大地促进了信息技术的革命。自20世纪中叶以来,单晶硅随着半导体工业的需要而迅速发展。到1996年全球半导体产业销售额达到1 410亿美元,而其中单晶硅材料的销售达到74亿美元。中国消耗的大部分集成电路及其硅片主要依赖进口。但我国科技人员正迎头赶上,于1998年成功地制造出了‎12英寸单晶硅,标志着我国单晶硅生产进入了新的发展时期。‎ 信息材料技术是新材料技术的重要组成部分,也是信息技术尤其是电子信息技术发展的基础。从目前情况来看,硅半导体仍然是集成电路的主要材料。据估计在21世纪内,硅仍然会占半导体材料的95%以上。‎ 光纤材料是发展现代通信的关键材料。目前的光纤以远距离通信用石英材料为主,发展方向是减少损耗,加宽带域,降低成本。超导材料可能给电子学带来广阔的发展前景,超导电子电路的优势是功耗低，速度快。超导电子材料已成为一个极受重视的目标。‎ 微电子与生物技术紧密结合的以DNA芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。采用微电子加工技术,可以在指甲盖大小的硅片上制作出含有多达10～20万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况。这无疑对遗传学研究、疾病诊断与治疗、转基因工程等具有极其重要的作用。‎ ‎（2）硅和碱的反应 硅和强碱反应会生成氢气,曾有人用这种方法来制备氢气。在野外,为了迅速得到氢气,用含量高的硅粉与干燥的Ca(OH)2和NaOH混合,并强热,即可迅速得到氢气。‎ Si+Ca(OH)2+2NaOH=Na2SiO3+CaO+2H2‎ 这种Si、Ca(OH)2和NaOH的混合物叫做生氢剂。‎ ‎（3）纯硅的制取 利用反应SiO2+‎2C=Si+2CO,只能得到不纯的粗硅。粗硅需进行精制,才能得到高纯度的硅。‎ 首先使Si与Cl2起反应:‎ Si+2Cl2=SiCl4‎ 生成的SiCl4液体在除去杂质后用H2还原：‎ SiCl4+2H2=Si+4HCl 就得到纯度较高的多晶硅。‎ ‎（4）石英、水晶及其压电效应 石英的主要成分是SiO2,可用来制造石英玻璃。石英晶体中有时含有其他元素的化合物,它们以溶解状态存在于石英中,呈各种颜色。此外,由于SiO2的结构不同也会使石英产生不同颜色。纯净的SiO2晶体叫做水晶,它是六方柱状的透明晶体,是较贵重的宝石。‎ 法国科学家皮埃尔·居里(Pierre Gurie)发现水晶在受压时能产生一定的电场,这种现象被称为“压电效应”。后来这种“压电效应”被应用在电子工业上。石英薄片在高频率电场的作用下,能作间歇性的伸张和收缩,其频率和施加的电场的频率相同。石英的这种伸缩又引起了周围介质产生类似声波。由于水晶或石英具有这种性质,因此被广泛应用在钟表工业和超声技术上。‎ ‎（5）硅谷(Silicon Valley)‎ 硅谷是美国新兴的高技术产业开发区，电子技术研究中心和计算机生产的重要基地。硅谷位于加利福尼亚州圣弗朗西斯科南端的圣克拉拉县（Santa Clara）。20世纪60年代以来，苹果电脑公司带动了其他企业，使硅谷迅速发展，高技术企业约有2‎ ‎ 600家。90年代后成为美国多媒体产业的发源地。硅谷在发展过程中得到了该地区斯坦福大学技术上的扶持，是教育与技术相结合的典范。‎ ‎2.无机非金属材料 ‎(1)传统陶瓷 陶瓷在我国有悠久的历史，是中华民族古老文明的象征。从西安地区出土的秦始皇陵中大批陶兵马俑，气势宏伟，形象逼真，被认为是世界文化奇迹，人类的文明宝库。唐代的唐三彩、明清景德镇的瓷器均久负盛名。‎ 传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐，自然界存在大量天然的硅酸盐，如岩石、土壤等，还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸盐。此外，人们为了满足生产和生活的需要，生产了大量人造硅酸盐，主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。‎ 硅酸盐制品一般都是以黏土（高岭土）、石英和长石为原料经高温烧结而成。黏土的化学组成为Al2O3·2SiO2·2H2O，石英为SiO2，长石为K2O·Al2O3·6SiO2（钾长石）或Na2O·Al2O3·6SiO2（钠长石）。这些原料中都含有SiO2，因此在硅酸盐晶体结构中，硅与氧的结合是最重要也是最基本的。‎ 硅酸盐材料是一种多相结构物质，其中含有晶态部分和非晶态部分，但以晶态为主。硅酸盐晶体中硅氧四面体［SiO4］是硅酸盐结构的基本单元。在硅氧四面体中，硅原子以sp3杂化轨道与氧原子成键，Si—O键键长为162 pm，比起Si4+和O2-的离子半径之和有所缩短，故Si—O键的结合是比较强的。‎ ‎(2)精细陶瓷 精细陶瓷的化学组成已远远超出了传统硅酸盐的范围。例如，透明的氧化铝陶瓷、耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷等，它们都是无机非金属材料，是传统陶瓷材料的发展。精细陶瓷是适应社会经济和科学技术发展而发展起来的，信息科学、能源技术、宇航技术、生物工程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料，促使人们研制精细陶瓷，并在超硬陶瓷、高温结构陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、超导陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的进展，下面选择一些实例做简要的介绍。‎ 高温结构陶瓷汽车发动机一般用铸铁铸造，耐热性能有一定限度。由于需要用冷却水冷却，热能散失严重，热效率只有30%左右。如果用高温结构陶瓷制造陶瓷发动机，发动机的工作温度能稳定在1 ‎300 ℃‎左右，由于燃料充分燃烧而又不需要水冷系统，使热效率大幅度提高。用陶瓷材料做发动机，还可减轻汽车的质量，这对航天航空事业更具吸引力，用高温陶瓷取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机效果会更好。‎ 目前已有多个国家的大的汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车。我国也在1990年装配了一辆并完成了试车。陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高，是很好的高温陶瓷材料。氮化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1 ‎300 ℃‎反应后获得：‎ ‎3Si+2N2Si3N4‎ 高温结构陶瓷除了氮化硅外，还有碳化硅（SiC）、二氧化锆（ZrO2）、氧化铝等。‎ 透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者使光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF2）、氟化钙（CaF2）等。这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在2 ‎000 ℃‎以上。如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3 ‎100 ℃‎，比普通硼酸盐玻璃高1 ‎500 ℃‎。透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的发光效率比高压汞灯提高一倍，使用寿命达2万小时，是使用寿命最长的高效电光源。高压钠灯的工作温度高达1 ‎200 ℃‎，压力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃，它们耐磨损、耐划伤，用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。‎ 光导纤维从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100 μm的细丝，称为石英玻璃纤维。玻璃可以透光，但在传输过程中光损耗很大，用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维，是精细陶瓷中的一种。‎ 利用光导纤维可进行光纤通信。激光的方向性强、频率高，是进行光纤通信的理想光源。光纤通信与电波通信相比，光纤通信能提供更多的通信通路，可满足大容量通信系统的需要。‎ 光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高；外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关，光损耗小，传输距离就长，否则就需要用中继器把衰减的信号放大。用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中继站。‎ 在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通信容量。‎ 用光缆代替通信电缆，可以节省大量有色金属，每公里可节省铜1.1 t、铅2～3 t。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等优点。光纤通信与数字技术及计算机结合起来，可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通信卫星的作用。‎ 光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，如胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等，对诊断、医治各种疾病极为有利。‎ 生物陶瓷人体器官和组织由于种种原因需要修复或再造时，选用的材料要求生物相容性好，对肌体无免疫排异反应；血液相容性好，无溶血、凝血反应；不会引起代谢作用异常现象；对人体无毒，不会致癌。目前已发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求。利用这些材料制造了许多人工器官，在临床上得到广泛的应用。但是这类人工器官一旦植入体内，要经受体内复杂的生理环境的长期考验。例如，不锈钢在常温下是非常稳定的材料，但把它做成人工关节植入体内，三五年后便会出现腐蚀斑，并且还会有微量金属离子析出，这是生物合金的缺点。有机高分子材料做成的人工器官容易老化，相比之下，生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入体内。‎ 氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近，它还可以做人工关节用于很多部位，如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。ZrO2陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股关节等。羟基磷灰石〔Ca10(PO4)6(OH)2〕是骨组织的主要成分，人工合成的与骨的生物相容性非常好，可用于颌骨、耳听骨修复和人工牙种植等。目前发现用熔融法制得的生物玻璃，如CaO-Na2O-SiO2-P2O5，具有与骨骼键合的能力。‎ 陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足，这就严重影响了它作为人工人体器官的推广应用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必须考虑解决其脆性问题。‎ ‎（3）纳米陶瓷 从陶瓷材料发展的历史来看，经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃；由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃，在这个期间，不论是原材料，还是制备工艺、产品性能和应用等许多方面都有长足的进展和提高，然而对于陶瓷材料的致命弱点──脆性问题没有得到根本的解决。精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级（10‎-6 m），有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级 ‎（10‎-9 m），用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延性，有的甚至出现超塑性。如室温下合成的TiO2陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达100%，韧性极好。因此人们寄希望于发展纳米技术去解决陶瓷材料的脆性问题。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。‎ ‎（资料2摘编自《化学与社会》，唐有祺、王夔主编）‎ ‎3.舍勒 卡尔·威廉·舍勒1742年12月19日出生于瑞典南部,是18世纪中期到18世纪后期的一位相当出名的科学家。‎ 舍勒很早就对化学发生了兴趣,对于当时一些有名的化学书里的实验,他都重复做过。他进行了大量的实验研究,在实验研究中发现了许多新物质。‎1775年2月4日,舍勒当选为瑞典科学院院士。‎ 舍勒早年曾在哥德堡、马尔默、乌普萨拉、斯德哥尔摩等地的药房短期工作过,大部分时间是在小城镇彻平的药房工作,大量实验研究也是在彻平进行的。舍勒经常处于穷困之中,大量的实验工作是用简陋的仪器在寒冷的实验室中进行的。他还经常在夜里工作,这大大损害了他的健康,得了哮喘病,使他在‎1786年5月21日过早地病故了,终年仅44岁。‎ 舍勒的生命是短暂的,但他所取得的成果却相当多,他一生发现的新物质有30多种,这在当时是绝无仅有的。在舍勒一生的发现中,最为突出的贡献是发现氧气和氯气。‎ ‎4.氯气的毒性 氯气主要通过呼吸道侵入人体,氯气对上呼吸道黏膜会造成有害的影响,它会溶解在黏膜所含的水分里,生成次氯酸和盐酸,次氯酸使组织受到强烈的氧化；盐酸刺激黏膜发生炎性肿胀,使呼吸道黏膜浮肿,大量分泌黏液,造成呼吸困难,所以氯气中毒的明显症状是发生剧烈的咳嗽。症状重时,会发生肺水肿,使循环作用困难而致死亡。由食道进入人体的氯气会使人恶心、呕吐、胸口疼痛和腹泻。‎ ‎5.漂白粉 ‎1774年,舍勒发现氯气的同时也发现了氯水对纸张、蔬菜和花具有永久性的漂白作用。1785年法国化学家贝托雷(Claude louis Berthollet)提出把漂白作用应用于生产,并注意到氯气溶于草木灰水形成的溶液比氯水更浓,漂白能力更强,而且无逸出氯气的有害作用。1789年英国化学家台耐特(Smithson Tennant)把氯气溶解在石灰乳中,制成了漂白粉。‎ 现在工业上还是采用把氯气通入消石灰或石灰乳的方法制取漂白粉。消石灰要含略少于1%(质量分数)的水,因为极为干燥的消石灰是不跟氯气反应的。生产漂白粉的反应过程比较复杂,主要反应可以表示如下:‎ ‎3Ca(OH)2+2Cl2=Ca(ClO)2+CaCl2·Ca(OH)2·H2O+H2O 在较高级的漂白粉中,氯化可按下面的化学方程式进行,反应比较安全。‎ ‎2CaCl2·Ca(OH)2·H2O+2Cl2+8H2O=Ca(ClO)2+3CaCl2·4H2O 漂白粉是混合物,有效成分是Ca(ClO)2。商品漂白粉往往含有Ca(OH)2、CaCl2、Ca(ClO)2和Cl2等杂质。‎ 当溶液中碱性增大时,漂白作用进行缓慢。所以工业上使用漂白粉时要加入少量弱酸,如醋酸等,或加入少量稀盐酸。家庭使用漂白粉不必加酸,因为空气中的二氧化碳溶在水里也起弱酸的作用:‎ Ca(ClO)2+H2O+CO2=CaCO3↓+2HClO 漂白粉的质量是按它的“有效氯”以及它能长时间保持有效氯的能力来决定的。有效氯是根据它同盐酸作用时产生的氯气的量来计算的。反应的化学方程式是:‎ Ca(ClO)2+4HCl=2Cl2+CaCl2+2H2O Cl2+2HI=2HCl+I2‎ ‎2Na2S2O3+I2=Na2S4O6+2NaI 漂白粉的有效氯=漂白粉加酸所释放出的氯气的质量漂白粉的质量×100%‎ 反应生成的碘用硫代硫酸钠(Na2S2O3)溶液来滴定，再计算出漂白粉所释放出的氯气的质量。漂白粉的氧化能力通常用有效氯的质量分数来表示,工业品漂白粉一般含有效氯35%,高的可以达到40%。‎ ‎6.饮水消毒 饮水消毒的方法有很多，如煮沸、紫外线照射、通O3等等。目前我国大规模的饮水消毒主要用氯──加液氯（少数地方的水厂也有加漂白粉或漂粉精的）。消毒的主要作用是杀灭可引起霍乱、伤寒、痢疾等疾病的病菌。‎ 用Cl2消毒的水可能有臭味，氯使水中的有机物氯化，产生危害人体健康的有机氯化物如CHCl3等，是潜在的致癌物质。世界各国都正在研究并开始采用新的自来水杀菌消毒剂，如臭氧（O3）、二氧化氯（ClO2）、Na2FeO4等。‎ 约从20世纪40年代起，国外就有用ClO2消毒饮用水的。ClO2杀菌、漂白能力优于Cl2，且没有臭味生成。文献报道按ClO2、Cl2质量及其产物计，ClO2消毒能力是等质量Cl2的2.63倍。‎ 把Cl2通入NaClO2溶液即得ClO2：‎ ‎2NaClO2+Cl2=2ClO2+2NaCl 因ClO2成本高，所以有前期用Cl2消毒和后期用ClO2消毒的方法。‎ 臭氧具有很强的氧化性，能杀死水中的细菌，且没有副作用。‎ Na2FeO4为紫色物，溶于水呈紫红色（像MnO4-），能氧化细菌消毒转为Fe(OH)3沉淀，不生成致癌、致畸的CHCl3。‎ ‎7.神奇的一氧化氮分子 美国SCIENCE杂志自1989年起，每年度评选一个对于科学发展和社会受益有重要影响的分子，授予明星分子的荣誉称号。NO分子曾是一个不起眼的小分子，1992年因其神奇的生物活性被评选为明星分子。‎ ‎（1）NO分子的结构 根据分子轨道理论，第二周期电子数小于或等于14的双原子分子其能级次序与N2分子相同，电子数等于或大于16的双原子分子的能级次序与O2分子相同，那么电子数为15的NO分子能级次序究竟同O2还是同N2呢？有人根据NO与O2+为等电子分子，提出能级次序同O2，然而量子化学计算和NO分子的紫外光电子能谱表明，NO分子能级次序同N2，其电子组态为1σ22σ23σ24σ21π45σ22π1。N和O之间的三键由一个双电子σ键、一个双电子π键和一个三电子π键组成，NO与N2、O2分子键长、键解离能与磁性比较见表4-1：‎ 表4-1 NO与N2、O2分子的比较 分子 键长/pm 键解离能/(kJ·mol-1)‎ 磁性 N2‎ ‎109.74‎ ‎941.69‎ 反磁性 NO ‎115.08‎ ‎678‎ 顺磁性，单自由基分子 O2‎ ‎120.74‎ ‎493.54‎ 顺磁性，双自由基分子 ‎（2）NO的物理和化学性质 NO的相对分子质量为30.01，熔点为‎-163.6 ℃‎，沸点为‎-151.8 ℃‎，密度为1.340 ‎2 g·L-，微溶于水，但不与水反应，溶于乙醇，具有脂溶性，这使NO不需要任何中介机制就可快速扩散通过生物膜。‎ ‎（3）NO分子的生物活性 NO生物活性最早发现于1980年。美国科学家Furchaout在一项研究中发现了一种小分子的物质，具有使血管平滑肌松弛的作用，后来被命名为血管内皮细胞舒张因子(简称EDRF)，是一种不稳定的生物自由基。EDRF被确认为NO，NO在O2及O2-存在时可迅速被氧化成NO2，以NO3-和NO2-的形式存在于细胞内、外液中而失去生物活性；在超氧化物歧化酶(SOD)和酸性条件下化学性质较稳定。‎ 细胞依靠一种名叫一氧化氮合成酶(NOS)的物质，以L-精氨酸和分子氧为底物，同时在某种辅助因子帮助下，从L-精氨酸上脱去5个电子而生成NO和另一种氨基酸。NO的生物半衰期只有3～5 s。‎ ‎（4）NO在神经系统中的作用 NO有时承担着作为神经系统递质的作用。但与一般递质不同的是，它没有特殊的储存“设备”，也没有特殊的释放机理过程，只要需要，它就简单地从制造细胞中释放出来。NO的传送过程也杂乱无章，它不需要接收的入口而直接穿透膜层，它已知的目标是细胞内层的酶，可以载着信息将其传送到任何它所能及的地方。‎ ‎8.大气污染的危害 人必须依靠呼吸新鲜空气来维持生命，一个成年人，平均每天呼吸20 000次，平均吸入‎15 kg空气，其质量大约相当于每天所需食物及饮水质量的10倍。有报导指出，人可以几天不喝水，不吃东西，但不能几分钟不呼吸。‎ 大气污染物主要通过呼吸道进入人体，也有少量通过接触和刺激体表进入人体。人体吸入的空气经过鼻腔、咽部、喉头、气管、支气管后进入肺泡，并在肺泡上进行气体交换。当血液通过肺泡毛细管时，放出二氧化碳，吸收氧气。含氧的血液被输送到人体各部分，供人体组织和细胞新陈代谢用。如果生活在烟雾迷漫的环境中，空气中的有毒、有害污染物就会溶于体液或沉积在肺泡上，轻者会使上呼吸道受到刺激而有不适感，重者会引起疾病，使呼吸道和肺功能损害，引起病变。‎ 大气污染对人体健康的危害大致可分为急性中毒、慢性中毒和致畸致癌作用等三种。‎ 急性中毒发生在某些特殊条件下。例如，工厂在生产过程中发生事故，造成大量有害气体泄漏；外界气候条件突然变化等，都会引起人群的急性中毒。例如，震惊世界的伦敦烟雾事件、美国联合碳化物公司印度博帕尔市农药厂剧毒气体泄漏事件等。‎ 慢性中毒主要表现在人体长期连续地吸入低浓度的污染物导致患病率上升。二氧化硫、飘尘、氮氧化物等即使浓度很低也能刺激呼吸系统，诱发呼吸道的各种炎症。日本“四日市哮喘病”是慢性中毒的典型例子。‎ 致畸致癌作用指的是随着空气污染的加剧，空气中致畸致癌物质的含量日益增多，造成婴儿畸形和癌症的发病率增高。城市中肺癌发病率、死亡率往往高于农村就是一个典型的例子。‎ 除硫氧化物、氮氧化物、飘尘等对人体健康有很大危害外，氟化物、有毒重金属如铅、镉、锌、钛、锰、钒、钡、汞，以及砷等，都可能引起人体慢性中毒，有的可引起癌症。‎ ‎9.汽车尾气净化催化剂──三效催化剂TWC(Three-Way Catalyst)‎ 汽车尾气的主要有害成分是碳氢化合物(CnHm)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)。这三种物质对人体都有毒害，其中CnHm及NOx 在阳光及其他适宜条件下还会形成光化学烟雾，危害更大。消除汽车尾气中这些有害成分的方案主要有两种：一种是改进发动机的燃烧方式以减少有害气体的排放；另一种是采用催化转化器将尾气中的有害气体净化。首先，1975年美国在新型车上安装了催化转化器，接着日本、西欧等国家也先后采用催化转化器以满足自己国家汽车排放法规的要求。汽车催化转化器有两种类型，一种是氧化型催化反应器，使尾气中的CnHm和CO与尾气中的余氧反应，生成无害的H2O和CO2，从而达到净化目的。‎ 由于对NOx等污染物排放标准的强制化和降低燃料消耗的要求，一方面应尽量控制空燃比在14.6附近运转，另一方面应采用控制点火时间和废气再循环等方法，以减少尾气中的NOx。然而这些方法的缺点是往往会增加尾气中的CnHm和CO。为了解决这个问题，出现了三效催化剂(英文名为Three-Way Catalyst)，简称TWC。这种催化剂的特性是用一种催化剂能同时净化汽车尾气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(CnHm)和氮氧化物(NOx)，但为了发挥其催化性能，必须将空燃比经常控制在14.6±0.1附近，这种催化净化器具有较高的净化率，但需要有氧传感器、多点式燃料电子喷射、电子点火等闭路反馈系统相匹配。这种催化净化器是利用尾气中的O2、NOx为氧化剂，CO、CnHm（以CH2为代表）和H2为还原剂，在理论空燃比附近可发生如下反应：‎ ‎2CO+O2=2CO2‎ ‎2CO+2NO=N2+2CO2‎ CH2+3nNO=nN2+nCO2+nH2O ‎2NO+2H2=N2+2H2O 现在应用的三效催化剂大部分是以多孔陶瓷为载体，再附着上所谓的活化涂层(Washcoat)，最后用浸渍的方法吸附活性成分。催化剂的活性成分主要采用贵金属铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等。由于贵金属资源少、价格贵，各国科学家都在致力于研究经济上和技术上都可行的稀土/钯三效催化剂。预计这种催化剂将有很好的应用前景。‎ 三效催化净化器的优点是净化率与燃料经济性都比较好，主要问题是成本费用昂贵。由于柴油机排放的气体中残留的氧较多，使氧传感器的控制不灵敏，故三效催化净化器一般不用于柴油机，而只适用于汽油机。‎ ‎10.浓、稀硫酸氧化作用不同的原因 浓硫酸是一种氧化作用相当强的氧化剂，特别是当加热时，它的氧化性就更强了。浓硫酸的氧化作用是由于分子里有氧化数为+6的硫所引起的。‎ 加热时，绝大多数金属（Au、Pt除外）都能与浓硫酸发生反应，但都没有氢气生成。在金属活动性顺序中氢前面的金属，根据它们还原性强弱的不同，硫酸分子里氧化数为+6的硫，能被还原成不同氧化数的产物，如SO2、S和H2S等。在一般情况下，大多生成SO2。在加热情况下，当还原性强的锌与浓硫酸作用时，主要生成SO2，但往往同时有单质S和H2S生成。‎ Zn+2H2SO4(浓)ZnSO4+SO2↑+2H2O ‎3Zn+4H2SO4(浓)3ZnSO4+S↓+4H2O ‎4Zn+5H2SO4(浓)4ZnSO4+H2S↑+4H2O 金属的还原性越强，生成S和H2S的倾向就越大。在金属活动性顺序里氢以后的金属，在加热情况下与浓硫酸反应，都生成SO2，而不生成S和H2S。例如：‎ Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O 稀硫酸与活泼金属反应，能放出H2。‎ Zn+H2SO4(稀)=ZnSO4+H2↑‎ 这种氧化作用，实际上是金属与稀硫酸里电离出来的氢离子反应而引起的。因此，稀硫酸的氧化作用是一般酸类共有的性质。但氢离子只能氧化金属活动性顺序中位于氢前面的金属，如Mg、Zn、Fe等，或者说是这些活泼金属的还原性把氢离子还原了。而位于氢后面的金属，如Cu、Ag、Hg等，则不能与稀硫酸反应。‎ ‎11.硝酸的浓度和氧化能力 当硝酸与金属反应时，硝酸被还原的程度取决于酸的浓度和还原剂的强弱。对于同一种还原剂来说，酸愈稀，被还原的程度愈大。例如，铜与浓硝酸的反应中，→；而铜与稀硝酸的反应中，→。‎ 上述反应中当硝酸的浓度为8 mol/L以上时，还原的主要产物是NO2。这是因为硝酸越浓，氧化性越强，反应过程中生成的低价氮的化合物，在强的氧化气氛中不能存在，继续被氧化成高价的氮的化合物──NO2。当硝酸较稀时，它的氧化性也较弱，氮的低价氧化物能够存在，所以主要产物是NO。‎ 两者电位接近，所以在同一反应中，产生的NO和NO2的机会相近，在溶液中能达成以下平衡：‎ ‎3NO2+H2O2HNO3+NO 浓硝酸与金属反应时，最初可能生成NO，但由于硝酸浓度很大，使平衡强烈地向左移动，主要产物为NO2；当稀硝酸与金属反应时，由于硝酸浓度小，平衡向右移动，主要产物为NO。‎ 因此，我们不能简单地就浓、稀硝酸的还原产物来解释浓、稀硝酸氧化能力的强弱。‎ ‎12.硝酸与金属反应的一般规律 硝酸与金属的反应是相当复杂的。在这类氧化还原反应中，包括许多平行反应。因此，可以得到多种还原产物，而且在还原产物之间还进行氧化还原反应。‎ 某些金属（如镁、锌）与小于2 mol/L的硝酸反应时，还会产生一定量的氢气。‎ 硝酸的还原产物，除取决于硝酸的浓度、还原剂的还原能力外，还与反应温度和反应中间产物（HNO2、NO2）的催化作用有关，反应虽复杂，但硝酸与金属的反应是有规律的。‎ ‎（1）在金属活动性顺序中，位于氢后面的金属如铜、汞、银等，与浓硝酸反应时，主要得到NO2，与稀硝酸反应时，主要得到NO。‎ ‎（2）在常温下Fe、Co、Ni、Al等金属在浓硝酸中发生“钝化”，在金属表面覆盖一层致密的金属氧化物薄膜，阻止反应进一步发生。这些金属与稀硝酸作用主要生成N2O（有的认为是NO）， 这是由于它们的还原性较强，能将硝酸还原成较低价的N2O。如与更稀的硝酸反应则生成氨（钴在同样条件下则生成氮气）。‎ ‎（3）镁、锌等金属与不同浓度的硝酸作用能得到氮的不同低价态的还原产物。例如，当硝酸中HNO3的质量分数为9%～33%（密度为1.05～1‎.20 g/cm3)时，反应按下式进行：‎ ‎4Zn+10HNO3=4Zn(NO3)2+5H2O+N2O↑‎ 若硝酸更稀，反应会生成氨，氨与过量的硝酸进一步反应生成硝酸铵。‎ ‎4Zn+10HNO3=4Zn(NO3)2+NH4NO3+3H2O ‎(4)Au、Pt、Ir、Rh等重金属与浓、稀硝酸都不反应，因为它们特别稳定，不易被氧化。‎ ‎（5）Sn、Sb、W、V等金属与浓硝酸作用，生成金属氧化物，而不是硝酸盐（因为这些金属氧化物不溶于硝酸，反应不再继续发生）。‎ ‎13.氨水 氨水是无色液体，工业和农业用的氨水常因含有铁离子等杂质而显浅黄色。氨水有强烈的刺激性气味，对眼睛黏膜有强烈的刺激性，对伤口有腐蚀性。‎ 氨水的密度小于纯水的密度，最浓的氨水中NO3的质量分数为35.28%，密度为‎0.88 g/cm3。农业用氨水的质量分数一般为20%，折合含氮的质量分数为15%～17%。氨水是速效肥，施入土壤后很快被农作物吸收，不会残留有害物质，也不会影响土壤的结构和性质。氨水可以作为追肥和基肥，要深施，不能直接施在作物的茎、叶上，以防烧伤作物。氨水易分解，挥发性很大，在运输、储存和施用等环节中都要注意防止氨的挥发，以减少肥分损失。氨水对多种金属有腐蚀作用，运输、储存容器常用橡皮袋、塑料桶、陶瓷罐或涂沥青的铁桶等。‎ 氨水在医疗上用于治疗昏厥和外用消毒等，也是家庭中常用的清洁剂。‎ ‎14.氮肥 植物生长需要不断从外界摄取各种营养元素，如碳、氢、氧、氮、磷、钾、硫、钙、镁、铁、铜、锰、锌、硼、钼等。前十种元素植物需要量较多，叫大量元素；后面几种元素植物需要量很少，叫微量元素。其中碳、氢、氧可以从空气中的CO2‎ 和土壤里的水分中获得，除部分地区缺乏个别微量元素外，一般土壤里都供给有余。只是氮、磷、钾三种元素，土壤里供给不足，而植物生长时需要量又较大。因此，对这三种元素的人工施肥在农业生产上具有重要意义，所以把氮、磷、钾三种元素叫做肥料三要素。‎ 氮是形成植物细胞里原生质的主要成分──蛋白质的重要元素，也是形成核酸和叶绿素的重要元素。因此，要使庄稼生长茂盛，就不能缺少氮肥。‎ 绿色植物一般不能从空气里直接摄取它们所需要的氮，也不能从土壤里吸取复杂的含氮的有机物。植物从土壤里摄取的氮主要是铵盐和硝酸盐里的氮。‎ 土壤里的氮被植物所吸取，含氮量就会减少。同时，土壤里有些细菌能够使含氮的物质分解，使化合态的氮变为游离态的氮。另外，雨水、河水也会冲洗掉一部分土壤里的氮的化合物。这些作用都会使土壤里含氮量减少。但是，自然界里还有另外一些过程在补充着土壤里减少的氮。例如，动植物的残体腐败的时候，其中含氮的有机化合物在某些细菌的作用下，大部分转化为氨。一部分氨跟土壤里的酸如碳酸、有机酸等起反应，变成铵盐；一部分氨在硝化细菌的作用下逐渐氧化为硝酸。生成的硝酸跟土壤里的盐类（如碳酸盐）起反应变成了硝酸盐。这样，有机物里的氮就转化为铵盐和硝酸盐，回到土壤里，供植物摄取。‎ 土壤里的固氮菌和豆科植物的根部根瘤菌能够直接摄取空气里的氮气，把氮气转化为氮的化合物。这也是增加土壤里含氮量的途径之一。‎ 自然界里虽然进行着添加土壤里化合态氮的作用，但仍不能满足农业增产、高产的需要，我们必须采取各种方法如施用氮肥、细菌肥料、轮种豆科作物等，来增加土壤里的氮，提高土壤的肥力。‎ 氮肥可以根据它们的来源分为农家氮肥和化学氮肥两类。农家氮肥有厩肥、饼肥等；化学氮肥有硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵、氨水和尿素等。‎ 氮肥是速效肥料。在用氮肥作追肥时，应考虑作物发育状况，如在开花期，一般作物都需要消耗大量的氮肥，因此必须在开花以前追以足量的氮肥。而在成熟期应避免增施氮肥。还必须指出，氮肥的施用必须跟磷、钾等肥料配合，才能达到增产的目的。‎ 氮肥也可以根据它们的化合形态分为：①铵态氮肥（含铵根的），如硫酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、氨水，以及较少情况下用的氯化铵；②硝酸态氮肥（含有硝酸根的），如硝酸钾、硝酸钙；③酰胺态氮肥（含有CONH2基的），如尿素〔CO（NH2)2〕；④蛋白质态氮肥（氮主要以蛋白质形态存在），如厩肥、饼肥等。前两类氮肥能直接供农作物吸收利用，后两类氮肥要分解转化为铵态氮或硝酸态氮后才能产生肥效。‎ 现把几种主要氮肥的性质及施用、保存方法列于表4-2中。‎ 表 4-2  一些主要氮肥的性质和施用、保存方法 ‎  ‎ 肥料 类型 名称 化学式 性状 含氮量 ‎（氮的质 量分数）‎ 水溶性 熔点 施用和保 存方法   ‎ 铵态 氮肥 ‎ ‎ 硫酸铵 ‎ ‎（NH4)2SO4‎ 白色晶体，微粒 ‎20%～21% ‎ 易溶 ‎ ‎235 ℃‎ 分解 ‎ 稳定固体，可撒施 氯化铵 ‎ ‎ NH4Cl 白色晶体，微粒 ‎24%‎ 易溶 ‎340 ℃‎ 升华 同上 ‎ 碳酸 氢铵 NH4HCO3 ‎ 白色晶体，易分解、挥发  ‎ ‎16%～17%‎ 能溶 ‎ ‎36～60 ℃‎ 分解 用时应深施覆土。保存时应密封存放在干燥阴凉处   ‎ 硝酸铵 ‎ ‎ NH4NO3‎ 白色晶体，微粒 ‎ ‎34%～35%  ‎ 易溶 ‎169.6 ℃‎ 稳定固体，可撒施   ‎ 氨水 NH3·H2O 无色到黄色水溶液，有刺激性气味 ‎16%～17%  ‎ 和水可以任何比率混合 ‎ ‎   ‎ 易挥发，有碱性和腐蚀性，使用时要稀释，施后应覆土或穴施   ‎ 硝酸态氮肥 ‎ 硝酸钙 ‎ ‎ Ca(NO3)2‎ 白色晶体，微粒 ‎ ‎17%‎ 易溶 ‎561 ℃‎‎    ‎ 易吸潮结块，稳定，可撒施 ‎ 硝酸钾 KNO3‎ 白色晶体，微粒 ‎14%（含K 39%）‎ 易溶  ‎ ‎334 ℃‎‎  ‎ 稳定，可撒施   ‎ 酰铵态氮肥 ‎ 尿素 CO（NH2)2 ‎ 白色晶体，微粒 ‎ ‎42%～46%‎ 微溶 ‎ ‎132.7 ℃‎‎  ‎ 稳定，可撒施或深施 ‎ 当在土壤中施用硫酸铵时，由于植物吸收NH+4比SO2-4快且数量多，最后硫酸根留在土壤里，使土壤的酸性增加。所以，长期施用硫酸铵，会使土壤板结硬化。‎ 由于氯化铵中的Cl-会降低烟草的燃烧性，使烟草味道变坏，而且Cl-也会使薯类的淀粉含量降低，因此NH4Cl不适用于糖类、淀粉作物及烟草等。‎ 硝酸铵既含有硝酸态氮又含有铵态氮，都易被植物吸收，是含氮量较高的氮肥，但NO3-容易流失，特别在水田里施用更易流失。‎ 碳酸氢铵跟硫酸铵的肥效相近，因为它不含硫酸根，不会使土壤变酸性。碳酸氢铵容易分解。‎ 液氨和氨水也是很好的氮肥。如果施用得法，肥效跟硫酸铵大致相同。但施用时不能跟种子和茎叶接触，以防止烧伤。氨水施入土壤后，氨水里的NH+4一部分可被植物直接吸收，另一部分被土壤吸收，然后逐渐供给作物，或在硝化细菌的作用下，转变为硝酸根，再被作物吸收。由于在稻田施用氨水能杀死鱼蟹，因此在这种情况下，不宜施用氨水作肥料。‎ 尿素是目前含氮量最高的固体氮肥。它不能直接被植物吸收，但在土壤细菌的作用下，尿素转变为碳酸铵后，能被植物吸收。经常施用尿素，对土壤没有不良影响。‎ 科学家谈化学 展望化学之未来：挑战和机遇 唐有祺 近代化学发轫于18世纪和19世纪之交提出的元素学说和原子学说。此前多少个世纪都曾进行过与化学有关的实践，从事物质转化的探索，其中最有影响的是追求长生不死的炼丹术和热衷于发财致富的炼金术。这些实践及其目标都带有极大的盲目性和狭隘性。在科学发达的今天看来，长生不死显然是不可能的，而炼金术者向往的是一种改变化学元素的人工核反应。它们不可能成功，但在医药化学和冶金化学方面也曾积累过点滴原始资料，并从盲目实践所得的教训中终于转向对物质组成的探索。‎ 从19世纪初起，化学进入了持续至今以原子论为主线的新时期。1860年化学又理顺了当量与原子量的关系，改正了化学式和分子式，从而使原子论得以确立。从此，化学的发展越来越顺当。奠定近代化学总体的理论基础是原子-分子论，简称原子论。它指明：不同元素代表不同原子；原子在空间按一定方式或结构结合成分子；分子的结构决定其性能；分子进一步集聚成物体。这个理论的内涵随着化学的发展不断深化和扩展。‎ 在自然科学的各个分支中，化学是侧重在原子-分子水平上研究物质的组成、结构和性能及其相互转化的学科。在这种称为化学反应或化学过程的转化中，原子相互结合的方式或分子的结构是要改变的。从天然资源制取所需物资一般都要通过化学过程，从而出现基于化学的种种产业。化学过程的重要性还在于它们普遍进行于包括生物界在内的大自然中。迄今能源工业在很大程度上仍有赖于化学过程。‎ 回顾我国开发天然资源以满足人民生活需求的情况，当不难体会化学在解决亿万人民温饱问题中的作用。基于化学的产业要从天然资源中制取大量化肥、农药、农膜以及钢铁、塑料和水泥等原材料，并生产大量合成纤维和橡胶以补农林业之不足。能源开发以及医药卫生也离不开化学。总之，要使生活所需的衣食住行以及医药等物资越来越富足，很难离开化学所能发挥的直接或间接的作用。化学是分工负责物质在分子层次上变化的学科。化学掌管着百来个元素，而且还在不断耕耘周期系和整理天然产物，从而发现的化合物几乎每10年要翻上一番。现在化学手中的百来个元素和二千万上下化学物种是当今人类所能依赖的物质宝库。它们能满足人类的物资需求。人类对物资的需求，不论在质量和数量上总是要不断发展的。围绕这个需求的核心基础学科是化学。即此一端，就会对化学提供无穷无尽的问题和动力以及造福人类的永恒机会。‎ 在包括经济、文化、科技和教育在内的社会需求的驱使下，化学学科之发展仍有赖于其他学科和一系列新技术的推动，其中化学与物理的关系特别密切。它们早期曾有过约定俗成的分工。分工的要点是化学要追究物质的组成，而物理在研究中则要回避物质组成的变化。这种分工曾是双方乐意的，并且也取得了种瓜得瓜、种豆得豆的效果。迷恋于追究物质组成的化学在19世纪建成了原子-分子理论，发现和合成了大量化合物，揭示了元素周期律和碳原子价键的四面体向等重大规律。从此，对物质世界的认识大为深入而开阔。这些进展为天然资源的开发提供了科学依据。但化学若要对物质的认识再深入一步就需要迎接外来的契机了。幸好摆弄热、声、光、电、磁等效应的经典物理也已取得了累累成果，为机电工业奠立了科学基础，并从19世纪末起又在揭示原子内部结构和波-粒二象性中将牛顿力学发展为量子力学，使物理学进入近代物理时期。近代物理对化学的发展不论在实验和理论上都提供了新的起点。化学与生物学和矿物学等学科也有很深的渊源关系。生物学在19世纪后半期接连出现了进化论、遗传定律和细胞学说等突破性进展，如果要在此基础上进一步发展，特别是要更多地揭示生命的共性和本质，极大限度地消除其神秘色彩以及解决农业和医药方面的问题，就必须从化学方面来研究生命和生物体，并将认识的层次逐渐从细胞过渡到分子水平。化学当时的发展水平正足以迎接这样的挑战，生物化学得以应运而生。化学学科在发展中除了满足社会对它提出的需求外，也对其他学科和技术的发展给予了丰硕的回报。‎ 化学在最近半个世纪中，新的需求不但使自身及其各个分支取得了很大进展，而且还在分子生物学和材料科学等新学科的奠立上起了十分积极的作用，同时还迎来了计算机、激光、磁共振、新材料和重组DNA技术等新事物以及新的发展机会。在这个时期中，化学在认识原子结合成分子的方式、依据和规律方面已日趋深入而系统。这个进展足以代表化学学科为其他学科和技术的发展所作回报的一个方面。体系的结构和过程的机制是化学研究中需要探索的两个带有普遍性的阶段性目标。在此激光、分子束和脉冲等技术大显神通的时代，化学动力学和动态学也都取得了重大进展。此外，高分子化学、有机化学、无机化学和分析化学等分支学科也取得了无愧于时代的重大发展。‎ 化学学科的核心任务或今后长远的努力方向大体上可归纳成3个方面：（1）开展化学反应的基础研究，以利开发新化学过程；（2）揭示组成-结构-性能之间关系和有关规律，以利设计分子或结构和创造新物质；（3）利用新技术和新原理强化分析和测试方法的威力，使化学工作的耳目趋于灵敏和可靠。‎ 展望今后，化学将一如既往，积极参与材料科学和分子生物学的发展。这两个领域与化学处在同一个物质结构层次上，可以分享很大一部分原理和方法学，而且涉及的是光电子、信息通信以及健康和福利等新兴产业。‎ 在21世纪中，化学在能源和环境产业中也当大有可为。目前环境治理问题已经刻不容缓。对于防治大气和水污染以及处理污水，化学不但有用武之地，而且还有解铃还须系铃人的关系。化学界已对绿色工艺十分重视。环境问题在很大程度上也与能源结构密切相关。当前的能源结构不可能持续很久。利用太阳能发电和制氢以及回收CO2都是化学与有关学科需要一起解决的重要问题。在能源和环境产业中，电化学在解决化学能源问题和催化化学在发展绿色工艺方面都将起到极为重要的作用。‎ 我很同意国外有人这样展望化学的未来：“除了继续培育化学中的核心学科外，在今后25年中，化学家还将揭示生物学中的很多奥秘，并创造出具有神奇性能的物质。”‎ 在最近15年中，新物质的创制确实是很可观的，其中最为突出的要推一系列高Tc超导氧化物和以C60为代表的富勒烯类物质。金属有机物和分子筛等的合成化学也有值得注目的进展。化学家肯定还会在生命科学的发展中继续作出重要贡献。‎ 我们还应该想到事情的另外一方面。我们要看到，生命过程在本质上是化学过程，但我们所熟悉的化学过程一般还远远不如生命过程那样平易而高效。在化学学科中化学反应和创造新物质的研究无疑是具有核心地位的。‎ 现在已有很多蛋白质，如酶和红蛋白等，在生物体中发挥作用的机制可以通过其结构予以揭示和理解。在生物体中，化学反应都是在酶分子上进行的。酶分子为生命过程充当着高度专一的高效催化剂。作为生命“蓝图”的基因谱实际上依附于由DNA构成的染色体，它们首先为能使生命过程顺利进行的各种酶分子提供了设计。染色体中也包含了合成其他功能蛋白质所需的信息。在蛋白质中，两种红蛋白，即血红和肌红蛋白的结构测定得最早，功能与结构的关系也了解得最为深入。它们是为脊椎动物分别执行输氧和储氧功能的蛋白质，其设计之巧妙令人惊异。酶分子和其他功能蛋白质分子在执行其所承担的任务时简直是万无一失的。它们已被恰当地称为分子机器。运转生命过程所需的酶分子和其他功能蛋白质分子或几乎全部分子机器，其设计都存放在通过长期演化所得的染色体中。‎ 在理解这些设计及其作用机制后，人们学会了借用和模拟这些设计和有关机制的本领。在20世纪70年代早期首先发展了重组DNA技术，并已成为制备或生产蛋白质的新方法。20世纪80年代出现了生产单克隆抗体的技术后，不久人们记起了Pauling早在20世纪40年代说过的话：“酶可以认为是一个能专一地识别其反应过渡态的抗体”。这样就逐渐形成了催化抗体的想法：若要为某个反应找一个像酶这样的催化剂，只需为这个反应的过渡态克隆出抗体来，但过渡态是反应分子在关键部位上有了畸变的活化了的分子，是不稳定的，从而需要找一个在形状和结合力等方面可以做上述活化分子替身的稳定分子来做抗原。‎ 在考虑开发新化学过程时，对选择性的要求是很严峻的。现在越来越意识到反应的原子经济性也必须严格要求。化学反应的这些品格都会通过经济和环境等因素涉及到社会的持续发展问题。在观摩和欣赏以及认真钻研生命过程的同时，也要有点“与其临渊羡鱼，不如退而结网”的想法，从而也不可无视自己的优势，即在实验室或体外开发化学过程的优势。首先，可供选择的反应条件和方法的范围，要比生命过程或生物体内开阔得多。除温度和压力等条件外，激光等新技术的应用更是值得重视的因素。更有甚者，化学家可以“驰骋”在整个元素周期系中，得出大量别开生面的新物质，供他们驱使。实际上，随着金属有机物、分子筛和氧化物载体等物质的设计和合成越来越得心应手，催化化学等学科在挑战面前赢得机会的条件也越来越好了。‎ 最近几年，我出于个人兴趣，注意到John A.Ewen所做的关于乙烯和丙烯催化聚合的工作。Ziegler-Natta催化剂发现于20世纪50年代，是一个烷基铝与三氯化钛固体的混合物，可在低压下生产聚乙烯和聚丙烯，但对催化剂中金属原子周围的结构以及作用机制一直猜想多于知识，从而对所得聚合物的结构和性能难于调控。20世纪60年代，P.Cossee为钛原子周围设定了合理的配位和原子间距离等几何学参数，然后通过分子轨道计算，并从能力学角度来比较各种反应历程的能量，得以提出乙烯聚合中链增长的顺位插入机制。这个机制让人设想一台在分子水平上起作用的“纺车”（或称分子纺车），增长中的链与单体分子往复于两个顺式配位之间。‎ 当时文献中已有工作指明，在与环戊二烯的络合物中金属原子带有正电荷，其性能当与Ziegler-Natta催化剂中的基本一致。John A. Ewen在这些工作的基础上，将二环戊二烯及其衍生物与钛等金属原子的络合物开发成为聚合乙烯和丙烯的催化剂，并称之为小分子机器。通过对两个环戊二烯分子之间结构和对称性的安排，调控了聚乙烯链的支化和聚丙烯侧链的定向，并取得了效益。他还从两个环戊二烯分子之间安排不同对称性得出了聚丙烯侧链的两种定向，正足以证实Cossee所提的单体分子往复于两个顺式配位之间的顺位插入机制。这种机制可图示如下：‎ 式中［（CP)2］代表二环戊二烯及其衍生物，R′基要比R基增长一个单体，等等。Ewen的工作一箭双雕，既弄清楚了催化剂的作用机制，也解决了聚乙烯支化和聚丙烯定向的调控问题。‎ 今日化学何去何从？‎ 徐光宪 今日化学何去何从？对于这个问题有两种回答：第一种回答：化学已有200余年的历史，是一门成熟的老科学，现在发展的前途不大了；21世纪的化学没有什么可搞了，将在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡。第二种回答：20世纪的化学取得了辉煌的成就，21世纪的化学将在与物理学、生命科学、材料科学、信息科学、能源、环境、海洋、空间科学的相互交叉，相互渗透，相互促进中共同大发展。本文主张第二种回答。‎ 一、20世纪化学取得的空前辉煌成就并未获得社会应有的认同 在20世纪的100年中，化学与化工取得了空前辉煌的成就。这个“空前辉煌”可以用一个数字来表达，就是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。经过45年翻了一番，到1945年达到110万种。再经过25年，又翻一番，到1970年为236.7万种。以后新化合物增长的速度大大加快，每隔10年翻一番，到‎1999年12月31日已达2 340万种。所以在这100年中，化学合成和分离了2 285万种新化合物、新药物、新材料、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要，而在1900年前的历史长河中人们只知道55万种。从上面的数字还可以看出，化学是以指数函数的形式向前发展的。没有一门其他科学能像化学那样在过去的100年中创造出如此众多的新化合物。这个成就用“空前辉煌”来描述并不过分。但“化学家太谦虚”（这句话是Nature杂志在2001年的评论中说的，参见文献［1］），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。‎ 二、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。这些都是无可争辩的事实。‎ 但化学和化工界非常谦虚，从来不提抗议。我们应该理直气壮地大力宣传20世纪发明了七大技术，即化学合成（包括分离）技术和上述六大技术。这七大技术发明可以按照人类需要的迫切性和由它们衍生的产业规模的大小来排序：‎ ‎（1）从人类对七大技术发明的需要迫切性来看，化学合成和分离技术应当排名第一，已如前述，因为它是人类生存的绝对需要，没有它，全世界一半人口要饿死。它还为其余六大技术发明提供了不可或缺的物质基础。国外传媒把哈勃（Haber）的合成氨技术（Haber process）评为20世纪最重要的发明，是很有道理的。‎ 排名第二的是信息技术，第三是生物技术，以下依次是航空航天技术，核技术，纳米技术和激光技术。也许有人会问汽车产业不是比飞机还重要吗？但第一辆内燃机汽车是德国人在1886年发明的，所以汽车、火车、炼钢等都是19世纪发明的重大技术。而合成氨技术是哈勃在1909年发明，在1918年因而获得诺贝尔化学奖。高分子合成技术是20世纪50年代发展起来的。新药物、新材料的合成更是近50年的事。因此合成化学技术是20世纪的重大发明。‎ ‎（2）从20世纪的七大技术发明衍生的产业规模及其对世界经济的影响来看，排名次序如下：第一是信息产业，第二是由化学合成（包括分离）技术衍生的石油化工、精细化工、高分子化工和药物、农药工业等产业，以及从空气中分离出氧气和氮气，从电解水中分离出氢气，作为电动汽车的燃料，为解决将来水资源缺少的海水淡化产业等。‎ 第三是飞机、航天、人造卫星及导弹产业，第四是核电站和核工业。这4个产业都是非常大的产业。其中在核产业中，有很大一部分是化工产业，如核燃料的前处理和后处理工业，重氢、重水工业、稀有元素冶炼工业等，又如信息产业和航空航天导弹卫星产业中，都依靠冶金、稀有元素冶炼和高分子等化学合成产业。‎ 相对于前述4个产业而言，排在第五的生物技术产业、排在第六的纳米技术产业和排在第七的激光技术产业这3个现在还是小产业。其中纳米产业实际上是化学家发明C60等巴基球和碳纳米管等衍生出来的合成化学产业，以及用各种方法把化学物质制成纳米尺度的合成产业。‎ 所以20世纪和21世纪上半叶理应称为信息和化学合成时代，要到21世纪下半叶才能称为生物技术时代，因为目前生物技术的实际应用和产业规模还很小，远远不及信息产业和合成化工产业。‎ 三、化学是一门中心科学 化学是一门中心科学，化学与生命、材料等八大朝阳科学有非常密切的联系，产生了许多重要的交叉学科，但化学作为中心学科的形象反而被其交叉学科的巨大成就所埋没。‎ ‎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。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂，除了用本门科学的方法以外，如果借用上游科学的理论和方法，往往可收事半功倍之效。化学是中心科学，是从上游到下游的必经之地，永远不会像有些人估计的那样将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡。‎ ‎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。我国高分子化学家胡亚东教授最近发表文章指出：高分子化学的发展使我们的生活基本被高分子产品所包围。化学又为前述六大技术提供了必需的物质基础。‎ ‎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。‎ 化学与八大朝阳科学之间产生了许多重要的交叉学科，但化学家非常谦虚，在交叉学科中放弃冠名权。例如“生物化学”被称为“分子生物学”，“生物大分子的结构化学”被称为“结构生物学”，“生物大分子的物理化学”被称为“生物物理学”，“固体化学”被称为“凝聚态物理学”，溶液理论、胶体化学被称为“软物质物理学”，量子化学被称为“原子分子物理学”等。‎ 又如人类基因计划的主要内容之一实际上是基因测序的分析化学和凝胶色层等分离化学，但社会上只知道基因学，看不到化学家在其中有什么作用。再如分子晶体管、分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的，但开创这方面研究的化学家却不提出“化学器件学”这一新名词，而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景，并称之为“分子电子学”。‎ 又如化学家合成了巴基球C60，于1996年被授予诺贝尔化学奖，后来化学家又做了大量研究工作，合成了碳纳米管。但是许多由这一发明所带来的研究被人们当作应用物理学或纳米科学的贡献。‎ 内行人知道分子生物学正是生物化学的发展。在这个交叉领域里化学家与生物学家共同奋斗，把科学推向前进。但在中学生或外行看来，“分子生物学”中“化学”一词消失了，觉得化学的领域越来越小，几乎要在生物学与物理学的夹缝中消亡。‎ 这样，化学这门重要的中心科学（central science）反而被社会看作是伴娘科学（bridesmaid science）而不受重视。世界著名的Nature杂志也为化学家鸣不平，在2001年 发表了社论说：“化学的形象被其交叉学科的成功所埋没”。但化学家仍然很谦虚，居然不喊不叫也不抱怨。化学家的谦虚本是美德，但因此而在社会上造成化学是落日科学（sunset science）的印象，吸引不到优秀的年轻学生，这个问题就大了。‎ 四、化学有没有理论 有人说：“化学没有理论，只是一堆白菜，21世纪的化学没有什么可搞的了”。这也是化学不被认同的理由之一。对于这个问题，我国著名化学家唐敖庆院士有很好的回答，他指出19世纪的化学有三大理论成就：‎ ‎1.经典原子分子论，包括建筑在定比、倍比和当量定律基础上的道尔顿原子论，以及包括碳4价及开库勒提出的苯分子结构等工作为中心内容的分子结构和原子价理论。‎ ‎2.门捷列夫的化学元素周期律。‎ ‎3.C.M.古尔德贝格和P.瓦格提出的质量作用定律是宏观化学反应动力学的基础。‎ 道尔顿的原子论和门捷列夫的化学元素周期律对于20世纪玻尔建立原子的壳层结构模型具有十分重要的借鉴作用。所以化学和物理学这两个姐妹学科是互相促进的。‎ ‎20世纪的化学也有三大理论成就：‎ ‎1.化学热力学，可以判断化学反应的方向，提出化学平衡和相平衡理论。‎ ‎2.量子化学和化学键理论，量子化学家鲍林提出的氢键理论和蛋白质分子的螺旋结构模型，为1953年沃生和克里克提出DNA分子的双螺旋模型奠定了基础，后者又为破解遗传密码奠定基础。所以化学与生物学也是互相促进的。‎ ‎3.20世纪60年代发展起来的分子反应动态学。‎ 没有这三大理论，要取得合成2 285万种化合物的辉煌成就是不可能的。因此，“化学没有理论，只是一堆白菜”的说法，是不公正的。‎ 到了21世纪，世界数学家协会提出七大数学难题，筹集了700万美元，悬赏100万美元给每一个难题的解决者。‎ 物理学提出了五大理论难题：‎ ‎1.4种作用力场的统一问题，相对论和量子力学的统一问题。‎ ‎2.对称性破缺问题。‎ ‎3.占宇宙总质量90%的暗物质是什么的问题。‎ ‎4.黑洞和类星体问题。‎ ‎5.夸克禁闭问题等。‎ ‎21世纪的生物学也有重大难题和奋斗目标：‎ ‎1.后基因组学和人类疾病的消除。‎ ‎2.蛋白质组学。‎ ‎3.脑科学。‎ ‎4.生物如何进化？生命如何起源等。‎ 但化学家又比较谦虚，好像没有人明确提出哪些是化学要解决的世纪难题。这样与物理学和生物学相比，就会显得化学没有什么伟大的目标了。其实化学家心目中是有自己的奋斗目标的，只是不愿多说。但这又造成“化学无理论”的错误印象。这是近年来在世界范围内出现的淡化化学的思潮的主观原因之一。那么化学果真提不出重大难题吗？作者曾经初步提出21世纪化学有四大难题。‎ 五、21世纪化学的四大难题 ‎1.化学的第一根本规律（第一个世纪难题）：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。‎ 化学是研究化学变化的科学，所以化学反应理论和定律是化学的第一根本规律。19世纪C.M.古尔德贝格和P.瓦格提出的质量作用定律，是最重要的化学定律之一，但它是经验的、宏观的定律。‎ H.艾林的绝对反应速度理论是建筑在过渡态、活化能和统计力学基础上的半经验理论。过渡态、活化能和势能面等都是根据不含时间的薛定谔第一方程来计算的。所谓反应途径是按照势能面的最低点来描绘的。这一理论和提出的新概念虽然非常有用，但却是不彻底的半经验理论。‎ 近年来发展了含时Hartree-Fock方法，含时密度泛函理论方法，以酉群相干态为基础的电子-原子核运动方程理论，波包动力学理论等。但目前这些理论方法对描述复杂化学体系还有困难。‎ 所以建立严格彻底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？等等，是21世纪化学应该解决的第一个难题。‎ ‎2.化学的第二个世纪难题：分子结构及其和性能的定量关系。‎ 这里“结构”和“性能”是广义的，前者包含构型、构象、手性、粒度、形状和形貌等，后者包含物理、化学和功能性质以及生物和生理活性等。虽然W.Kohn从理论上证明一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质，但实际计算困难很多，现在对结构和性能的定量关系的了解，还远远不够。要大力发展密度泛函理论和其他计算方法。这是21世纪化学的第二个重大难题。例如：‎ ‎① 如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？‎ ‎② 如何使宏观材料达到微观化学键的强度？例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个数量级，但还远未达到金属-金属键的强度，所以增加金属材料强度的潜力是很大的。又如目前高分子纤维达到的强度要比高分子中的共价键的强度小两个数量级。这就向人们提出如何挑战材料强度极限的大难题。‎ ‎③ 溶液结构和溶剂效应对于性能的影响。‎ ‎④ 具有单分子和多分子层的膜结构和性能的关系。以上各方面是化学的第二个根本问题，其迫切性可能比第一个问题更大，因为它是解决分子设计和实用问题的关键。‎ ‎3.化学的第三个世纪难题：生命现象中的化学机理问题。‎ 充分认识和彻底了解人类和生物体内分子的运动规律，无疑是21世纪化学亟待解决的重大难题之一。例如：‎ ‎① 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。‎ ‎② 化学遗传学为哈佛大学化学教授Schreiber所创建。他的小组合成某些小分子，使之与蛋白质结合，并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能，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。因此小分子配体与生物大分子受体的相互作用的机理，是一个重大的理论化学问题，值得人们关注。‎ ‎③ 光合作用的机理──活分子催化剂叶绿素如何利用太阳能把很稳定的CO2和H2O分子的化学键打开，合成碳水化合物［CH2O]n，并放出氧气，供人类和其他动物使用。‎ ‎④ 生物固氮作用的机理。‎ ‎⑤ 搞清楚牛、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。‎ ‎⑥ 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21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。‎ ‎⑦ 了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。‎ ‎⑧ 了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。‎ ‎⑨ 如何实现从生物分子（biomolecules）到分子生命（molecular life）的飞跃？如何制造活的分子（make life），跨越从化学进化到生物进化的鸿沟。‎ ‎⑩ 蛋白质和DNA的理论研究。‎ ‎4.化学的第四个世纪难题：纳米尺度的基本规律。‎ 当尺度在十分之几到10 nm的量级，正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界（fuzzy boundary）中，有许多新的奇异特性和新的效应，新的规律和重要应用，值得理论化学家去探索研究。下面举例说明纳米效应：‎ ‎① 如以银的熔点和银粒子的尺度作图，则当粒子尺度在150 nm以上时，熔点不变，为‎960.3 ℃‎，即通常的熔点。以后熔点随尺度变小而下降，到5 nm时为‎100 ℃‎。又如金的熔点为1 ‎063 ℃‎,纳米金的熔化温度却降至‎330 ℃‎。在纳米尺度，热运动的涨落和布朗运动将起重要的作用。因此许多热力学性质，包括相变和“集体现象”（collective phenomena）如铁磁性、铁电性、超导性和熔点等都与粒子尺度有重要的关系。‎ ‎② 纳米粒子的比表面很大，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‎600 ℃‎降至室温。这一现象为新型常温催化剂的研制提供了基础，有非常重要的应用前景。纳米催化剂能否降低反应活化能？这是值得研究的一个理论问题。‎ ‎③ 当代信息技术的发展，推动了纳米尺度磁性(nanoscale magnetism）的研究。‎ ‎④ 电子或声子的特征散射长度，即平均自由程，在纳米量级。当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时，电流或热的传递方式就发生质的改变。‎ ‎⑤ 与微粒运动的动量p=mV相对应的de Broglie波长l=h/p，通常也在纳米量级，由此产生许多所谓“量子点”（quantum dots）的新现象。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。‎ 六、化学家缺少品牌意识，没有在社会上树立化学的美好品牌 化学没有树立品牌，化学与化工被认为是污染源，这也是缺少生源的原因之一。其实，造成环境污染的不仅仅是化学，更重要的是森林破坏，水土流失，沙漠化和沙尘暴，汽车尾气排放，煤燃烧等。而分析、监测、治理环境污染的正是化学家。化学家已提出绿色化学的奋斗目标。化学家不但要认识世界、改造世界，还要保护世界。‎ 中国化学的发展与展望 白春礼 化学是一门实用的中心学科，它与数学、物理学等学科共同成为当代自然科学迅猛发展的基础。化学的核心知识已经应用于自然科学的方方面面，与其他学科相辅相成，构成了创造自然、改造自然的强大力量。‎ 一、50年来我国化学学科的发展历程与成就 中国的近代化学在明末清初由欧洲传入，而明显的发展则开始于20世纪20年代，特别是1932年中国化学会成立以后。中国现代化学的迅速发展则是建国以后的事。‎ ‎1.发展历程 我国化学在建国以来的发展，大致可以分为4个阶段。‎ ‎（1）第一阶段（1949～1955年）‎ ‎1949年，新成立的中国科学院的21个研究所中，有物理化学研究所（上海）和有机化学研究所（上海）。至1956年科学院化学类研究所已有4个，分别是有机所、大化所、应化所和化学所。当时高等院校也有一支研究力量，在中国化学会主办的《化学学报》上1954～1957年共发表论文215篇，其中高等院校的成果就有104篇。‎ 新中国成立后，有机化学方面：利用我国生物资源开展天然产物化学（尤其是中草药）的研究、合成抗生素类药物和甾体激素；物理化学方面开展了量子化学、晶体化学、热化学、胶体化学等方面的研究。‎ 我国的无机合成工作是以工业生产为先导的，1953年对侯德榜改进和发展的制碱法进行了生产规模的设计，1964年开始推广。除了制酸、氯碱和肥料工业获得大规模发展之外，我国已能对60多种元素的化合物进行不同规模的生产，品种近400种。‎ 我国分析工作者在着重建立和改进经典分析方法（化学分析）的同时，开始发展仪器分析方法，白手起家，建成了包括无机、微量有机的定性定量分析在内的相当完整的科研体系和有效的化学分析方法，如同位素分析方法的建立。‎ 建国初期对微量和半微量定性分析进行了较多的研究。在50年代末和60年代初即开始研究超微量分析，同时改进了基于燃烧的各种测定方法。‎ 为了尽快地进行经济建设，完成国家的工业化，在“任务带学科”的发展方针指导下，一些新的学科从无到有地建立起来，高分子就是一个代表。‎ ‎1952年，国家交给中国科学院有机化学研究所两项任务：聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）与聚己内酰胺（卡普纶，今名锦纶）的试制与工业化数据。这两项都属于高分子化学，成为中国早期的高分子工业。1953年，中国科学院成立全国性的高分子化合物委员会，负责规划、安排、协调全国高分子科研和生产工作，并于1954年召开了全国第一次高分子学术会议，宣读研究论文30余篇。‎ 中国的元素有机化学也是50年代才建立和发展起来的，主要由中国科学院、中国医学科学院和各高等学校分别担负。在最初几年里，结合恢复国民经济的任务，元素有机化学主要在3个方面做了工作。一是结合消灭血吸虫病的任务，制备锑有机化合物，1950～1957年间，先后应用酒石酸锑钾治疗血吸虫病患者76万人，治愈率达90%，应用葡萄糖酸锑钠治疗黑热病患者60万人，永久治愈率达97.4%；二是结合农业药剂研究有机磷化合物，1950年北京农业大学合成了1605农药，改良了国际上通用的生产方法，并于1951年进行小批量生产；第三方面是为了满足中国工业生产发展对新材料的需要，开展了有机硅单体及聚合物合成的研究。‎ 解放后开始建立起合成橡胶、合成纤维和有机玻璃的化学工业。‎ 据统计，到1955年，在专门的化学类学术刊物上发表的论文中，有机化学、药物化学占48.5%，物理化学占14.2%，分析化学占20.9%，生物化学等占13.4%，而无机化学仅占3%。这些数字反映着当时中国的化学研究在不同领域内大致的发展状况。‎ ‎（2）第二阶段（1956～1966年）‎ ‎1956年，国务院着手编制中国的第一个科学技术发展规划《1956年至1967年科学技术发展远景规划》，对我国化学的发展起了极大的推动作用。这一时期，科学院又分别在广州、成都、兰州、新疆、青海、北京、上海、山西、福建等地新建了9个新的化学类研究所。重视基础研究与完成国家急需的重大应用任务相结合，是这一时期我国化学发展的一个重要特点。‎ ‎12年规划提出了要加强高分子学科的建设，为满足高新尖端技术的需要而进行特种高分子的研究工作被提上了日程。1958年中国科学技术大学在世界上率先建立了高分子科学系（下设高分子物理和高分子化学两个专业），对推动我国高分子科学事业的发展起到了重要的作用。1960年中国科学院化学所组建了我国第一个高分子物理研究室，同时长春应用化学研究所以合成橡胶结构表征、黏弹性和加工为目标开展研究，为我国高分子工业的初创和发展作出重要贡献。在此时期高分子科研工作者不仅合成了国外已有的品种，也合成了一些具有我国特色的新的品种。‎ 有机化学研究的主要内容是对天然产物的提取、分离与分析。其中，由有机化学家参与的具有生物活性结晶牛胰岛素的全合成，成为这一时期有机化学发展的代表之作。‎ 无机化学研究不再单纯以无机原料的分析和定性测定为发展方向，而转入对无机化合物进行较系统的定量的和基础理论的研究，在无机合成、配位化学和稀有元素三方面的研究取得很大进展。‎ 生物无机化学产生于20世纪60年代，近30年来我国在这一领域研究日益广泛，尤其是近20年来取得重大进展，如通过对铂配合物与生物分子作用的研究，揭示了顺铂配合物的抗癌机理；发现了离子与人血白蛋白结合，诱导血清白蛋白产生交联缔合；还研究了稀土对单核苷酸及DNA的断裂作用等等。‎ ‎（3）第三阶段（1966～1976年）‎ ‎1966年开始了“文化大革命”，科学技术事业受到严重摧残。到1975年基础理论研究几乎全部停止，研究人员流散各地，全国的科学技术事业完全瘫痪。‎ 尽管如此，仍有一部分化学工作者在坚持研究，利用有限的条件做一点力所能及的工作。卢嘉锡、蔡启瑞一直在做生物固氮模型；酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成的工作在国际生物有机化学界产生了影响。聚丙烯纤维、封装材料等方面研究工作取得一系列较有影响的成果。而70年代初丁烯氧化脱氢制丁二烯以及与之配套的顺丁橡胶生产工艺，是我国独立自主进行化工过程开发应用的一个典范，对我国的化工生产和材料合成有着深远的意义。‎ ‎（4）第四阶段（1976年以后）‎ ‎1978年，全国科学大会的召开，成为“科学的春天”到来的标志，但是，国内的科学研究已封闭了10年之久，对国际化学发展状况所知甚少，研究方法仍是在沿袭以前的传统，进展缓慢，各分支学科均陆续进入了一个调整期。‎ ‎1983年国家编制了《1986年至2000年中国科学技术发展长远规划》，其中的五项任务之一是抓好一批重点基础研究项目。在这一思想的指导下，化学科学的基础性研究工作有了新的部署，如开展了金属有机化学、物理有机化学、络合物化学、静态与动态结构化学、分子反应动力学、表面化学（特别是固体表面化学）、光化学（包括非线性激光化学）、与发展各种新材料有关的高分子化学与物理以及无机固体化学等方面的基础研究工作，以填补过去的空白。‎ 经过70年代末到90年代初的调整与发展，我国的化学学科已比较完善，研究方向已基本明确，为90年代以后的全面发展奠定了较为坚实的基础。据统计，1985年我国化学界共发表论文11 906篇，仅占世界化学论文总数的2.6%，居第9位；而且其中仅有1 374篇是以外文发表。如果以外文发表的论文看作是进入国际交流的论文，那么日本是我国的22倍以上。由此可以看出当时我国化学界的总体水平。化学界开始注重提拔年轻人才，新培养的和出国留学归来的年轻研究人员逐渐进入重要岗位。‎ 伴随着研究队伍的更替与调整，化学开始在新的起点上迎接生命科学、高新技术和国家发展所提出的种种挑战，并以科教兴国为己任，主动发展适合国家需求的理论方法、技术和潜在产业。‎ 按传统方法，我国化学学科的门类已经建立齐全，其中二级学科有物理化学、无机化学、有机化学、高分子化学、分析化学、化学工程学、环境化学，此外还有生物化学、感光化学、冶金化学、农业化学等。按国家自然科学基金委员会课题申请的专业统计，共有60多个三级基础学科，其中不包括被划归于生物、医学、材料、农业等系统的专业如生物化学、分子生物学、药物化学等。‎ 目前，我国高校共有250多个化学院系，有各类化学研究机构近千个，包括国家重点实验室19个，部门开放实验室23个以及省市实验室16个，共计58个。这些实验室大都配备有先进的科学仪器装备。我国出版的中英文专业化学期刊已超过30种。‎ ‎1997年SCI收入论文数前20名的单位中，有8个为化学研究单位；国际发表论文被引用最多的前5个单位中，有3个单位属化学专业。根据《科技统计与分析》1998年第2期对中国科学院1991～1995年的论文统计资料，中国科学院的化学科技论文被引用的篇数和次数分别为1 011篇和2 124次，高于物理的960篇和1 810次，远超过生物、材料、地学等其他学科，而其经费投入并不高于其他学科。由此可见我国化学的面貌。‎ 我国的化学与国际相比既有领先，又有差距；其贡献既显著又不全尽人意。一方面，我国化学的迅速发展，为我国自主工业的建立，包括引进技术的吸收和消化，提供了基础条件；另一方面，我国化学研究水平与国际的差距、与国家需求的差距，制约了国家许多方面的发展。其原因是多方面的，有化学自身发展时间不足的限制，有研究机制上的缺陷，有资金和政策指导上的不足，还有许多认识上的问题。‎ ‎2.重要成就 ‎50年来，经过科技人员的辛勤努力，我国化学领域在基础研究、应用研究和开发工作的各个方面都取得了一系列有自己特色的研究成果。据统计，截止到1997年，化学在国家自然科学奖中共获奖84项，占总数的13.9%，近年所占比例又有上升趋势。各类科研成果数以千计，在国内外正式学术刊物上发表的论文及研究报告数以万计。下面分别从基础研究和应用发展两方面，简要叙述建国50年来我国化学科学取得的主要成果。‎ ‎（1）50年来化学学科在基础研究方面不断取得重大成果 ‎50年来，我国化学学科取得了一系列的研究成果。先后获得国家自然科学奖一等奖4项，二等奖29项，三等奖36项，四等奖15项。下面就一、二等获奖项目作一简要回顾和介绍。‎ 获自然科学一等奖4项：‎ ‎① 人工全合成牛胰岛素研究（1982年获奖）‎ ‎1965年，我国的科学工作者经过6年多坚持不懈的努力，获得了人工全合成的牛胰岛素结晶。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。此后，又合成了许多有实际应用价值的多肽激素，同时进行了更大蛋白质分子的人工合成。胰岛素人工合成的成功，为我国蛋白质的基础研究和实际应用开辟了广阔的前景。‎ ‎② 配位场理论研究（1982年获奖）‎ 配位场理论、分子轨道理论、价键理论构成了研究分子结构的理论基础。吉林大学唐敖庆教授等人针对配位场理论的发展需要，克服了不少概念上和数学上的困难，使配位场理论系统化、标准化和更便于广泛地实际应用，对配位场理论研究作出了显著的贡献。‎ ‎③ 分子轨道图形理论方法及其应用（1987年获奖）‎ 唐敖庆与江元生经系统研究，提出和发展了一系列新的数学技巧和模型方法，使这一量子化学形式体系，不论就计算结果或有关实验现象的解释上，均可表述为分子图形的推理形式，概括性高，含义直观，简单易行，深化了化学拓扑规律的认识。‎ ‎④ 酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成（1987年获奖）‎ 核糖核酸的合成难度很大，中国科学院上海生物化学研究所王德宝及其协作者经过13年的不懈努力，制备了所有11种核苷酸（或核苷），包括4种普通核苷酸和7种稀有核苷酸，近10种核酸工具酶，以及各种化学试剂，终于在1981年实现了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成，这是世界上首次人工合成核糖核酸。这项研究还带动了核酸类试剂和工具酶的研究。带动了多种核酸类药物，包括抗肿瘤药物、抗病毒药物的研制和应用。‎ 另外，还有29项成果获得国家自然科学二等奖：‎ 稀土催化剂定向聚合研究（1982年）‎ 化工冶金中的散式流态化（1982年）‎ 硅酸聚合作用理论（1982年）‎ 强化高炉冶炼过程的基本问题（1982年）‎ 丁烯氧化脱氢制丁二烯新反应的研究（1982年）‎ ‎ 甾体激素的合成与甾体反应的研究（1982年）‎ 分子结构与性能间的定量关系ⅰ诱导效应指数；ⅱ同系线性规律（1982年）‎ 萃取剂的结构与性能研究（1982年）‎ 有机磷生物活性物质与有机磷化学（1987年）‎ 天花粉蛋白的化学──一级结构、二级结构、空间结构研究（1987年）‎ 晶体体相结构与晶体化学的基础研究（1987年）‎ 应用量子化学──成键规律和稀土化合物的电子结构（1987年）‎ 青蒿素及其类物的全合成、反应和立体化学（1987年）‎ 亚磺化脱卤研究（1987年）‎ 大孔离子交换树脂及新型吸附树脂的结构与性能（1987年）‎ 分子束反应动态学与分子传能研究（1987年）‎ 有机金属导体的研究（1987年）‎ 碱-集料反应（1987年）‎ 在超声辐射作用下聚合物的降解和接枝（嵌段）共聚（1987年）‎ 无气泡气固接触──稀相流态化，快速流态化，浅床流态化（1989年）‎ 氟化学中单电子转移反应的研究（1989年）‎ 高分子缩聚、加聚和交联反应统计理论（1989年）‎ 群论方法在量子化学中的新应用（1989年）‎ 有机砷、锑化合物在有机合成应用中的方法学（1993年）‎ 钼、铁、硫等原子簇化合物的合成化学与结构化学（1993年）‎ 导电聚吡咯的研究（1995年）‎ 大柴旦盐湖调查、盐卤硼酸盐化学和综合利用的基础研究（1995年）‎ 一些高张力分子的合成化学（1995年）‎ 锑、铕、铈的国际原子量新标准（1997年）‎ ‎（2）我国的化学科学在应用基础及开发方面取得的一系列重大成果 ‎① 为农业生产服务 ‎1966年，中国科学院大连化学物理研究所与化学工业部合作，研制成功了用于合成氨原料气净化新流程的脱硫、水煤气低温交换和甲烷化3种催化剂，使中国的合成氨工业迅速提高到60年代水平，至1982年，全国已在14个省、市的19家合成氨厂推广使用。该项成果被誉为中国合成氨工业的一场革命。‎ 我国研制并推广了一批新型高效低毒农药，棉红铃虫性信息素、杀雄剂、植物生长激素、水稻棉花主要害虫性引诱剂的合成和应用，光可控分解塑料地膜，高效吸水剂的研制和使用，也都促进了农业的发展。同时，我国化学家研制成功的气调储藏设备──氮气发生器和布基硅橡胶气调保鲜膜等保鲜方法，也已大量用于粮食和多种水果、蔬菜的保鲜。‎ ‎② 为能源工业做出贡献 ‎20世纪50年代，科学院研制出一批用于石油炼制、天然气和煤的利用等方面的催化剂，缓解了能源紧张、尤其是液体燃料严重不足的问题。‎ 为提高我国石油的开采率，大庆石油管理局开发了能使大庆油田长期高产稳产的注水开发技术，该技术曾获1985年国家科技进步特等奖。‎ 为提高煤的利用率，如由煤出发制取液体燃料，一氧化碳加氢合成汽油，合成的汽油中无C12烃类，汽油收率为60%以上，质量亦有改善。科学院还开发了用于实现高效燃烧和脱硫目的的快速床燃煤技术。‎ ‎1957年我国开始研究金属氢化物，1959年报导了氢化锂与氢化铝锂的研制工作。我国有关单位以LaNi5的氢化物为氢源，成功地开发出了氢燃料汽车。‎ ‎③ 为我国自然资源开发和环境保护做出贡献 对天然资源的开发利用做出了成绩 我国于1952年开始稀土分离化学研究，中国科学院长春应用化学研究所相继建立了一系列稀土的生产流程，北京大学提出串级萃取理论等。‎ 有关研究所系统研究了白云鄂博含氟铁矿冶炼过程中的物理化学问题，为冶炼这类世界上独特的矿石，设计合理的冶炼规程提供了科学依据。‎ ‎1965年中国科学院设立了盐湖研究所，建立了盐和卤水的全分析方法，得出盐湖水化学类型的分布。又解决了制取钾盐过程中一系列关键技术问题，使之成为目前我国大规模制取钾盐的主要工业路线。经过大量研究还提出了提取硼酸和氯化钾的新工艺，对盐湖中存在大量镁盐的利用也逐步开拓了各种新的途径。‎ 重视环境保护研究 完成了“京津渤区域环境综合研究”和“京津地区生态特征和污染防治研究”等课题，揭示了污染规律并寻找合理开发方案。‎ 对于我国西南地区酸雨污染问题和我国主要江湖污染状况进行了系统考察研究，提出了防治的对策，为地区建设规划的制定提供了科学依据。‎ ‎④ 为我国的医疗卫生事业做出了贡献 在天然产物有机化学方面，利用丰富的自然资源，结合历史悠久的传统医药，在甾体、萜类、生物碱及海洋天然产物各个分支都取得了有影响的成果并推动了药物研究的发展；在合成化学方面，合成药物、抗生素、合成农药、合成染料、有机磷萃取剂等，满足了经济建设的需求。‎ ‎50年代初对抗生素药物的研究与开发，结束了我国不能自己生产青、链霉素之类的抗生素药物的历史。‎ 在医药工作者的合作下，成功地开发了甾族口服避孕药物。此外，中国独创的甲地孕酮已投入生产，并投放市场使用至今。‎ 全氟碳代血液是近年研究成功的一种具有输氧功能的人工血液，已成功地用于临床病例和战地救护，这在医学上具有极为重要的意义。‎ ‎⑤ 为我国的材料工业的发展做出了突出贡献 科学院与石油、化工等部门密切合作，开发完成了合成顺丁橡胶和正丁烷氧化脱氢制丁二烯两项成果的工业生产工艺及设计工作，70年代初实现了工业生产。‎ 在60年代初开展了丙烯定向聚合研究，70年代初研究了丙烯聚合的高效络合催化剂，80年代研究出的担载型高效催化剂，具有寿命长、聚合物等规度达98%、聚合物形态规整、粒度分布窄等特点。开发出降温母粒法，大大降低了纺丝温度，获得最佳纺丝效果，从而大幅度提高了丙纶织物的防老性、染色性。此项技术为世界首创，曾获1989年国家科技进步一等奖，已在全国60多个厂家使用，创利税3亿多元，并多次荣获国际发明奖。‎ ‎50年代中，开展了耐高温聚合物的研究。60年代初即开始聚酰亚胺的研究，并研制开发了在国民经济中有重大用途的聚四氟乙烯塑料、氟橡胶、有机硅树脂和耐油氟硅橡胶、弹性聚氨酯灌浆材料。‎ 我国于1958年研制成功尼龙1010，1961年实现工业化。‎ ‎50年代我国自行研制开发生产出了锦纶；60年代生产棉型维尼纶；70年代随着我国石油化工的发展，合成纤维工业蓬勃发展起来；80年代随着基础研究的不断深入，加工问题的不断解决，实现了丙纶低温纺丝，丙纶级聚丙烯树脂的研制、工业生产和应用，在1989年获国家科技进步一等奖。细旦超细旦纤维实现了工业化，化学合成纤维更趋于实用。‎ 晶体的合成和生长在旧中国是空白领域，目前我国在各种晶体生长方法和技术上已达到国际水平。特别是新型闪烁晶体锗酸铋单晶（BGO）、低温相硼酸钡晶体（BBO）以及新开发的三硼酸锂单晶（LBO）的生长居国际先进水平。‎ 纳米材料和高温超导材料等都有很出色的工作。‎ ‎⑥ 解决国防建设中的部分关键问题 从50年代开始，我国决定自行研制“两弹一星”，各有关化学研究所积极承接了许多有关的科研课题，为火箭、导弹和人造卫星等国防建设做出了重大贡献。‎ 为鼓励科技成果的转化，从1979年和1985年起，国家分别设立了国家技术发明奖和国家科技进步奖。化学化工领域的科研和工程人员积极参与技术创新，其成果获技术发明和科技进步两项奖励。‎ ‎1979年来化学化工领域获国家技术发明一等奖的科技成果有：‎ ‎① 甲种分离膜的制造技术（1984年）‎ ‎② 乙种分离膜的制造技术（1985年）‎ ‎③ 坩埚下降法工业生产锗酸铋（BGO）大单晶方法（1987年）‎ ‎④ 一种新型的非线性光学材料──L精氨酸磷酸盐（LAP）晶体（1987年）‎ ‎⑤ 新型非线性光学晶体──三硼酸锂（LiB3O5）(1991年)‎ ‎⑥ 石油重质组分催化裂解（Ⅰ型）制取低碳烯烃工艺及催化剂（1995年）‎ 从1985年以来，化学化工领域获得国家科技进步特等奖的成果有：‎ ‎① 大庆油田长期高产稳产的注水开发技术（1985年获奖）‎ ‎② 顺丁橡胶工业生产新技术（1985年获奖）‎ 二、迎接新世纪挑战，展望我国2010年化学学科发展前景 我国的经济发展越来越离不开化学，化学在我国成为一门中心学科已是不争的事实。我国石油与石油化工企业有80多万家，加上其他化学和相关行业，我国参与化学研究与工作的人员队伍，其规模是国际上少有的。这正是我国化学科学发展的背景和动力。‎ 当前，我国所面临的挑战有人口控制问题、健康问题、环境问题、能源问题、资源与可持续发展问题等。化学家们希望从化学的角度，通过化学方法解决其中的问题，为我国的发展和民族的振兴做出更大的贡献。随着国家对农业科学研究的重视，农业和食品中的化学问题研究已经引起越来越多化学工作者的关注。‎ 随着20世纪的结束，上述研究所涉及到的若干基本化学问题，无疑将成为21世纪我国化学研究的新方向，成为我国化学家有所作为的突破点。‎ ‎1.若干化学基本问题的解决，将使化学学科自身在不同层次上得到丰富和发展 ‎（1）反应过程与控制 化学的中心是化学反应。虽然人们对化学反应的许多问题已有比较深刻的认识，但还有更多的问题尚不清楚。化学键究竟是如何断裂和重组的？分子是怎样吸收能量的？并是怎样在分子内激发化学键达到特定的反应状态的？这一系列属于反应动力学的问题都有待回答，其研究成果对有效控制反应十分重要。‎ 复杂体系的化学动力学、非稳态粒子的动力学、超快的物化过程的实时探测和调控以及极端条件下的物理化学过程都已经成为重要的研究方向。向生命学习，研究生命过程中的各种化学反应和调控机制，正成为探索反应控制的重要途径，真正在分子水平上揭示化学反应的实质及规律将指日可待。‎ ‎（2）合成化学 未来化学发展的基础是合成化学的发展，21世纪合成化学将进一步向高效率和高选择性发展；新方法、新反应以及新试剂仍将是未来合成化学研究的热点；手性合成与技术将越来越受到人们的重视；各类催化合成研究将会有更大进展；化学家也将更多地利用细胞来进行物质的合成。我们相信随着生物工程研究的进展，通过生物系统合成所需要的化合物之目的能够很快实现，这些将使合成化学呈现出崭新的局面。仿生合成也是一个一直颇受注意的热点，该方面的研究进展将产生高效的模拟酶催化剂，它们将对合成化学产生重要影响。‎ ‎（3）基于能量转换的化学反应 太阳能的光电转换虽早已用于卫星，但大规模、大功率的光电转换材料的化学研究则正在开始。太阳能光解水产生氢燃料的研究，已受到更大的重视，其中催化剂和高效储氢材料是目前研究最多的课题。值得特别提出的是，关于植物光合反应研究已经取得了一定的突破，燃料电池的研究也已在一些单位展开并取得进展。随着石油资源的近于枯竭，近年来对燃烧过程的研究又重新被提到日程上来，细致了解燃烧的机制，不仅是推动化学发展的需要，也是充分利用自然资源的关键。我国现阶段注重研究催化新理论和新技术，包括手性催化和酶催化等。‎ ‎（4）新反应途径与绿色化学 我国现阶段研究，一方面注意降低各种工业过程的废物排放、排放废料的净化处理和环境污染的治理，另一方面重视开发那些低污染或无污染的产品和过程。因此，化学家不但要追求高效率和高选择性，而且还要追求反应过程的“绿色化”。这种“绿色化学”将成为21世纪化学的重大变化。它要求化学反应符合“原子经济性”，即反应产率高，副产物少，而且耗能低，节省原材料，同时还要求反应条件温和，所用化学原料、化学试剂和反应介质以及所生成产物均无毒无害或低毒低害，与环境友善。毫无疑问，研究不排出任何废物的化学反应（原子经济性），对解决环境污染具有重大意义。高效催化合成、以水为介质、以超临界二氧化碳为介质的反应研究将会有大的发展。‎ ‎（5）设计反应 综合结构、分子设计、合成、性能研究的成果以及计算机技术，是创造特定性能物质或材料的有效途径。分子团簇，原子、分子聚集体，已在我国研究多年。目前这些研究正在深入，并与现代计算机技术、生物、医学等相结合，以获得多角度、多层次的研究结果。21世纪的化学家将更普遍地利用计算机帮助进行反应设计，人们有望让计算机按照优秀化学家的思想方式去思考，让计算机评估浩如烟海的已知反应，从而选择最佳合成路线制得预想的目的化合物。‎ ‎（6）纳米化学与单分子化学 从化学或物理学角度看，纳米级的微粒性能由于其表面原子或分子所占比例超乎寻常的大而变得不同寻常。研究其特殊的光学、电学、催化性质以及特别的量子效应已受到重视。‎ 另一方面，借助STM/AFM和光摄等技术进行单分子化学的研究，将能观察在单分子层次上的许多不同于宏观的新现象和特异效应，对这些新现象和新效应的揭示可能会导致一些科学问题的突破。‎ ‎（7）复杂体系的组成、结构与功能间关系研究 ‎21世纪的化学不仅要面对简单体系，还要面对包括生命体系在内的复杂系统。因此，除了研究分子的成键和断键，即研究离子键和共价键那样的强作用力之外，还必须考虑复杂体系中的弱相互作用力，如氢键，范德华力等。虽然它们的作用力较弱，但由此却组装成分子聚集体和分子互补体系。这种超分子体系常常具有全新的性能，或者可使通常无法进行的反应得以进行。基于分子识别观点进行设计、合成及组建新的、有各种功能的分子、超分子及纳米材料，将是未来一段时间中化学的重要研究内容。而深入研究控制分子的各种作用力，研究它们的本质并深刻了解分子识别，是一个颇具重大意义并充满挑战的课题。研究分子、分子聚集体的结构以及纳米微粒与各种物理化学性质的关系，特别是分子电子学的研究在21世纪初将会有较大的进展。‎ ‎（8）物质的表征、鉴定与测试方法 研究反应、设计合成、探讨生命过程、工业过程控制、商品检验等，都离不开对物质的表征、测试、组成与含量测定。能否发展和建立适合于原子、分子、分子聚集体等不同层次的表征、鉴定与测定方法，特别是痕量物质的测定方法，将成为制约化学发展的一大关键。我国目前的研究集中于以下几个方面：① 发展基于激光或其他原理的高灵敏度检测和分析方法，包括发展新的样品浓集或聚焦上样技术；② 发展具有极高分离效率的毛细管电泳、基于分子识别的高选择性分离技术以及各种传感器技术等；③ 探索建立基于微透析、电分析化学和传感器的现场或流水线测定方法；④ 构建多元和集成分析方法以适应类似于人类基因组工程计划等大规模分析测试的需要。可以说，上述研究方向的转变，成为20世纪末、21世纪初我国化学发展的一个显著特点，并将由此引发这一学科自身在各个层次上的变革，同时带动和促进其他学科与技术的共同繁荣和发展。‎ ‎2.学科的渗透与交叉将使我国化学的发展面临更多的机会与挑战 化学向其他学科的渗透趋势在21世纪将会更加明显。更多的化学工作者会投身到研究生命，研究材料的队伍中去，并在化学与生物学、化学与材料的交叉领域大有作为。化学必将为解决基因组工程、蛋白质组工程中的问题以及理解大脑的功能和记忆的本质等重大科学问题做出巨大的贡献。‎ 化学的发展已经、并将会进一步带动和促进其他相关学科的发展，同时其他学科的发展和技术的进步会反过来推动化学本身的不断前进。从微观看，化学家已经能够研究单分子中的电子过程与能量转移过程，从宏观看，化学家能探讨分子间的作用力和电子的运动。化学家不但能够描述慢过程，亦能跟踪超快过程，而这些研究将有助化学家在更深层次揭示物质的性质及物质变化的规律。化学家还不断地汲取数学、物理学和其他学科中发展的新理论和新方法，非线性理论和混沌理论等将对多元复杂体系的研究产生影响。‎ 化学研究的深入，还将带动我国仪器仪表工业发展。因为仪器仪表既是一个很大的行业，也是国家发达与否的标志之一。我国过去曾忽视对仪器的研制，导致了分析仪器依赖进口的局面。经过我国科学界和工业界等的共同努力，2010年我们将看到自己研制、生产的分析及测试仪器，如微型气相色谱仪、新型毛细管电泳仪、电化学传感器，还可能出现多功能组合仪器、智能型色谱等，我国的仪器仪表工业将进入一个蓬勃发展的时期。‎ ‎3.国民生活质量的提高将得益于化学的发展 我国人口在21世纪上半叶将达到16亿，保持我国农业的持续发展是我们面临的艰巨任务。农业发展的首要问题是保证全民族的食物安全和提高食物品质；其次是保护并改善农业生态环境，为农业持续发展奠定基础。化学将在创制高效肥料和高效农药、特别是与环境友善的生物肥料和生物农药，以及开发新型农业生产资料诸方面发挥巨大作用。我国化学家还将在克服和治理土地荒漠化、干旱及盐碱地等农业生态系统问题方面做出应有的贡献。科学家利用各种最先进的手段，有望揭示光合系统高效吸能、传能和转能的分子机理及调控，建立反应中心能量转化的动力学模型和能量高效传递的理论模型，从而达到高效利用光能为农业增产服务的目的。‎ ‎21世纪化学将在控制人口数量，克服疾病和提高人的生存质量等人口与健康诸方面进一步发挥重大作用。未来的10年中，化学工作者将会发现和创造更安全和高效的避孕药具。在攻克高死亡率和高致残的心脑血管病、肿瘤、高血脂和糖尿病以及艾滋病等疾病的进展中，化学工作者将不断创制包括基因疗法在内的新药物和新方法。此外，由于人口高速老龄化，老年病在21世纪初会成为影响我国人口生存质量的主要问题之一。化学将会在揭示老年病机理、开发和创制诊断和治疗老年性疾病药物和提高老年人的生活质量方面做出贡献。相信在21世纪初，我国化学家和药物化学家在针对肿瘤和神经系统等重要疾病的创新药物研究中，能发现和优化数个新药候选化合物，建立具有自主知识产权的新药产业。中医药是我国的宝贵遗产，化学研究将在揭示中医药的有效成分、揭示多组分药物的协同作用机理方面发挥巨大作用，从而加速中医药走向世界，实现产业化，成为我国经济的新的增长点。‎ ‎4.在化学的支撑下，我国的国民经济将更上一个新的台阶 化学将会在解决能源这一人类面临的重大问题方面做出贡献。目前我国的经济持续稳定增长，使能源开发利用面临需求增大和环境污染的双重压力。而能源利用效率低，环境污染严重是我国亟待克服的重要问题。发展新能源及其储能材料在受到化学家重视的同时，也引起政府部门的关注，科学研究和产业化研究正相伴而行。我国化学家可望在未来几年里创制和开发出多种新型催化剂，使我国的煤、天然气和煤层气的综合优化利用取得优异成绩，从而减缓我国的能源紧张和环境污染的压力。21世纪我国核能利用将进一步发展，而化学研究涉及到核能生产的各个方面，化学工作者必将为核能的安全利用做出应有的贡献。此外，化学家在大规模、大功率的光电转换材料方面的探索研究将导致太阳能的开发利用。化学家从事的新燃料电池的催化剂、新电池的研究可能在21世纪初出现突破，电动汽车将向实用化迈出一大步，这将改变人类能源消费的方式，同时提高人类生态环境的质量。‎ 展望21世纪我国的材料科学与工业的发展，化学必将发挥关键作用。首先，化学将不断提高基础材料如钢铁、水泥和通用有机高分子材料及复合材料的质量与性能；其次，化学工作者将创造各类新材料，如电子信息材料、生物医用材料、新型能源材料、生态环境材料和航天航空材料等，化学工作者将利用各种先进技术，在原子、分子及分子链尺度上对材料组织结构进行设计、控制及制造。特别要指出的是，晶体材料的设计理论和方法研究，是我国化学发展的一个重要且富有成效的领域，在21世纪它将会有更大的发展，一些有价值的具有新功能的晶体和大尺寸的新型非线性光学晶体、重要激光晶体、闪烁晶体及铁电陶瓷晶体研究将达到实用和开发水平。另一方面，我国是世界稀土资源大国，总储量占世界的80%，产量占世界的70%，然而其中一大半是以资源或初级产品方式出口国外，这种局面在未来的几年中将转变，我国化学家在2010年前将在稀土分离理论和高纯稀土分离、新型稀土磁学材料、发光材料等方面的研究中，取得一批具有国际领先水平、明确应用前景和独创性的基础研究成果和具有自主产权的重大关键技术，使我国的资源优势转化为产业优势。‎ 在世纪之交，展望未来10年化学事业的发展和化学对人类生活的影响，我们充满信心，亦倍感兴奋。化学是无限的，化学是至关重要的，它将帮助我们解决21世纪所面临的一系列问题，化学将迎来它的黄金时代！‎ 中学理科教育中的创新教育问题 王  夔 一、在科技领域中未来向过去的继承和批判 人类进步依赖科技进步，科技进步依赖创新。创新包括三方面：发现存在的和曾经存在过的事物，创造不存在的和从未存在的事物以及把存在的事物革新成为新事物。这三者都是在已有的认识基础上实现的。因此，继承与创新是人类文化发展的根本，是人类战胜客观困难得以存在和进步的根本，也是培育人才的根本。要使学生学会继承和创新，才能使人尽其才。‎ 一个民族的兴衰要看它的人民是否向往未来新事物和新世界。“一个民族可以牺牲一切以达到目标，就这一点精神造就了世界的知识分子、科学家和音乐家。一个民族如果除去到处游荡什么事情也不想做，从来也不想今天以后的事，他们那里就一直是一片沙漠。”［S.K.Wolf,Mackinnon’s ‎ Machine］。我们需要历史，需要继承，但是更重要的是创造未来，创造历史。这可能是我们教育者的最主要的职责，因为我们的学生能否担负起他们的历史使命，要看我们能否教育他们继往开来。‎ ‎20世纪科技进步的确创造了辉煌的人类现代文明。化学之所以被看作是核心科学，就是因为它创造了不可胜数的物质和材料，从分子水平打开了认识和控制许多许多变化过程（如生命过程）的途径，今后它还将在这些方面为人类进步作出贡献。科技必然要进步，人类也必然要进步，但是从个别情况来说，并非科技进步必然推动人类进步。当我们展望21世纪之时，我们应当从正反两方面来回顾20世纪的进步。20世纪的确有推动人类进步的几方面的成就。在科学哲学方面，从唯心论和形而上学到唯物论辩证法，到现代科学思想，如系统论、控制论、灾变论等等。在科学界，建立了统治20世纪科学界，指导科技发展的大理论，如牛顿力学、达尔文学说、热力学和量子力学等等，它们也会继续推动下一个世纪的科技进步。此外，推动20世纪科技发展的还有一系列科学方法：如理想化和模型化处理，动态过程的静态处理，非线性关系的线性化分析等处理方法，使我们得以在当时那个条件下对复杂事物进行近似的局部的研究。另外，还不能忽视20世纪技术进步对科学的推动，如现代测试观察仪器、高效计算机技术以及仿真、模拟等等。在20世纪以前，科学研究大部分是在科学家本人兴趣推动下进行的，而在工业化之后，大规模生产促进了资本的集中和大量增值。另外，现代国家机器的形成与发展越来越依赖科学与技术。于是国家利益和各种来源的资本成为科学技术的强大后盾，来自国家和企业的科研基金与资助，国家下达的和企业委托的科研任务向科学研究提供大量经费，出现了大批专业研究人员，并且为了提高科研人员的工作效率，建立了研究所制度。这是20世纪科学研究繁荣的主要原因。也是在这期间，人类能够克服粮食、能源、资源短缺，克服疾病威胁，减少各种天灾而发展进步的原因。这是人所共知的。‎ 但是不能忽视上述几种推动力也可成为科学进步的障碍和限制。我们从科研工作中所走的弯路、所付出的代价以及科研的浪费中，一方面可以看到那些在知识的新陈代谢中由于理性认识的退化和方法学的错误与不足所起的副作用。它们往往限制了创新。另一方面还应看到在资本和市场的国际化和全球竞争激烈之时，庞大的资本推动力有时会使科研被推向偏离实际需要的方向，有时被逼入歧途。科技好像进步了，但是人类未必由此进步。我们可以从未来科技对现代化学的挑战和希望中看出未来科技对20世纪科技的批判。首先，科技进步并不一定能推动人类进步。因为科技成果的评价应该是全面的，包括它对现在和未来，局部和全球的人文、环境、经济和人类的持续发展的作用。因此今后的化学工作者面对的责任和过去有根本的不同。我们在设计一项研究或工程时，需要自始至终考虑以下几方面问题：‎ ‎1.节能、节约和洁净生产；‎ ‎2.缩短研究周期；‎ ‎3.缩短研究结果的“库存量”和“库存期”；‎ ‎4.减少投入，提高研究的命中率。‎ 以节能、节约和洁净的化学合成为例，我们的化学品的确为人类生存与进步做出了极大贡献，但是为什么公众对化学心怀疑虑？因为化工生产中有许多浪费能源和资源，并且给人类带来对环境和生态平衡影响的近忧和远虑。因此必须彻底改造化学品的选择、使用和生产方法，这必将引起一个大变革。例如，我们正处于传统合成化学向未来合成化学转化的时期，未来的化学合成必须向以下几个方向发展：‎ ‎1.提高原子利用率；‎ ‎2.提高转化率；‎ ‎3.提高合成精度，减少副产物；‎ ‎4.避免把本来固定在岩石圈里的元素活动化；‎ ‎5.避免把化学惰性物质变成活性物质；‎ ‎6.少使用有机溶剂；‎ ‎7.减少使用和排放有毒的和对生态环境有影响的物质；‎ ‎8.避免高温及深冷，尤其是高温与深冷的连续操作；‎ ‎9.尽量使过程可循环，可再生；‎ ‎10.减少步骤。‎ 达到这些目的，必须从根本上创新。例如一个好几步的合成路线，浪费资源和能源，污染环境，但是改用酶法合成就变成一个洁净节约的工艺。这就要搞合成化学的人重新定下自己的坐标，重新整理自己的知识。我们好像突然发现不是我们过去所教的和所学的内容不对，而是考虑问题的基础要转变，传统的观点要改变，一二百年以来解决问题的惯用途径要改变。那么，我们现在教学生什么，培养成什么样的人才才能使他们适应未来的这种要求呢？‎ 二、要求积极创新的科技与传统中学理科教育的矛盾 我们的有机合成路线，不论在课堂中教的还是从书本上学的，大都是由那些历史上的传统反应组成的。在工作中设计一个合成路线时，也用了一些在学生时期学到的反应。而实际上这些反应以及组合反应的思路不少是数十年上百年前纯学术研究的结果，它们不计较成本，不考虑浪费，更不想环境，不想未来。要想根本改变就必须开创新路。所以，要使学生具有解决这些问题的愿望、素质和能力，而其中主要是创新。‎ 为此，我们的教育者要认识科技进步与传统理科教育之间的矛盾。‎ ‎1.科技进步要求创新，而传统教育是以知识积累为主的。‎ ‎2.科技进步要求多样化，而传统教育教给学生的和要求学生接收的是单一的，而且是统一的观点和理论。‎ ‎3.科技进步日益依赖多学科多方面多途径的综合研究，而传统理科教育体系导致学习领域狭窄，从中学到研究生到博士后越来越变成一个专门家，并只在弹丸之地打洞。‎ ‎4.科学进步要求动态思维和适应不断变化的问题和不断更新的工作方法，而传统教育强调巩固的、万无一失的常规方法。‎ ‎5.计算机存储加工信息的能力猛增，使以记忆为主的描述性知识教育失去它的大部分作用。‎ ‎6.高效计算机技术加上人工智能能够代替人进行大部分的程序性的思维，使得以推导、演绎、标准方法训练为主的理科教育失去意义。‎ 这些矛盾是知识与智慧的内容和它们之间关系不断改变的表现。人要有知识，更需要有智慧，随着科技进步，过去的智慧变成今天的知识；过去的尖端科研变成今天的常规。例如，DNA合成、X射线晶体结构分析、蛋白质测序等都已自动化，或者说“傻瓜化”，而不再需要多少智慧来完成的了。因此，培养学生的创新精神和能力才能使他们成为走在科技进步前头的人。要培养创新的心态、素质和能力，必须而且能够从中学教学开始。如前面讨论的，我们在教育学生时要时刻注意培养他们以下几个素质：‎ ‎1.多样性；‎ ‎2.综合性；‎ ‎3.相对性；‎ ‎4.想象力；‎ ‎5.动态思考；‎ ‎6.比较和批判。‎ 若以这几方面的素质教育为目标来看当前化学教育，就会看出许多问题。学生把反应、性质、定义、计算方法当做唯一的绝对的东西背下来，甚至有的教师要求学生从文字上吃透化学反应的精神，遵循课本的文字叙述回答问题，按照例题计算问题。中学这样考，大学入学考试也这样考，学生丧失了他原先还有的想像力和怀疑精神。这样培养出的人很难有创新的要求、意愿和素质。‎ 三、正确处理理性认识间的相互作用是在中学教学中培育创新素质的最重要步骤 我们强调从中学开始培养上述素质是必要的。因为一个人从中学开始他越来越多地通过学习掌握理性认识，并且越来越多地依赖理性认识去进一步观察、解释和认识事物。以指数速度增加的理论和概念可以成为他们创新的基础，但是理性认识之间的相互作用既有促进也有排斥。把理论和概念绝对化，把解决一个问题的方法唯一化，使他们拒绝接收新理论新方法，便丧失了创新的和进步的前提，反而限制创新和进步。所以我今天首先就理性认识的相互作用来谈一谈为什么和如何在中学化学教育中培养创新精神和能力。有人觉得创造力是伟大科学家所具有的天赋素质 ，事实上，决非如此。人从小就有创造活动能力，如果这种初始的创造力一直不被抑制，而不断发展，会有许多许多科学家、工程师出现，当然也有画家、医生出现，他们也要创新。可惜的是，在许多情况下，学习所得本应完全成为创造的基础，却被不恰当的教育变成限制创造力发展的框框，例如把一个一个定义、定律、关系式绝对化，把本来依附于化学问题的数学手段变成化学问题的实质，把由部分事实推想出来的假设、假说、模型当成客观存在等等。‎ 先入为主和绝对化会给人们设置极限或界限，使人们不敢超越，也不想思考某个极限或界限本身的条件以及本质。举深海潜水为例，在公元前3世纪，靠常压潜钟，可以下潜到20～30米，但由于空气耗竭只能维持很短的时间。1691年，发明了连续输气的潜函，只解决了空气供应问题，极限还在20～30米。后来认识到不能再下潜的原因是静压过高以后，19世纪时，发明了加压潜水服把极限下推很多，但又不能再下潜更深了，原因是减压症。20世纪初，发明了高压舱解决了减压症，又把极限推到‎56米。后来发现这个新极限是由于稀有气体麻醉造成，到1939年，采用氦加氧气代替空气以减少稀有气体在细胞膜上的溶解，一下子，又把极限推到‎200米这个新极限。但是再下潜就出现高压神经综合症。后来，发现了产生的原因，改用氮+氧+氦三联气，并且分级慢加压，再把极限推到‎700米，再深又出现类神经紊乱。目前正在研究其机理，一旦明了，或许又可以推进一大步。回顾这些事实，可以看出如果人们把极限看成是绝对的，不敢越雷池一步，这样的进步是不可能的。‎ 我们在中学化学教学中教给学生的内容有许多是把复杂问题做简单化处理后所得的结果。例如把一个过程简单化为一个化学反应，忽略副反应，忽略在全过程中发生的其他事件。例如铝片在稀硝酸中发生了什么？一般只讲一个反应，实际上是好几个事件组成的过程。牛顿力学的精粹之一就在于把复杂问题简单化。过去百年间物理学的辉煌使人认为数学和物理是解释一切的终极依据，就是因为它的简化处理。电子被当做点电荷，小分子也当做点。一切物质从单质到蛋白质，到细胞，到人体，其中一切活动都可以用数学和物理来描述和表达。但是复杂问题简单化仅仅是一种认识问题的方法，甚至是一时的方法。在我们教给学生一个反应、一个概念、一个理论、一个方法时，非常需要教他们知道这是一种方法，是简化的方法，由它得到的结论是相对正确的。要逐渐教学生知道不能把简化处理得到的结果绝对化，因为无论如何我们对复杂事物的认识还是要向探索其复杂性上发展。以理想化处理为例，在化学里讲了一些理想状态：理想气体、理想溶液等等，如果没让学生明白这些只适用于那些并不存在的、分子间没有一点相互作用的体系，他们就会把它绝对化。后来的发展说明理想气体状态方程式所描述的只是理想的气体状态，它与真实气体有不同程度的距离，由van der ‎ Waal方程到认识分子间力，再由分子间力去解释胶束和膜，才有可能在后来认识到弱相互作用以及其在分子组装中的作用，其后出现的冠醚穴醚又把弱相互作用提高到主客体化学来认识。直到最近，Lehn得了Nobel化学奖，研究由分子间弱相互作用构筑的超分子的化学才成为当前一个热点。如果不突破理想气体方程式的框框，就发现不了分子间力，如果不能突破只有强相互作用才会形成结构，就发现不了也解释不了自然界许多现象，特别是生物学现象，就不会出现超分子化学以及有关的概念：自组装、分子识别、高级有序结构等等。‎ 我们在中学化学里讲了一些本来只是某种模型的概念，它们仅仅是理论研究的推理结果。为了描述和表达看不见、测不了的事物，科学家在头脑中可以构成概念模型，推出数学模型，甚至用木头或塑料做成看得见摸得着的形态模型。它们在一定范围内可以成为认识事物的拐棍，但是它们不是客观实际。例如，量子力学推理结果使我们接受了一系列概念：电子云，波函数，轨道等等。如果教师在用一个哑铃给学生讲解电子云而不教学生知道这仅仅是那些量子化学家打个比方所展示出来的模型，学生就会把它当成真有什么电子云。我们把分子或原子当成刚性球，讲述碰撞理论，解释反应动力学表现，如果学生从此把分子当成刚性球，撞在一起会弹开，怎样解释一个小分子和一个大分子相撞时这么快的找到特定的作用位点？由量子力学推出的另一个概念模型是共振论，它把苯的结构描述为两个或几个共振结构的总和。经典化学家常常用经典热力学思路把变化中的体系用始态和终态来描述，事实上，从始态到终态变化过程中有多少状态？这种变化是跳跃的吗？多少年来，在教学中，我们常常把它绝对化了。在大学化学中会认识反应机理中有一种或一两种中间态。再后，或许还能进一步了解从始态到终态有若干条途径，催化剂的神奇就在于用它的魔杖引导反应沿着某一条快捷的途径达到终态。但是为什么不能同时叫学生去想象那些从始态到终态的连续改变过程呢？甚至叫学生去想象在诸如生物体系中有什么始态又有什么终态呢？我们不该叫学生建立一个非此即彼的思考方法，有时它是创造性地解决实际问题的障碍。‎ 我举以上各例不是说不能教给学生那些简化的概念模型，相反，对于中学生，只能学习这些概念和理论的基本思想。而且我们仍然使用这些方法，或许永远要使用这些方法。问题在于我们不能把这些东西极端化、绝对化，那样会使学生把这样学来的东西死死记住，成为排斥新概念的障碍。‎ 举两个例子来说明先入为主的影响。先“掌握”的概念会排除异己，对于人，会使他面对新概念表现出傲慢与偏见。例如对于配合物的认识，在18世纪人们就制备了亚铁氰化钾，但是无法兼顾矛盾的事实：虽然写成复盐，Fe(CN)2·4KCN·3H2O符合价键理论，但不能解释为什么溶液中很少CN-离子。后来合成出越来越多的类似化合物，如CoCl36NH3‎ ‎，都不能用价键理论解释。就在100年中人们想出许多办法去“补台”，教材中教的是不能自圆其说的东西，可是学生把它当绝对正确，从来也不去问问那些说不清的地方。如此者，直到19世纪末，Werner提出配位理论才算了此公案，前后经历了100多年。另一个例子是有关惰性气体是不是惰性的问题。18世纪90年代连续发现五种惰性气体，当时的研究表明它们不与任何物质作用，所以称为惰性气体。恰好那时刚刚提出八隅律，认为价电子层有8个电子时最稳定，由此“圆满”地解释了惰性气体的惰性，反过来又以事实论证了八隅律的正确。尤其是Ramsay把氩的样品送给发现氟的Moissan，请他用当时认为最活泼的氟试试惰性气体的惰性，结果不出意料，氩没有与氟化合。于是八隅律和惰性气体十分完善地相互支持，达到普遍公认，写入教材。直到1933年出了个Pauling，他预测惰性气体并非惰性，虽然当时有人试图合成惰性气体化合物，但都失败了，这一企图的失败更证明八隅律的正确和惰性气体的惰性，如此者又30年，Bartlett在1963年终于合成了个别惰性气体的氟化物，13年后，才证明八隅律只适用于C，N，O，F和Ne。若干年后，惰性气体不得不改名稀有气体。从1864年八隅律的提出到1963年Bartlett的成功，又是整整经过100年，在这100年中不知有多少学生被培养成为化学家，但是他们中很少有人问过一些破绽。例如，Moissan当年只做了Ramsay送给他的氩的实验，为什么由此就认为惰性气体都不能与氟作用呢？为什么就不去试试其他？尤其是Pauling 预计原子量越大越容易作用之后，虽然开始有人失败，但是为什么不去研究实验方法上的问题，而只是反过来死守八隅律呢？由此我们应该获得一个教训，继承与创新是矛盾双方对立的统一，只有在教学生具体知识的同时培养他们的批判和怀疑的态度，才能培养他们创新精神。‎ 在中学和大学低年级的化学教学中，习惯于教给学生解决某种问题的一种方法、一种思路，甚至连溶解度都只能用一种单位、一种表示方法。慢慢地，这些学生只知道一种方法，不去想改变它。固然多数人反对照猫画虎，但是未必有人反对举一反三。按照原有思路或别人走了一大步，我们走一小步成为我们研究工作中的一个极大浪费。为什么不能离开主流另立门户？近年来异军突起的组合化学可以说给传统合成化学当头一棒。传统合成化学一向是以取得一定目标物纯品为目的，上百年来新药筛选就依赖合成若干化合物，进行药理筛选的。由于筛选命中率仅有万或十万分之几，传统合成化学拖了新药研究的后腿。组合化学方法一反传统，它不以取得单一化合物为目的，而以建立包含所有可能化合物的“库”为目的。这个库可以包含数以万计，或十万计的结构相关的化合物，但是所得的是混合物。例如，可以在几个月之中，合成3 200 000种由五种氨基酸组成的所有五肽，每份样品只有一滴但含有成千上万的化合物。他们发展了特殊的方法从中“钓”出有活性的化合物。这不仅是方法革新，在概念上提出诸如缓和条件下合成、同条件合成、同步合成、等摩尔合成等新问题，并且促进合成子合成的发展。我们应该从这一例子看出培养学生的替换思维和反向思维是十分重要的，而我们的中学化学教育恰恰缺少这方面的要求。‎ 四、培养创新心态和想像力 能否创新，是否愿意并敢于创新在很大程度上依赖于人的心态。无论是科学研究，还是一般科技工作，都要求创新，但是有很多人不愿、不敢、不能创新。他们不是能力问题而是心理状态问题，我愿在这里引用Nobel物理奖获得者Esaki的一段有益的话。他说，你想得Nobel奖吗？有5条规律：第一，不要让你被自己过去的经验所束缚；第二，不要过分追随你的领域中的任何一个权威；第三，不要抱着你不需要的东西不放，要严格地筛选信息；第四，不要回避对抗，如果有合理的观点，就去辩论；第五，不要忘记童年时的好奇精神，它是想象所表现的。但是我们的学生在学习期间缺少这种心态和精神的培育，我们的各级教育都不能使学生有这种精神。‎ 第一，我们习惯于模仿。沉湎于前人的光辉之中，总是以前人为规范，例如中药必须尊古炮制，为什么我们的合成药物有97%是仿制的？为什么我们的科学研究总是按照人家的思路走？为什么我们自己的传统的产品教外国人接过去，改造了又打到国内来？我们从小就让学生学会模仿，使他们认为模仿是最有效、最保险、最省事的办法。为什么习题有标准答案？为什么教学生题路？为什么教学生背诵若干解题模式？我们在上课时讲例题，课后教学生做类似的习题，考试时考同样类型的题。大多数的习题是有规范程序的，而且有标准答案的。我们在上课时教给学生的是固定的解释和解决问题方法，学生没有机会去提出他自己的方法，更没有机会去试一试他们的想法。如果学生经常按照一定规范去做题，他们做的习题越多，越熟练，就越失去独立思考的能力，在题海里培养出的“熟练”最多可以成为技巧但不能创新，甚至妨碍创新。‎ 第二，要引导学生敢于冒险去摆脱惯性的束缚。我们的工作，甚至研究工作有不少是由惯性所推动的。它们──‎ ‎● 采用传统思路和方法，缺少根本改变；‎ ‎● 跟踪世界潮流和热点，而缺少自己的创见；‎ ‎● 采用刻板的方法做大同小异的事；‎ ‎● 也有一些工作是被市场上不断出现的新仪器新设备所推动的。‎ 放眼周围事物，你会发现这不是科学界所特有的。吃饭穿衣，画画唱歌，引进技术等等都有这种现象。总的来说，许多人甘心被惯性所推动，主要是缺少创新心态，缺少冒险精神。相当一部分人无论在做任何工作时，都愿意做目标明确，方法清楚，可行性强，成功率高的工作，而不愿冒风险去做前景模糊不清的和太复杂的事情。这种心态是从小受教育养成的，鼓励学生提出问题，提出教员甚至专业科学家解决不了的问题是非常必要的，这并不是要求过高，而是我们没能在他们面前打开这扇门。‎ 第三，要使学生有机会发挥科学想象力。科学想象不是胡思乱想，它也是一种素质。现代科学重大成就中有不少是先在头脑中形成一种观念、一种结构、一种联系，甚至是一种从来没有的东西，然后再通过实验来证明它，制备它，寻找它。例如生物医学中的各种因子和受体，数学中猜想出的关系，天文学中的黑洞等等。化学中的想象成分远远低于生物学、天文学、原子物理学，或许因为化学掌握的是拿得到，看得见，测得出的这个层次的物质，而细胞中的个别分子、天体和粒子则是看不见、拿不到的东西，这样的情况培养了生物学家，天文学家，理论物理学家丰富的想象力。而化学则转而求之于实物的获得，可能因此想象力逐渐退化。实际上，化学现象中需要想象加以研究的地方很多，我们用谱学方法推测蛋白质在溶液中的构象和构象变化就是实验技术与想象的结合。在中学教学中就应该培养学生的科学想象力，近来有人提出培养中学生心里成像的素质，例如一个分子的三维结构在书本上画成平面的，要教学生能在心里把它变成三维结构；再如物体经过旋转（rotation),反射（reflection)和反转（inversion）等操作后变成什么样子？‎ 第四，要联系学生能接触的实际问题。美国化学会理事长Breslow在1996年新年祝词中说：“有人说化学教育应该集中教化学中的核心（core)部分，可是吃苹果的人（用户）并不认为苹果核是最好的部位。自然，核也是重要的，核里包着种子，种子携带着过去的基因记忆，它是未来的基础。但是，在我们的教学中，化学教师必须教学生不只了解和掌握传统的核心，还要了解和掌握现代核心中的广泛的科学与技术。”‎ 最后，我必须说明我不是中学化学教师，我不知道大家的难处，不免说了许多虚无飘渺的话，但是有一点是确切的，从我们历届奥林匹克化学竞赛的选拔，培训和参赛过程中，我们深深体会到，一方面中学生有潜在的创新能力，有想象力，有独立思考的能力；但另一方面很多中学生受传统教育束缚，他们的创造力，想象力和独立思考能力没有机会得到充分发挥。我们的责任就在于如何从各个方面改变这种状态。我们国家和全人类的几个重大问题，如粮食、能源、环境等等的解决要求的是富于创造性的各行各业的人才。‎ 化学学科的现状及基础化学教育改革问题 宋心琦 一、化学学科现状简介 自1802年道尔顿提出原子假说，1811年阿伏加德罗又提出分子学说以来，化学一直在原子和分子学说的基础上发展着。1869年门捷列夫所发现的元素周期律及在此基础上构成的元素周期表，使化学从而成为一门有着严密体系的学科。由于当时对于原子和分子的结构理论还停留在假说的阶段，化学家的研究工作主要侧重于元素的发现、分析或分离组成复杂的样品的方法以及新化合物的合成，所以化学的传统定义中只强调合成和分析两个方面。这个传统在基础化学教育中至今仍然有着深刻的影响。20世纪物理学家对原子结构及有关分子、晶体结构的实验研究成果和以量子力学为代表的诸多理论研究成果，使晶体、分子与原子结构的测定结果和化学家为分子、晶体所设计和编制的化学式与结构式在元素论的基础上演化成为化学家的一种学科语言。在此基础上，合成和分析方法的设计与实践便从主要依靠化学家的个人经验和技术的方式转为同时在理论的指导下的半经验方式。化学学科发展的阶段特点在今天的化学教育体系和课程体系中都可以找到它的痕迹。这个事实说明，在考虑21世纪的化学教育和基础教育阶段的化学课程目标和内容时，不可不研究20世纪的化学现状，并对其在21世纪的发展前景作出合理的预测，至少也应该对21世纪初的化学学科特点作出有根据的预见和合理的分析。‎ 化学学科的现状可以从理论和技术两方面对其目前的水平及问题作一简单扼要的介绍。‎ 虽然发现元素的工作，早年是化学家和物理学家共同努力的一个领域，但是在元素周期表中的位置逐一被填满并发现天然存在的元素已经告罄之后，用核反应的方法制造人造元素的工作，几乎成了物理学家的专利。而以原子为基础的化学键理论的发展，深化了对分子结构（包括晶体和原子的其他聚集态）、性质及反应性能的了解，并唤起对分子及其聚集态体系功能的研究与开发的重视。因此，分子及其聚集态等逐步成为现代化学的主要研究对象。由于合成化学和分析方法的多年积累，加上检测和分离技术的进步，已经发现并确定了其组成和结构的化合物以及在实验室里合成出来的新化合物，到20世纪末将超过2‎ ‎ 000万种（1999年12月已达到2 000万种），其中有一小部分已建成数据库，但目前数据库的使用率大约只有10%左右。‎ 利用物理效应和计算机技术发展起来的多种谱学方法和技术，已经达到相当高的水平。例如，利用扫描隧道显微技术（STM），人们已经能够探测到原子或分子在固体表面上的排布规律，也可以探测到碱基对在DNA双螺旋中的排布情况。水平检出灵敏度达到10-1 nm的量级，垂直检出灵敏度达到10-2 nm的量级。在动力学过程中，谱学方法的分辨率已经可以满足由10-15 s到以d（日）为量级的从超快过程到与生物体系有关的极慢过程的研究。在有机合成方面，化学家在合成时似乎已经不再存在禁区，只要预先设定的化学式和结构式是“合理的”，合成的问题就仅在于方法和路线的选择，以及产率的高低了。借助于数据库和专家系统，结合已有的一些经验规律，计算机辅助设计的方法在药物化学及材料科学中已经取得很大的成绩。近几年来兴起的组合化学方法，通过把中等数学中的概率论及排列组合方法和反应试剂固定化技术结合起来，使具有预期药效或功能的化合物的合成与筛选的效率提高了几个量级。在研究对象方面，化学家的视野已大为扩展，由地球扩展到了其他星球和整个宇宙，由各种外场效应对化学反应的影响扩展到在无重力条件下的化学反应等等。这一切成就使得20世纪的化学家的目光更加敏锐和开阔，信心更为坚定，和其他学科之间的互相渗透、互相支持的自觉性也远非昔日可比。‎ 但是，也应当看到，化学在融入其他学科的同时，存在着过分重视化学物质的合成技巧和它们的功能的偏向，以至于化学家的基础研究课题，大多是其他学科中的课题，如光合作用，生命起源，针对某种特殊疾病的有效药物等等。对于化学本身的基础研究课题反而被疏忽了。我们应当重视对其他学科领域及技术领域的积极参与，但是一门学科如果对本学科的基础理论不够重视，不能吸引优秀的研究人员来从事有关的研究工作，它就会失去活力，甚至于失去存在的价值。近年来，化学学习热情的低迷不振，不能不认为与此有一定关系。只是因为化学人才在就业与薪金方面一直保持着相对于其他自然科学的优势，才使这个问题没有进一步激化而已。‎ ‎20世纪50年代以后，由于量子化学理论和方法的进步与发展，对化学结构理论，特别是化学键理论的发展起了重要的促进作用，提高了化学家研究微观世界的能力。以物理学中的热力学和统计力学等为基础发展起来的化学热力学和化学统计力学等为化学提供了化学平衡理论、化学反应速率理论以及对给定体系的基本热力学性质的理论估算方法等等。但是应当认为，化学理论的发展速度相对于化学的整体发展速度而言，是不尽如人意的，对此本文不准备展开，只做一般性的讨论。‎ 化学在这两个世纪里所形成的思维方式和评价体系，几乎没有太大的变化。化学家对化学是一门实验性科学的含义往往只从狭义上来理解，因而常常疏忽理性的思维，人们习惯于接受物理学的基本原理与定律，借用物理学和其他技术科学所提供的新技术，在这方面通常表现得非常开放和非常敏感，对于新技术的采用则更为明显。但是在另一方面，化学家很少对结合化学运动自身的更为基本的规律进行研究，却是一个不争的事实。也许门捷列夫的成功启发了一些科学家，认为用分类、统计和只针对系统内的某些性质找寻规律性（经验或半经验的）一类的方法，加上以实验数据（有限的）为依据，或以实验数据（有限的）为证据的做法，就成了化学是一门实验性科学的主要注解，同时可能成为化学家从化学教育中继承下来的，最传统的学习和研究方法。‎ 化学运动有没有本身的规律？现在借用的物理学规律或原理是否真正揭示了物质化学运动的化学本质？这是21世纪化学家们应当认真思考的问题，也是化学教育改革中的一个关键问题。‎ 先由常用的化学反应判据来看，热力学判据是：ΔG＜0是体系中有关过程具有自发进行的趋势或蕴有自发进行的推动力的方向。（这个判据在微观世界中常以体系能量最低原则的形式出现。）热力学判据对于平衡体系，线性化学体系来说，显然是久经考验，不应怀疑的。但是热力学判据应用时的条件是必须先确定始态和终态（可以是虚拟的，但必须是确定的）。可是对于一个尚未研究过的化学过程，又如何能够确定它的终态呢？倘若一个体系在变化后可能达到的终态不止一个，热力学判据只能告诉我们，其中ΔG＜0的数值最小的过程将是最可能的（但未必是最现实的）。例如在生物体的化学变化中，完全分解或氧化成CO2、H2O、N2等时的ΔG应是最小的，但是在很多情况下可能要经过很长的时间才能达到，通常并不是化学变化的第一选择。大自然里动植物化石的形成过程就是一个例子，农家肥的成熟过程也是一个例子。‎ 现在已经知道，体系的变化往往要经过相当复杂的过程，形成许多所谓的反应通道，表现为产生多种副产物。这种情况在有机化学中十分普遍，而且分子的结构越复杂（分子包括的对称性元素越多），分子链越长，分支越多，结果就越复杂。副产物，异构体，交联率，分子量分布和介观物相的差异，原子簇组成的变化等等，皆由化学过程的复杂性所致，可以作为远非能量最低原理所能概括的重要例证。局部的能量或瞬时结构的判定与推测，现在仍然遵守着一个原则，即能量最低（相对于始态或另一个虚拟态）原则。在这个原则下设定的构象及其有限的变化（即准定态近似），是量子化学计算的基础。‎ 物理运动中，过程方向是由种种定义明确、物理图像清晰的推动力所决定的，如万有引力、电性力、分子间作用力和核子力等。如果把它们直接用于化学过程时，就有着定义模糊，图像与实际体系并不完全符合的问题。这点在前面提到热力学问题判据时已谈到，不再重复。‎ 例如，H2和O2本来是各自稳定存在的，当混合后经过引发会发生化学反应生成水，已是大家所熟知的事实。为何会发生反应？现在的化学理论提供的基本思路为：一是由过程的ΔG＜0告诉我们，生成水后体系的自由能可以变得更低些；二是告诉我们在H2和O2获得活化能后，是如何发生键断裂和键生成过程的，由量子力学方法可以计算出过程中体系的势能变化（如势能面或势能曲线），可以讨论反应物分子在反应时应当取何种相对位置（如头对头或肩并肩等）对反应可能更为有利等等。‎ 问题是，当H2和O2分子被混合在同一容器中后，体系是如何“知道”生成水后可以达到更加稳定的状态的呢？为什么不可以生成其他的物种，如H2O2等等？此处的“能量趋于更低”的推动力的物理图像是十分模糊不清的，因为“更低”在反应之前只是一个未经证明的假设。20世纪70年代一度引起轰动的伪科学事件──聚合水的发现，曾经使很多科学家陷入困境。他们之所以被误导是可以理解的，因为物理化学原理至今仍是以体系的内能和自由能的绝对值无法测定为基础的。人们相信水是组成为H2O的物质的稳定（最稳定的？）存在形式，不过是千百万次实践的经验的总结。我们相信它的正确，因为正面回答的统计值极高，但仍然是未经严格的理论证明过的一种经验总结。类似的怀疑在哲学上也是站得住的。我讲这些，无意为上述伪科学事件翻案，而是用来说明科学的发现和理论的发展应当是科学的思维方法和严格的科学实践（包括科学的实验与步骤严密的检验）的结合。古人说过：“学而不思则罔，思而不学则殆”，如果把其中的“学”字转义为“科学的研究工作”（着重于方法及程序的科学性），就可以成为现代科学工作者的座右铭了。‎ 二、化学教育现状的分析 至于化学教育的现状则更值得认真思考和检讨。美国自1990年开始由美国化学会组织、美国自然科学基金会资助，由一个特别工作组以影响面最大的普通化学的改革方案为主要工作内容，进行了近5年的调查研究和研讨，继而分解成多个研究课题，内容涉及教学大纲（核心内容），教学法（如何使得学生感兴趣）以及教科书和多媒体软件包为代表的学习材料等。虽然公布的报告主要和大学化学教育有关，其中有很多论辩和提法对于中学化学教育改革也是可以借鉴的。‎ ‎1.化学教学与教材中的“数学化”倾向问题 有一位有着数十年教龄的美国化学 教授，在认真地审读了现行的化学教材又翻阅了大量非化学专业教材之后，发现有些化学计算的教学内容，如pH，溶度积，缓冲容量及其他一些复杂的化学平衡体系的有关计算等，不是根本没有必要，就是算出来的结果和实验测定结果相差悬殊，但是在化学教材中却是连篇累牍。为此他沉痛地呼吁道：“为什么还要这样来折磨我们的学生？”他所说的这种情况，在我国的大学及中学化学教学和教材中同样存在。由于化学学科本身还处在半经验化的阶段，亦即在解释化学现象时，至今还没有普适性很广的化学自身的规律。而在化学中应用很广的物理学定律，如热力学、量子力学的规律，以及能量守恒定律和质量守恒定律等，一般并不细致地考虑物质化学运动本身的特点。当我们在教学中不能把物质的化学运动与物理运动的学科差别把握好，并以此来激发学生的兴趣，和不能摆脱高考为便于评分而偏爱各种各样的计算的影响时，以数学计算来代替真正的理性化，就是可以理解的了。但是这样做的结果不仅掩盖了（至少是淡化了）化学本身的特点，同时也扼杀了学生学习化学的兴趣。我建议持有不同看法的朋友可以到科学院化学研究所或北京大学化学系去实地考察和调查一下，也许就会认同我的看法了。他们绝大部分的时间用于化学合成、结构测定和光谱解析以及研究新化合物的状态和性能等方面。除去做必要的量子化学计算外，利用光谱计算某些组分的含量和推导反应动力学方程，以及常规的分子量、化学式量和产率计算等等才是他们常做的计算工作。至于复杂体系的化学平衡状态，理论计算也许在书写论文时会有人加上一笔，在实际工作中，人们更相信用适当的实验方法所测定的结果，而不是计算的结果。所以，理论计算，尤其是复杂的理论计算对于化学工作者来说，也许在设计工作程序时有一定程度的参考作用，但通常并不是必需的，因为对于实际的复杂体系而言，可信度往往不高。由此应该想到，对于非化学专业的技术人员，这种理论计算训练的必要性就更值得怀疑的了。对于学生，要他们在基础化学学习期间，通过计算来了解化学和对化学产生兴趣，几乎是不可能的。近几年常听到不少有丰富教学经验的化学教师对于化学学习的过分“数学化”所抒发的忧虑，他们的忧虑无疑是正确的。不仅表明他们有很好的化学学科本身的修养，同时表明他们已认同了现代教育学理论的基本观点。但遗憾的是，他们却又同时有着一种无能为力的心态。‎ ‎2.非化学专业化学教材体系的学科化和经院化倾向问题 人们也发现，大学非化学专业的普通化学乃至普通中学的化学教材和教学中都不同程度地存在着明显的学科化和经院化倾向问题。表现在过分强调化学学科体系的“完整性”和教学体系的理性化（如：以元素周期表为体系，以物质结构和化学平衡原理为主线等等），认为这是学习化学的最有效途径。在学时不足时，往往以删节与元素及化合物有关的内容（通常简称为描述化学）来满足前者对学时的要求。于是大一化学教材变成除去元素周期系外，有一种以化学热力学的结论（公式和简单的数学运算）代替对复杂多变的化学现象的实验研究和理论分析的纯理性倾向。化学热力学结论的可靠性自然是不必怀疑的，但是在应用时必须事先知道或者确定体系的起始状态和终了状态（如作用物和生成物），否则是无能为力的。而且对于丰富多彩的化学过程来说，它不能给出有关细节的任何资料，所以对于化学过程来说，它的作用相当于是一个“黑盒子”。‎ 分子的化学结构在化学学科和化学教育中占有重要地位，它不仅代表了从化学式到化学结构式这一发展过程中人们对于化学物质认识的飞跃，而且对于初学者来说，更有使得分子由原来的“可以意会，不可言传”的微观粒子变得生动具体的作用。但是，近年来的化学教材所钟爱的却是以量子力学原理为基础（以一系列近似为前提）而推衍出来的一些结构理论和图形（又加上一系列近似），如电子云，钻穿效应，分子轨道理论等等一些只对学习化学专业的学生或有志于涉足化学领域的人才是重要的一些内容。不能否认，后面所提到的这些理论代表了近40年以来化学结构理论成就的一个侧面，但是对于初学者和非化学爱好者而言，却难免有“阳春白雪，和者盖寡”之嫌。很多学生在学了电子云的概念之后，常常反映有一种如同坠入万里云雾中的感觉，大概与此有一定的关系。‎ 这种倾向在20世纪50年代出版的由鲍林（L Pauling）编著的普通化学中首开风气之先，到了20世纪70年代就成为一种主流。在美国的中学化学教材中，也有所反映。当时同时出版了两本指导思想和风格全然不同的中学教材，一本以热力学基础和初等化学结构理论为主线，同时设计了一套水平比较高的化学实验，书名为CBA（Chemical Bond ‎ Approach，可译作《化学键方案》）；另一本和传统教材体系相差不多，但强化了学生实验，书名为Chemstudy(可译为《学习化学》)。CBA后来因为难度太大而停止试教，Chemstudy则一直在使用和修订着。当时国际上化学教材和教学思想中的这种学科化和经院化倾向，不仅影响了我国20世纪70年代后期的大学及中学的化学教材与教学，而且至今仍然难以摆脱，可能和我国理科教育中有一种偏爱理性内容的传统是分不开的。我无意一概反对科学教材和教学的理性化，只是认为对于像化学这样一门仍然以实验为主的科学，尤其是对于非化学专业的学生，以及基础教育阶段的中学生来说，不可不记取CBA和我们近20年来在化学教学中所积累的诸多经验和教训。大一化学和中学化学的教学实践经验证明，学生对化学的学习兴趣和热情随着课程的进行呈衰减趋势的百分比一直处于较高的水平，已是无可回避的严峻事实。令人吃惊的是，这种现象在某些著名大学化学系的低年级学生中也并非罕见。‎ ‎3.基础化学的特点 关于基础化学的特点，是一个见仁见智的问题。此处仅就初等化学教学中涉及的几个问题提出几点看法。‎ 化学的生动有趣与引人入胜之处在于，化学现象的复杂多变，而又如此的贴近生活，具有很强烈的实在感；化学通过实验（包括演示）和图形潜移默化地、巧妙地绕过了存在于微观和宏观世界之间认识上的鸿沟，使得物质的化学结构和化学变化成为可以用简明扼要的、有严格语法规则的化学语言来描述的、具体而且富有想象力的符号组合；通过从已知到未知的联想，物质的基本性质和反应的主要特点，可以或多或少地做到“尽收眼底”。固然从中所能提取的信息量的多少，可能因人因事而异，也与每个人的经验及水平有关，但是却可以顺利地用来进行学术交流（包括国际交流），其作用和物理公式、数学公式有异曲同工之妙。在显示所涉及的具体物质方面，则更有其特色。可是如果对具体的化学物质并无了解，又不进行实地观察或进行实验，就会成为一种也许只对考试有用的符号游戏，失去了对化学体系的实体感，也就体会不到学习化学的兴趣。如果观察和实验只局限于验证教材上对某个问题所做的解释或理论，而忽视了对化学体系的全面观察和分析，给学生的印象也许最多像一次有趣的魔术表演罢了。化学魔术和自然界的化学现象一样，如果只停留在对表面现象做一般性的观察的阶段，还不能认为是在学习化学（指化学学科），更不能成为学习化学的一种方法，至少是一种效率很低的方法。因为学生也许会萌生新奇感，但无法启动学生的探究欲和创新欲。而后者却是科学教育的主要功能之一。‎ 化学的基点是为数有限的、大约100多个的化学元素。但是当元素间以不同种类、不同数量和不同结构组成分子时，其数量按理应是无限的（目前已经超过2‎ ‎ 000万种以上，而且仍在以每年百万种的速度增长着）。在化学家看来，物质世界是由各式各样的分子和它们的因组分而异、因时而异或因地而异的聚集态所构成的。物质世界所发生的种种变化，是分子及其聚集态在所处条件下组成、结构与状态变化的宏观表现（这种看法显然对物质世界的多样性做了相当大的简化）。以浓度的概念为例，初等化学不仅介绍了浓度的定义，还从“浓度”这个角度为人们了解和调控某种或某些元素在体系中的“活性”，提供了从定性与定量两个方面加以理解的基础。人们常常听到的微量元素对于生命和健康有如何如何的作用的常识性介绍和厂家的宣传中的“微量”，也许可以算是与定性的“浓度”概念有关的一个例子。但是从化学的教学要求来看，它仅仅和小学课本中说的糖水或盐水浓度的水平基本相同。除去化学元素的名称和符号外，应当认为并没有涉及化学体系的本质。化学家普遍的认识大致可归结为，元素固然是一切化学物质的基础，但是在自然界中，元素只能以某种由自身（包括以单个原子存在的稀有气体和介稳状态的等离子体等）或与其他元素相结合的形式存在着。因此，它的化学行为（通常称为化学性质、物理性质和化学反应。前者以体系自身为主；后者对参加反应的所有物质应当首先同等对待，然后再区分主次）应当由体系中某种元素的存在形式或（与）其“载体”的浓度所决定。例如，氢气和氧气的混合物只是在氢气的体积比达到4.0%～74.2%时，才是平常所说的爆鸣气；在银盐溶液中加入氯化钠溶液，也只有当Ag+和Cl-的浓度（或二者浓度的乘积）达到一定的数值，才会出现AgCl的沉淀；元素锌和元素钙在人体健康中起作用时，不仅要和适当的蛋白质相结合，而且必须在极限浓度之内，否则反而会有不良影响；现在大城市每天发布的空气污染指数，也只有从这个角度去理解，才能正确理解它的意义。‎ 但是，在化学教材和教学中，“精心设计，布满陷阱”的浓度计算题，可谓五花八门。姑且不论有很多题目的答案是否合乎实际，至少在学时和导向两个方面，对于学生结合浓度来加深对化学的理解的要求起了分散注意力的负面作用，却是无可推托的。何况，对于复杂体系中的某个或某几个组分的浓度，化学家最常用、同时被认为是最可信的方法是实际进行实验测定，而不是计算，化学是一门实验科学在此是体现得很具体的了。至于有关浓度对化学体系的性质和变化所起的作用的了解，其深度将因学生的学习阶段和兴趣而定，适度的运算因为有利于对浓度的作用留下定量或半定量的印象，对于大学化学和对化学有特殊兴趣的学生，也许是必要的（如有关简单体系化学平衡的计算等）。不过，我们应当牢牢把握住的是，化学至今仍然是一门实验科学，学习化学时可能要用到不同层次的数学，但是不可能通过，至少不能只通过数学来学习化学，而是由化学学科的性质和它的现状所决定的。‎ ‎4.关于化学实验 化学是一门实验科学的提法，是由化学学科的研究方法和学科的成熟程度所决定的。直到现在，有关化学体系的性质、结构和变化规律性的取得，仍然主要靠系统的实验研究。由于科学实验通常是在经过严格控制和适当简化后的条件下进行的，所得结论不可避免地要受到有关条件的制约。当一些对体系能够产生重要影响的条件发生变化，而且超出某个限度时，就会再也观察不到原有的规律性（有时叫做非线性）。硫酸和金属间的反应就是大家所熟悉的一个例子。反应物的浓度、体系的温度、体系压强、催化剂及所用催化剂的种类等，是大家所熟悉的在化学实验中常用的一些条件。除此以外，电磁辐射（如紫外光、可见光、微波等）、超声、外电场（如电解、电镀等）以及近年来受到关注的磁场等，由于和高新技术、环境、材料及生命科学密切相关，也已成为研究某些化学体系的性质时常常考虑在内的条件。‎ 但是在化学教学中，如何体现出化学是一门实验科学，则是一个应当实事求是地进行研究的问题。首先不应当理解为化学课程中的所有内容，至少是主要内容，都应当由学生亲手通过化学实验做一遍。不仅因为学时不允许，而且对于即使是化学系的学生，也是不必要的。学校教育的价值在于传授知识、培养能力和形成符合当时当地的道德观方面所表现出来的高效率和高质量。在教学中通过教师的组织和引导，学生可以在有限的时间内，受到前辈教育家和科学家们从人类几千年的文化中精心挑选和精心组织过的文化遗产和科学技术的教育与熏陶，从而迅速地成长。可以设想，即使是像氯的性质这样的内容，如果要求学生通过实验来全面了解它，就要从氯的存在、制备和与其他所有的已知化合物之间的反应等方面来进行实验，显然是不可能，也是不必要的。它也说明了通过教学过程来提高学生们对客观事物的认识水平时所用的方法，与研究人员通过研究工作来认识客观事物的途径和方法，可以是不同的。‎ 既然如此，为何在所有的化学课程中都必须安排一定比例的实验课，而且有不断强化的趋势？化学实验课的作用与价值是什么？这又是一个多年来争论不休，见仁见智的问题。对此有如下的看法。‎ ‎（1）化学（科学）实验教学的重要性 ‎① 非常有利于培养与发展学生对科学技术的学习兴趣与能力。由于手脑并用，感知与思维的结合，理论和实践的结合，对学生能力的全面发展，创新意识的萌发和实践习惯的养成有极重要的作用。‎ ‎② 如果能把青少年的科学实验的训练从狭义的实验室实践加以扩大，紧密联系生活、环境与社会，将有利于加深对人和自然环境及科学技术间关系的认识，培养和发展对科学技术的认识及兴趣。‎ ‎③ 是课堂教学的重要补充。‎ ‎④ 善于观察，勤于思考和学习，勇于实践，是新一代公民所应具有的基本素质。‎ ‎（2）现状分析 ‎① 目前，化学实验内容的选择和实验课的组织，有局限于大纲，局限于课堂，过分重视验证书本上的知识和基本操作的细节的特点。验证性实验固然有利于通过观察所认定的化学现象，起到加深记忆的作用。但是，现实情况是，由于为了使学生所观察到的现象与教材和教师所预定的完全一致，影响化学过程的因素被教材和教师严格地控制着，这时，实验的作用和看教师演示或多媒体演示相差不多，实验者体会不到化学现象是由反应条件所决定的这个最能体现化学特点的结论。在学生的印象里，只要反应体系给定了，产物或结论也就确定了，所有的一切和教科书上所写的并无不同，这样的化学实验，如何能够起到在化学教学大纲中所列举的如此众多的培养目标？在这种实验教学体系中，可以找到早年化学教育体系中以合成和分析为中心的痕迹。从现代化学教育目标来看，它已经陈旧了。和教科书中视为重点的化学结构理论和热力学理论之间的不匹配，也是很明显的。‎ ‎②学生对化学实验课的热情和兴趣迅速下降，难以持久。能力得不到全面的培养和发展，科学实验有时也就变得有名无实了。我国化学教育界有人把实验的价值突出为“动手能力”的说法，从另一个侧面说明了这个问题。‎ ‎③现行教学中的化学实验内容相当陈旧，有些实验基本上不能反映出科技和学科的发展现状。即使近年来在仪器设备的现代化方面有了较大的改善的地方，实验教学方法仍然有待改进。遗憾的是，由于在相当一部分学校的化学系中，或因为从事实验教学的教师缺乏长期不懈的科研工作条件，在实验体系及技术上缺乏储备，对化学和生活、环境及社会的关系缺乏深层次的体验；或因为提职政策导向等原因，使得从事实验教学和研究的教师的工作和研究成果得不到合理的评价，严重挫伤了改革的积极性。近期出版的新编教材在删节陈旧内容和充实化学新知识、新理论及介绍新领域等方面，都有了长足的进步，给人以耳目一新的感觉。但是相比之下，化学实验教学的基本思路和方法却远未跟上。当我们一再强调素质教育，强调在教育思想上要落实在以人为本，要启发和激发学生的创造性等等的时候，化学实验教学改革的落后，不能不引起我们的深思。‎ ‎5.对化学教材的一点看法 ‎21世纪化学与其他学科的关系将进一步得到发展。其中，和高新技术、环境、材料、信息及生命科学的关系将更为密切。从目前所掌握的资料来看，化学除去应为其他科学技术的发展提供具有特殊功能的新材料（如大规模集成电路所需的新型基体材料，特高密度的信息存储材料等），新化合物（如具有高选择性的药剂，高活性的仿生制剂等）以及高效的节能或蓄能化学体系等等之外，以化学运动本身规律性为基础的理论也将有突破性的进展。‎ 由于时间分辨和空间分辨技术的发展，过去很多因为稳定性差而被排除在基础化学常识之外的物态，在其寿命内都可以像传统意义的稳定物态一样进行细致的研究，并在实际工作中加以应用。如自由基（在与生命过程、大气污染、高分子材料的老化与变性等有关问题中常用到的一个术语）、等离子体（曾被称为物质的第四态，已成为一种在加工工艺中和材料科学中使用的技术）、原子分子的电子激发态（很多电光源和激光光源的发光基质）、物质的介稳状态（胶体状态的延伸，如纳米材料，原子簇等）等，由于科学技术的发展，不仅能够对它们进行研究，而且在很多新工艺中已得到了应用。显然，物质的这些介稳状态应当作为21世纪人们的常识而进入化学教材之中。‎ 基础教育阶段的化学教材将以更加贴近生活为特征，更着重于使人们理解化学的作用。化学不仅使人们能够更全面的认识客观世界，提高与改善人类和自然界之间的关系，使之更为和谐，而且是人类社会实现可持续发展目标的基础之一。化学基础知识及有关的科学思维与工作方法，将有利于某些创新理念的提出和实现。现行教材中的部分内容，或因为概念陈旧，或因为取材陈旧，或因为偏离基础教育阶段的教学目标应当予以删除或改为阅读材料。‎ 多媒体技术、互联网络技术及其他信息技术的普及，化学数据库的充实与完善，同时也因为化学信息本身的极大丰富和化学基本理论的发展，使在化学教学与教材的主要任务中，学习和记忆某些“重要”化学知识，学会目前教材中那些所谓的基本操作一类的要求可能会遭到质疑。可以预见到，化学与所有其他的课程一样，在下个世纪中将会发生巨大的变化。但是由于缺乏系统的调查研究工作，目前无法对其作出精确的描述。‎