學科教育論文-化學的繼往開來.doc

學科教育論文-化學的繼往開來化學真正被確立成為一門科學大約在18世紀后期。工業(yè)革命推動社會生產的空前發(fā)展，給化學研究提供了必要的實驗設備和研究課題。燃燒過程在生產中的普遍應用，促使人們開始研究燃燒反應的實質。最初，認為一切與燃燒有關的化學變化都可以歸結為物質吸收或釋放一種“燃素物質”的過程，而命名為燃素學說。它對當時已知的許多化學現象作出了定性的解釋，但也還存在著許多的矛盾，如它不能解釋金屬煅燒時，燃素從中逸出后，質量反而增加的事實。18世紀后期，當發(fā)現氧氣之后，法國科學家LavosierAL在實驗的基礎上，證實燃燒的實質是物質和空氣中的氧氣發(fā)生的化合反應。氧化燃燒理論代替了燃素說。Lavosier提出的化學元素的概念，并揭示了眾所周知的質量守恒定律。因此Lavosier被公認為“化學之父”和化學科學奠基人。19世紀初，由于化學知識的積累和化學實驗從定性研究到定量研究的發(fā)展，關于化合物的組成也初步得出了一些規(guī)律，如化合物定組成定律以及化合量定律。在這些實驗的基礎上，英國科學家DaltonJ開始孕育一種關于“原子”的新思想，他認為物質是由不能再分割的原子所組成，原子不能創(chuàng)造也不能消滅，每種元素當它與其他元素化合時都是以原子為代表的最小單位一份一份地進行。DaltonJ的原子論合理地解釋了當時已知的一些化學定律，而且開始了原子量的測定工作，并得到了第一張原子量表，為化學的發(fā)展奠立了重要的基礎?；瘜W由此進入了以原子論為主線的新時期。Dalton的原子論對化學發(fā)展雖有重大貢獻，但由于受當時科學技術發(fā)展水平的限制，受機械論、形而上學自然觀的影響，因此它仍存在著一些缺點和錯誤。尤其是在揭示了原子內部結構之后，原子不可分割的論點明顯需要進行修正和補充。另外，他未能區(qū)分原子和分子，因此，Dalton原子論與有些實驗事實之間存在著一些矛盾。1808年GayLussac通過氣體反應實驗提出了氣體化合體積定律：在同溫同壓下，氣體反應中各氣體體積互成簡單的整數比。并且利用剛剛誕生的原子論加以解釋，很自然地得出這樣的結論：同溫同壓下的各種氣體，相同體積內含有相同的原子數。根據這個觀點就會得出“半個原子”的結論，例如由一體積氯氣和一體積氫氣生成了兩體積氯化氫，每個氯化氫都只能是半個原子的氯和半個原子的氫所組成，這與原子不可分割的觀點直接對立，此問題成為GayLussac與Dalton爭論的焦點。為了解決這個矛盾，1811年意大利科學家Avogadro提出了分子的概念，認為氣體分子可以由幾個原子組成，例如H2，O2，Cl2都是雙原子分子，并且指出：同溫同壓下，同體積氣體所含分子數目相等。這樣原子學說和氣體化合體積定律統(tǒng)一起來了。但是，Avogadro的分子假說直到半個世紀以后才被公認。在1860年國際化學會議上關于原子量問題的激烈爭論之際，CannizzaroS在他的論文中指出，只要接受50年前Avogadro提出的分子假說，測定原子量、確定化學式的困難就可以迎刃而解，半個世紀來化學領域中的混亂都可以一掃而清。他的論點條理清楚，論據充分，迅速得到各國化學家的贊同，原子分子論從此得以確定。它奠立了近化化學總體的理論基礎。它指明：不同元素代表不同原子，原子按一定方式或結構結合成分子，分子的結構直接決定其性能，分子進一步組成物質。這個理論基礎在化學的發(fā)展進程中不斷深化和擴展。元素、原子、分子和原子量，是現代化學科學中最基本的幾個概念。到1869年已有63種元素為科學家們所認識，測定原子量的工作也有了很大的進展，原子價的概念已得到明確，對各種元素的物理及化學性質的研究成果也越來越豐富。在此基礎上，MendeleevDI和MeyevL深入研究了元素的物理和化學性能隨原子量遞變的關系，發(fā)現了元素性質按原子量從小到大的順序周而復始地遞變的周期關系，并把它表達成元素周期表的形式。元素周期律的發(fā)現對化學的發(fā)展，特別是對無機化學的系統(tǒng)化，起了決定性作用。至于元素的發(fā)現及原子量的準確測定則歸功于經典化學分析的建立和完善，也可以說它們是發(fā)現周期律的實驗基礎。18世紀末到19世紀中葉，隨著采礦、冶金工業(yè)的發(fā)展，定性化學分析的系統(tǒng)化、重量分析法、滴定分析法等逐步完善。最享盛譽的分析化學家BerzeliusJJ的名著化學教程（1841年）記載著當時所用實驗儀器設備和分離測定方法，已初具今日化學分析的端倪。尤其是滴定分析法（如銀量法、碘量法、高錳酸鉀法等）至今仍有廣泛的實用價值?，F代的儀器分析法雖具有快速靈敏等優(yōu)點，但試樣的預處理及測定結果的相對標準等仍是與經典化學分析法相輔相成。1858年KekulFA總結出碳原子是四價。這時，關于有機化合物分子中價鍵的飽和性已經比較清楚了。不久碳原子的四面體向價鍵的方向性也被揭示出來。價鍵的飽和性和方向性的發(fā)現，奠定了有機立體化學。這樣，有機合成就可以做到按圖索驥而用不著單憑經驗摸索了。這對有機化學的發(fā)展是非常重要的，至今它仍然是有機化學最基本的概念之一。在19世紀前期，化學研究與物理學、數學的發(fā)展存在一定的脫離，阻礙了前進的步伐。而自19世紀中葉開始，運用物理學的定律研究化學體系，闡明化學反應進行的方向、程度和速率等基本問題，取得了可喜的成效，這使人們看到了物理和化學結合的重要意義，逐步形成了物理化學分支學科。到本世紀初化學家對物質的認識雖已經達到分子和原子的層次，同時總結出元素周期律，創(chuàng)立了研究分子立體構型的立體化學。但是，要進一步深入發(fā)展，認識化學鍵、元素周期律以及價鍵飽和性和方向性等本質問題，則有待于揭開原子結構的奧秘。在19世紀、20世紀之交，物理學有了一系列的重大發(fā)現（如電子、放射性和X射線等），揭示了原子的內部結構和微觀世界波粒二象性的普遍性，使經典力學上升為量子力學。量子力學為化學提供了分析原子和分子的電子結構的理論方法。1927年HeitlerW和LondonFW應用量子力學方法成功地處理了氫分子中電子的運動，闡明了共價鍵以及它的飽和性和方向性的本質。量子力學在化學鍵理論研究上的應用，逐步認識了化學鍵的本質，對原子結合成分子的方式、依據和規(guī)律方面的研究已日趨深入和系統(tǒng)。近代物理學對化學的發(fā)展不論在理論上和實驗上都提供了巨大的支持和有力的手段。在實驗上，各種衍射和光譜等研究原子、分子和晶體結構的新方法層出不窮，為化學家認識原子、分子結構和性能積累了大量的實驗資料及一系列有指導意義的原則。因此化學學科進入了一個全新的發(fā)展階段。借助于近代物理學的進展，化學得到了如虎添翼般地迅速發(fā)展。不僅自然界中存在的“未知元素”逐一被發(fā)現，而且還在實驗室中人工合成了自然界尚不存在的元素。有機化學也得到了長足的發(fā)展，在實驗室中不僅分離和提取了一系列天然有機產物，而且還合成了一些自然界未曾發(fā)現的化合物，并逐步興起了有機合成化學工業(yè)，尤其以染料和制藥工業(yè)最為突出，煤焦油和石油等各種天然資源的開發(fā)和綜合利用也相繼向前推進。到了20世紀30年代，隨著有機化學和有機合成工業(yè)的發(fā)展，世界進入了人工合成高分子材料的新時代，合成橡膠、合成纖維和合成塑料等新材料的成批生產，都是化學家的卓越貢獻?；瘜W學科長久的任務是整理天然產物和耕耘周期系，不斷發(fā)現和合成新的化合物，并弄清它們的結構和性能的關系，深入研究化學反應理論和尋找反應的最佳過程。這個化學學科的傳統(tǒng)特色，肯定還要繼續(xù)發(fā)展下去。另一方面，當今化學發(fā)展的一個特點是積極向一些與國民經濟和人民生活關系密切的學科滲透，最突出的是與能源科學、環(huán)境科學、生命科學和材料科學的相互滲透?；瘜W面臨著新的需求和挑戰(zhàn)，同時隨著結構理論和化學反應理論以及計算機、激光、磁共振和重組DNA技術等新技術的發(fā)展，化學對分子水平的掌握日益得心應手，剪裁分子之說應運而生，即按照某種特定需