現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展對(duì)中學(xué)化學(xué)的影響

現(xiàn)代化學(xué)與中學(xué)化學(xué)龔正元07165@本課程的主要內(nèi)容現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展及其對(duì)中學(xué)化學(xué)的影響化學(xué)知識(shí)拓展(化學(xué)與環(huán)境、化學(xué)與能源、化學(xué)與材料等）化學(xué)知識(shí)加深中學(xué)化學(xué)疑難問(wèn)題研究第一講現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展及其對(duì)中學(xué)化學(xué)課程的影響一、化學(xué)學(xué)科的成就和地位1.化學(xué)學(xué)科的地位早在1985年，美國(guó)學(xué)者G.C.皮門特爾指出：“化學(xué)是一門中心科學(xué)，它與社會(huì)多方面的需要有關(guān)?；瘜W(xué)的基礎(chǔ)研究則將有助于我們的后代賴以滿足演化中的需要，賴以解決許多難以預(yù)期的問(wèn)題?！保?）化學(xué)是一門承上啟下的中心科學(xué)?？茖W(xué)可按照它的研究對(duì)象由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的程度分為上游、中游和下游。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游，化學(xué)是中游，生命、材料、環(huán)境等朝陽(yáng)科學(xué)是下游?；瘜W(xué)是中心科學(xué)，是從上游到下游的必經(jīng)之地。(2)化學(xué)又是一門社會(huì)迫切需要的中心科學(xué)，與我們的衣、食、?。ńú?、家具）、行（汽車、道路）都有非常緊密的聯(lián)系。(3)化學(xué)是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學(xué)等八大朝陽(yáng)科學(xué)（sun-risesciences)都有緊密的聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學(xué)。今天，在人類社會(huì)發(fā)展過(guò)程中迫切需要解決的幾個(gè)重大問(wèn)題：環(huán)境、糧食、能源、生命進(jìn)化等，都需要化學(xué)的參與。

2.20世紀(jì)化學(xué)的重大成就在20世紀(jì)的100年中，化學(xué)與化工取得了空前輝煌的成就?！翱涨拜x煌”可以數(shù)字說(shuō)明。1900年在ChemicalAbstracts(CA)上登錄的從天然產(chǎn)物中分離出來(lái)的和人工合成的已知化合物只有55萬(wàn)種?；瘜W(xué)是以指數(shù)函數(shù)的形式向前發(fā)展的。新分子和新材料的飛速增長(zhǎng)年份已知化合物數(shù)目（萬(wàn)）1900

551945

110（大約45年加倍）1970

236.7（大約25年加倍）1975

414.81980

593（大約10年加倍）1985

7851990

1057.6（大約10年加倍）1999

20002001

3771但“化學(xué)家太謙虛”（這句話是Nature雜志在2001年的評(píng)論中說(shuō)的），不會(huì)向社會(huì)宣傳化學(xué)與化工對(duì)社會(huì)的重要貢獻(xiàn)。因此20世紀(jì)化學(xué)取得的輝煌成就，并未獲得社會(huì)應(yīng)有的認(rèn)可。生物化學(xué)——分子生物學(xué)固體化學(xué)——凝聚態(tài)物理中心科學(xué)？“伴娘科學(xué)”？20世紀(jì)發(fā)明的七大技術(shù)中最重要的是信息技術(shù)、化學(xué)合成技術(shù)和生物技術(shù)報(bào)刊上常說(shuō)20世紀(jì)發(fā)明了六大技術(shù):1.包括無(wú)線電、半導(dǎo)體、芯片、集成電路、計(jì)算機(jī)、通訊和網(wǎng)絡(luò)等的信息技術(shù)；2.基因重組、克隆和生物芯片等生物技術(shù)；3.核科學(xué)和核武器技術(shù)；4.航空航天和導(dǎo)彈技術(shù)；5.激光技術(shù)；6.納米技術(shù)。但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農(nóng)藥的化學(xué)合成（包括分離）技術(shù)。上述六大技術(shù)如果缺少一兩個(gè)，人類照樣生存。但如果沒(méi)有發(fā)明合成氨、合成尿素和合成新農(nóng)藥的技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，60億人口中的30億就會(huì)餓死。沒(méi)有發(fā)明合成各種抗生素和大量新藥物的技術(shù)，人類平均壽命要縮短25年。沒(méi)有發(fā)明合成纖維、合成橡膠、合成塑料的技術(shù)，人類生活要受到很大影響。沒(méi)有合成大量新分子和新材料的化學(xué)工業(yè)技術(shù)，上述六大技術(shù)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。二、現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)分析1.新世紀(jì)的化學(xué)科學(xué)主要研究的物質(zhì)層次化學(xué)是什么？化學(xué)的傳統(tǒng)定義：研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性能和變化規(guī)律的科學(xué)。或者：化學(xué)是研究分子的科學(xué)?，F(xiàn)代化學(xué)定義：研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各種不同尺度和不同復(fù)雜程度的聚集態(tài)的合成反應(yīng)、分離和分析、結(jié)構(gòu)形態(tài)、物理性能和生物活性及其規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué)。新世紀(jì)化學(xué)主要研究的物質(zhì)層次（1）原子層次的化學(xué)：核化學(xué)、放射化學(xué)、同位素化學(xué)、元素化學(xué)、單原子操縱和檢測(cè)化學(xué)等。（2）分子片層次的化學(xué)：原子只有一百多種，但是分子數(shù)已達(dá)三千多萬(wàn)種，因此，在原子和分子之間引入一個(gè)新層次“分子片”。（3）分子層次的化學(xué)：三千多多萬(wàn)種化合物（分子），通常分為無(wú)機(jī)、有機(jī)和高分子化合物，但是近些年合成的金屬有機(jī)化合物、元素有機(jī)化合物、原子簇化合物、金屬酶、金屬硫蛋白等等，已不能適應(yīng)傳統(tǒng)非分類方法，新世紀(jì)將研究分子結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)方式。（4）超分子層次的化學(xué)：受體和給體的化學(xué)、鎖和鑰匙的化學(xué)、分子間的非共價(jià)作用力、范德華引力、各種不同類型的氫鍵、親水與疏水基團(tuán)及其相互作用、分子的堆積、組裝、位阻及包括各種空間效應(yīng)等。（5）生物分子層次的化學(xué)：生物化學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、酶化學(xué)、腦化學(xué)、神經(jīng)化學(xué)、基團(tuán)化學(xué)、生命調(diào)控化學(xué)、藥物化學(xué)、手性化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、生命起源認(rèn)知化學(xué)等。（6）宏觀聚集態(tài)化學(xué)：固體化學(xué)、晶體化學(xué)、非晶體化學(xué)、流體和溶液化學(xué)、等離子體化學(xué)、膠體化學(xué)和界面化學(xué)等。（7）介觀聚集態(tài)化學(xué)：納米化學(xué)、軟物質(zhì)化學(xué)、膠體化學(xué)（膠團(tuán)－膠束化學(xué)和氣溶膠化學(xué)）等。2.新世紀(jì)化學(xué)科學(xué)的主要研究領(lǐng)域（1）環(huán)境相容性化學(xué)－綠色化學(xué)研究的核心問(wèn)題：綠色合成技術(shù)方法和過(guò)程可再生資源的利用和轉(zhuǎn)化中存在的一系列問(wèn)題的研究。礦物質(zhì)資源高效利用中存在的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究。（2）新材料化學(xué)科學(xué)新材料的研究主要有以下幾個(gè)方面：復(fù)合型材料新型能源材料可生物降解高分子材料有機(jī)物體系膜分離及膜材料的研究生物材料化學(xué)（3）化學(xué)中的生命科學(xué)生物超分子功能的研究模擬生物體系的自由基化學(xué)和物理有機(jī)化學(xué)研究無(wú)機(jī)化合物藥用的研究

無(wú)機(jī)藥物的手性選擇問(wèn)題、抗癌配合物的研究、利用微量金屬離子有效地預(yù)防疾病、對(duì)無(wú)機(jī)藥物跨膜運(yùn)送機(jī)制、無(wú)機(jī)藥物載體和靶向藥物的研究、核藥物及中藥復(fù)方中使用礦物的問(wèn)題。（4）化學(xué)工程技術(shù)從液滴－反應(yīng)器的尺度范圍內(nèi)對(duì)化學(xué)轉(zhuǎn)化影響下的某些重要的物理現(xiàn)象進(jìn)行研究就形成了化學(xué)工程。具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境優(yōu)化性的化學(xué)過(guò)程集成智能方法化學(xué)反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)飛秒激光控制化學(xué)反應(yīng)微系統(tǒng)（MEMS）的新型活性加工技術(shù)及微流量系統(tǒng)的研究。（5）農(nóng)業(yè)化學(xué)科學(xué)糧食問(wèn)題的解決，除了不斷發(fā)展其他領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)（如海洋藍(lán)色農(nóng)業(yè)、微生物白色農(nóng)業(yè)等）之外，化肥工業(yè)是支撐農(nóng)業(yè)發(fā)展不可動(dòng)搖的基石重要研究?jī)?nèi)容：固氮工程、光合作用、長(zhǎng)效緩釋化肥等其他重點(diǎn)研究領(lǐng)域：植物激素及生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)、昆蟲(chóng)激素及生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)、昆蟲(chóng)信息素、生物活性發(fā)展的分離和鑒定等。（6）催化化學(xué)新世紀(jì)的催化化學(xué)是以消除有害物質(zhì)為目的的新的能源環(huán)保為特征的催化化學(xué)研究各種形式的催化過(guò)程，如化學(xué)催化、生物催化、擇形催化、電催化、光催化等在綠色合成中的作用。研制開(kāi)發(fā)家電用環(huán)保催化劑、烹調(diào)器用自凈化催化劑、光催化空氣凈化劑、催化燃料電池、汽車尾氣凈化劑等。（7）計(jì)算機(jī)化學(xué)科學(xué)一方面電子信息產(chǎn)業(yè)需要大量的化工原料，其中有基材、光刻膠、摻雜劑、封裝材料及專用清洗劑等。另一方面，隨著分子生物學(xué)的不斷興起和發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在生物大分子之間遵循化學(xué)和生理規(guī)律發(fā)生相互作用過(guò)程中，能形成具有類似于計(jì)算機(jī)的信息傳輸和處理、甚至邏輯運(yùn)算功能的“生物電路”，從而誕生了生物計(jì)算。計(jì)算機(jī)化學(xué)科學(xué)的另一領(lǐng)域是發(fā)展理論化學(xué)計(jì)算及微觀過(guò)程模型的軟件。三、高中化學(xué)課程中的現(xiàn)代化學(xué)內(nèi)容1.物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)《化學(xué)1》知道化學(xué)是在分子層面上認(rèn)識(shí)物質(zhì)和合成新物質(zhì)的一門科學(xué)《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》

了解晶格能的應(yīng)用，知道晶格能的大小可以衡量離子晶體中離子鍵的強(qiáng)弱；舉例說(shuō)明分子間作用力對(duì)物質(zhì)狀態(tài)等方面的影響；列舉含有氫鍵的物質(zhì)，知道氫鍵的存在對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響。2.化學(xué)與環(huán)境科學(xué)《化學(xué)1》

通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)氯、氮、硫、硅等非金屬及其重要化合物在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響?！痘瘜W(xué)2》

以酸雨的防治和無(wú)磷洗滌劑的使用為例，體會(huì)化學(xué)對(duì)環(huán)境保護(hù)的意義；能說(shuō)明合成新物質(zhì)對(duì)人類生活的影響，討論在化工生產(chǎn)中遵循“綠色化學(xué)思想”的重要性?！秾?shí)驗(yàn)化學(xué)》

樹(shù)立綠色化學(xué)思想，形成環(huán)境保護(hù)的意識(shí)?！痘瘜W(xué)與生活》

評(píng)價(jià)高分子材料的使用對(duì)人類生活質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的影響；通過(guò)典型的水污染實(shí)例認(rèn)識(shí)水污染造成的危害，能說(shuō)出污水處理中主要的化學(xué)方法和原理；知道大氣主要污染物，能說(shuō)出減少大氣污染物的一種及方法；認(rèn)識(shí)“白色污染”的危害和防治方法；根據(jù)防治土壤污染、保護(hù)環(huán)境的要求，舉例說(shuō)明廢水處理、垃圾和其他生活廢棄物的處置方法?！痘瘜W(xué)與技術(shù)》

以廢舊塑料的再生利用為例，認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)廢舊物資再生與綜合利用的作用，討論其可能的途徑。3.能源科學(xué)《化學(xué)2》

知道化學(xué)鍵的斷裂和形成是化學(xué)反應(yīng)中能量變化的主要原因；通過(guò)生產(chǎn)、生活中的實(shí)例了解化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化；舉例說(shuō)明化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化關(guān)系；認(rèn)識(shí)提高燃料的燃燒效率、開(kāi)發(fā)高能清潔燃料和研制新型電池的重要性?！痘瘜W(xué)反應(yīng)原理》

了解化學(xué)反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化的原因，能說(shuō)出常見(jiàn)的能量轉(zhuǎn)化形式；通過(guò)查閱資料說(shuō)明能源是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，了解化學(xué)在解決能源危機(jī)中的重要作用，知道節(jié)約能源、提高能源利用效率的實(shí)際意義；體驗(yàn)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的探究過(guò)程，了解原電池和電解池的工作原理，能寫(xiě)出電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式；通過(guò)查閱資料了解常見(jiàn)電源種類及其工作原理，認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用。4.材料科學(xué)《化學(xué)1》

能列舉合金材料的重要應(yīng)用。《化學(xué)2》

能舉例說(shuō)明高分子材料在生活等領(lǐng)域的應(yīng)用?！痘瘜W(xué)與生活》

列舉生活中的常用材料，能通過(guò)實(shí)例認(rèn)識(shí)化學(xué)在發(fā)展生活用材料中的重要作用；認(rèn)識(shí)金屬與合金在性能上的主要差異，知道生活中常見(jiàn)的合金的組成；舉例說(shuō)明生活中常見(jiàn)合成高分子材料的化學(xué)成分及其性能，評(píng)價(jià)高分子材料的使用對(duì)人類生活質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的影響。《化學(xué)與技術(shù)》

討論社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步對(duì)材料的要求，認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)材料科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用；舉例說(shuō)明金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子合成材料、復(fù)合材料和其他材料的特點(diǎn)，了解有關(guān)的生產(chǎn)原理；舉例說(shuō)明用化學(xué)方法進(jìn)行金屬材料表面處理的原理；收集我國(guó)現(xiàn)代材料研究和材料工業(yè)發(fā)展情況的資料，認(rèn)識(shí)新材料的發(fā)展方向?！队袡C(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》

能舉例說(shuō)明合成高分子的組成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能依據(jù)簡(jiǎn)單合成高分子的結(jié)構(gòu)分析其鏈節(jié)和單體；舉例說(shuō)明新型高分子材料的優(yōu)異性能及其在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。5.催化化學(xué)《化學(xué)與技術(shù)》

了解催化劑的研制對(duì)促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重大意義。《化學(xué)反應(yīng)原理》

通過(guò)催化劑實(shí)際應(yīng)用的事例，認(rèn)識(shí)其在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重大作用。6.生命科學(xué)《化學(xué)與生活》

說(shuō)明氨基酸、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特點(diǎn)，能列舉人體必須的氨基酸；通過(guò)實(shí)例了解人體必須的維生素的主要來(lái)源及其攝入途徑，了解維生素在人體中的作用；了解人體新陳代謝過(guò)程中的某些生化反應(yīng)。《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》

能說(shuō)出氨基酸的組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要化學(xué)性質(zhì)，查閱資料了解氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸等的意義，體會(huì)化學(xué)科學(xué)在生命科學(xué)發(fā)展中所起的作用。7.在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用《化學(xué)與技術(shù)》

了解我國(guó)基本化工的生產(chǎn)資源、基本化工產(chǎn)品的主要種類和發(fā)展概況；了解合成氨的主要原理、原料、重要設(shè)備、流程和意義，認(rèn)識(shí)催化劑的研制對(duì)促進(jìn)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重大意義；通過(guò)實(shí)例了解精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)，知道精細(xì)化工在社會(huì)發(fā)展中的作用；通過(guò)典型事例了解化學(xué)肥料、農(nóng)藥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和除莠劑及其發(fā)展趨勢(shì)。《化學(xué)與生活》

知道常見(jiàn)的食品添加劑的組成、性質(zhì)和作用；知道水泥、玻璃和陶瓷的主要化學(xué)成分、生產(chǎn)原料及其用途。《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》

舉例說(shuō)明烴類物質(zhì)在有機(jī)合成和有機(jī)化工中的重要作用；認(rèn)識(shí)糖類的組成和性質(zhì)特點(diǎn)，能舉例說(shuō)明糖類在食品加工和生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)上的應(yīng)用；討論有機(jī)合成在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、提高生活質(zhì)量方面的貢獻(xiàn)。四、中學(xué)化學(xué)課程中的科學(xué)觀念1、什么是科學(xué)觀念？科學(xué)觀念是指人們對(duì)科學(xué)對(duì)象、科學(xué)過(guò)程的本源和本體的見(jiàn)解或意識(shí)，即對(duì)科學(xué)對(duì)象持有的整體的觀點(diǎn)，包括科學(xué)思想、科學(xué)精神、科學(xué)方法等?？茖W(xué)觀念是科學(xué)認(rèn)識(shí)和實(shí)踐中思維的細(xì)胞和基石，也是組成科學(xué)素質(zhì)的最高層次的要素。就科學(xué)過(guò)程而言，科學(xué)觀念包括人類為什么想、怎樣想、想出了什么、為什么這樣想等。2、中學(xué)化學(xué)課程包含的科學(xué)觀念（1）物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)變化的（2）物質(zhì)的性質(zhì)是由其組成和結(jié)構(gòu)決定的（3）物質(zhì)不可能無(wú)緣無(wú)故消失，只可能有規(guī)律地轉(zhuǎn)化（4）環(huán)境問(wèn)題較多是由人類不正確使用科技成果造成的，各門科學(xué)可以繼續(xù)為解決環(huán)境問(wèn)題貢獻(xiàn)力量。（5）人是自然的一部分，人的生存、成長(zhǎng)和發(fā)展需要借助科學(xué)知識(shí)、遵循科學(xué)規(guī)律。（6）自然是人類可利用的重要資源，也是人類的朋友。（7）科學(xué)研究有方法可循。但是方法不是萬(wàn)能的。3.科學(xué)觀念的來(lái)源（1）包括化學(xué)學(xué)科在內(nèi)的各門具體學(xué)科的科學(xué)概念、科學(xué)理論等知識(shí)。如元素周期表與元素周期律、氧化還原反應(yīng)規(guī)律、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途等。（2）科學(xué)發(fā)展史如燃素說(shuō)與氧的發(fā)現(xiàn)（3）科學(xué)技術(shù)的社會(huì)化帶來(lái)的新觀念和新思想。如人的自然協(xié)調(diào)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力、生態(tài)平衡等。4.科學(xué)觀念的培養(yǎng)途徑科學(xué)觀念的形成，是在對(duì)具體的科學(xué)知識(shí)、技能和方法的學(xué)習(xí)與實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)內(nèi)化、升華而逐漸形成、發(fā)展起來(lái)的。（1）構(gòu)建合理的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)（2）重視知識(shí)發(fā)生和獲得的過(guò)程（3）以適當(dāng)方式促進(jìn)學(xué)生感悟（4）深