无机化学知识对中学化学教学的启示.ppt

无机化学知识对中学化学教学的启示 化学 研究物质的性质和变化规律的科学 化学主要是在分子和原子层次上研究物质的组成 结构 性质 变化以及变化过程中的能量关系 一 化学是什么 二 化学学科的特点 把宏观和微观联系起来 把物质及其变化符号化形象化 三 无机化学 课程的主要内容 1 化学原理热力学 动力学 化学平衡 酸碱平衡 溶解平衡 氧化还原平衡 配合平衡 2 物质结构理论 原子结构 分子结构 晶体结构 3 元素化合物 中学无机化学知识归纳 四 结构理论对中学化学教学的启示 以元素为例 1 万物一元论万物是由一种原始东西构成的 原始东西 中国古代有种种名称 如 太极 道 太始 元 元气 名称虽多 但各家都认为万物是一个根源 2 物质的最小单位古代希腊一种意见是 物质只能分到原子为止 古代的自然观对世界的认识 惠施 一尺之捶 日取其半 万世不竭 墨子 物质的分割是有极限的 不能再分割的部分叫 端 3 阴阳五行说世间一切事物 有既对立而又统一的阴阳两个方面 阴阳对立的相互作用和不断运动 是万物以及它们的变化的根源 阳相当于太阳 阴相当于月亮 阴阳相互作用产生五行 金 木 水 火 土 五行与天上的星体相当 最初的五行说只是把东西 特别为人所利用的东西 分为五类 主要是分类法 是指构成东西的基本材料有五种类别 到了战国时代 五行说得到了发展 五行相胜说 如 水胜火 火胜金 金胜木 木胜土 土胜水 五行相生说 木生火 火生土 土生金 金生水 水生木 古希腊的自然观存在着初始物质 1 水是万物之源例如 泰勒斯认为 水是万物之源 2 空气是万物之源阿那克西米尼认为 空气是万物之源 3 火是万物之源拉克利特认为 火是万物之源 4 物质的四元素学说恩培多克勒 火 空气 水和土 5 物质微粒结构的学说留基帕和德模克利特认为 一切物质都是由最小的 不可分的微粒 原子组成的 德模克利特论述原子道 宇宙的要素是原子和虚空 其他一切都只是想象中存在的东西 原子不受任何外力影响 原子的不变性是由于硬度 原子是没有性质的各式各样的小物体 而虚空则是一些空的地方 使原子在其中不断上下运动 或者以某种方式纠结在一起 或者互相碰撞 弹回 在这种结合中互相分开又碰到一起 这样原子就生成其他一些复杂物体 还有我们的身体 我们的状态 我们的感觉 6 亚里斯多德的元素 性质学说 亚里斯多德表面上承认恩培多克勒四元素学说 但他认为 四元素不是物质的实体 而只是某些性质的体现者或某些性质之和 这些性质是热和冷 干和湿 这些性质在某种程度上为一切物质所具有 而两两相互对立 组成物体元素性质的改变可能使之变为另外的元素 金丹术时期 目的 希望制取人长生不死的仙药 神仙度世 与天地相毕 与日月同光 而且可以 坐见万里 役使鬼神 举家升虚 无翼而飞 乘云驾龙 上下太清 试图把一些廉价的 贱 金属铅或汞转变为的宝贵的黄金 甚至企图实现 点石成金 1 金丹术的发展过程中国的炼丹术和炼金术比西方要早近800年 曾持续了2000年 中国的炼丹术始于春秋战国时期 秦始皇统一六国后 也曾派人入海求药 据史实记载 金丹术正式开始在西汉初年 到了东汉 炼丹术得到进一步发展 东汉顺帝时 沛园丰人张道陵创建了道教 从此金丹术由道士掌握 魏晋时期 炼丹术经历二百多年的发展 进入成熟时期 唐代 炼丹术发展到鼎盛时期 宋代 中国的金丹术总的来说仍很活跃 有关理论 实验 著述各方面都继续有很大发展 明代 金丹术一度又出现了回光返照 烧丹炼汞的人又活跃了起来 2 著名的炼丹家 魏伯阳东汉著名的炼丹术家 著世界上最古老的炼丹著作 周易参同契 长生不死的阐明 巨胜 胡麻 尚延年 还丹可入口 金性不败朽 故为万物宝 术士取食之 寿命保长久 汞的阐述 河上姹女 灵而最神 见火则飞 不埃尘 鬼隐龙匿 若知所存 将欲制之 黄芽为根 葛洪 晋代道教名家 别号抱朴子 著有 金丹 黄白 仙药 抱朴子 等13本著作 其著作中记载了大量的炼丹秘方 包含了许多化学知识 记载了汞 铅 铁 铜 硝石 矾石 硫黄 石胆等许多物质的性质 例如 丹砂烧之成水银 积变又还成丹砂 以曾青涂铁 铁赤色如铜 铅性白也 而赤之以为丹 丹性赤也 而白之以为铅 葛洪 夫金丹之为物 烧之愈久变化愈妙 黄金入火百炼不消 埋之毕天不朽 服此二物炼人身体 故能令人不老不死 陶弘景晋代著名的炼丹术家和医药家 著名的著作 本草经集注 炼丹著作为 真诰 在化学上的成就 如 对葛洪的化学知识进行了发展 首次阐明了汞齐 石灰烧制及硝石鉴别等方面作出了新的贡献 对硝石 硝酸钾 的鉴别 他强调 强烧之 紫青烟起 云是真消石也 使用燃烧的方法来鉴别硝石 开了近代化学用火焰法鉴别钾盐的先河 唐代 炼丹术发展到鼎盛时期 孙思邈 著名道士和医药学家 炼丹著作 丹房诀要 和 丹经内伏硫黄法 等 后者记载了我国早期火药配方 30岁时 成功用雄黄 雌黄 曾青 慈石 经升华炼成了太一神精丹 氧化砷 其色 皎洁如雪 孙思邈用砷剂治疗疟疾 是一种很有效的方法 后来这种方法经阿拉伯西传 在欧洲曾有较大影响 唐代有六位皇帝死于丹药 文人墨客 思旧 白居易退之 韩愈 服硫黄 一病讫不痊 微之 元稹 炼秋石 未老身溘然 杜子 杜牧 得丹诀 终日断腥膻 崔君 崔元亮 夸药力 经冬不衣绵 或疾或暴夭 悉不过中年 唯予不服食 老命反迟延 有心栽花花不发 无心插柳柳成荫 未能炼就长生药 一声爆炸惊煞人 公元808年 唐朝炼丹家清虚子撰写了 太上圣祖金丹秘诀 其中的 伏火矾法 是世界上关于火药的最早文字记载 2KNO3 S 3C K2S N2 3CO2 土宿真君本草 中就有 铁受太阳之气 始生之初卤石产焉 一百年而成慈石 二百年孕而成铁 又二百年不经采炼而成铜 铜复化为白金 白金化为黄金 是铁与金银同根源也 古希腊的炼金术 兴起时间 公元一世纪炼金术士 一批掌握很好实验技艺的工艺家 遗产 发明了蒸馏器 镕炉 加热锅 烧杯 过滤器及其它一些仪器 大阿尔伯特支持金属组成的硫汞学说 在 论炼金术 一书中 他认为金属发生转变完全是可能的 只要改变金属的密度和颜色 就可以做到这一点 因此要采用必需的化学品并对贱金属进行相应的加工 同时他还非常熟悉鉴别黄金真伪的各种方法 中世纪的欧洲金丹术 培根认为汞硫是原始物质 汞是金属之父 硫是金属之母 金丹术是论述和制备某些灵药的科学 把这些灵丹妙药注入到金属或不完善物体中时 就立即变为完善物 炼金术反射镜 书中他模糊地描述了制造 哲人之石 和金属转变的操作方法 而这些金属则应采取各种相应方法生产出来 阿那德医生 炼金家 名著 哲学家的花坛 在这著作以及其他著作中 炼金术总是与医学联系在一起 他提到用于治病的各种化学药品 特别提到许多毒药和解毒药 他还是第一个描述酒精的人 在评价哲人之石的作用时 他指出 只要加1 的哲人之石 既能把汞变成黄金 吕律非常相信哲人之石 甚至大声疾呼地谈道 倘若海是汞做的 我也要把它变成黄金 贾伯 完美物集成 其中除炼金术知识外 还描述了一些化学操作和实验仪器 而且还有关于各种酸的知识 第一次说过硫酸 硝酸和王水的就是贾伯 他在书中详述蒸馏明矾可得硫酸 用硫酸与硝石作用可得硝酸 加硝酸于卤砂则得王水 完美物集成 这本书当然不可能是贾伯所写 而是一位不知名的作家假托这位知名的阿拉伯炼金家的名字写成的 元素起源的古代学说 艺文类聚 天地混沌如鸡子 盘古生其中 万八千岁 开天辟地 阳清为天 阴浊为地 盘古在其中 一日九变 神于天 圣于地 天日高一丈 地日厚一丈 盘谷日长一丈 如此万八千岁 天数极高 地数极深 盘谷极长 流行于北欧诸国的神话集 新埃达 最初是一无所有的 既没有地 也没有天 只有一条缝隙 在这虚无混沌的世界里 北方冰雪覆盖 南方则烈日炎炎 南方的火熔化北方的冰 在熔化的水滴里产生了一个巨人伊默 近代元素起源学说早期的元素起源学说主要有大爆炸理论 平衡理论和多中子块理论 1 大爆炸理论这种理论的基本观点是所有的元素形成于宇宙创生时的大爆炸过程中 元素起源的宁宙大爆炸合成学说认为 宁宙之初 全部物质都以中子形式存在于温度极高和密度也极高的 奇点 之中 根据大爆炸理论 当宇宙的核合成能以有意义的速度开始时 其中子与质子的比例约为0 12 0 88 由此核合成终结时的宇宙中约含24 的氦 其余为76 的氢 很好地解释了宇宙中氦的丰度为24 这一检测结果 但这一学说并不能说明比氦重的元素的来源 因为所有质量数为5和8的核的基态都是不稳定的 例如8Be一旦被合成 便会立即分解为两个氦核 这种学说的另一个缺陷在于 发生连续中子俘获反应的中子源来自何处 2 平衡理论该模型假设 在宇宙之初 物质以高温和高密度的状态存在 这种状态使核转变迅速发生 并导致一种真正的统计分布 要达到这种平衡 普通恒星 需要的时间无限长 如果在大质量恒星内部 温度可逾40亿度 有可能在其寿命内达到这种平衡 为了达到这种统计平衡 所需的温度约为100亿度以上 这时形成最多的以及最稳定的就是铁前后的元素了 这也与实验测得的以56Fe为中心的丰度特征相符合 3 多中子块理论为了解释重元素合成的问题 有人提出了多中子块模型 这种理论假定 宇宙物质最初是由多中子块组成的 现在观测到的元素是出多中于块分裂而形成的 然而这 理论无法解释轻元素丰度比重元素高得多这一实验事实 这些理论都部分地解释了观测现象 但同时也都存在着解释不了的问题 现代元素的概念1661年玻义耳在 怀疑派的化学家 中写道 我所指的元素 就是那些化学家讲的非常清楚的要素 也就是某种原始的 简单的或完全未经化合的物质 1789年 拉瓦锡在 化学概论 中说 关于元素 我的意思是表示组成物体的简单的和单个的微小粒子 1808年道尔顿在 化学哲学新体系 中提出 原子学说 元素的概念开始与原子的概念联系起来 1923年 国际原子量委员会将元素定义为 元素是根据原子核电荷的多少对原子进行分类的一中方法 把核电荷相同的一类原子称为一中元素 元素概念的确立以及元素的发现对教学的启示 1 好奇心人类与生俱来2 好奇心促进人类社会的进步3 在教学中如何保护好奇心 激发求知欲4 接受新的设备和方法 2010年诺贝尔物理奖 石墨烯2011年诺贝尔化学奖 准晶体 1974年Penrose发现 用两种四边形拼接可以布满整个平面而不出现空隙 如图 这种拼接图案可以存在五次轴对称性 两个四边形的边长有两种取值 其边长比为黄金分割1 61803398 这种图形有长程取向序 但没有平移对称序 即没有相应的初基元胞 具有介于晶态和非晶态之间的准晶态结构的特点 1984年在AlMn合金的透射电子显微镜的研究中首次发现了五次对称轴 其结构是定向长程有序的 但没有平移周期 即不具有格子构造 五次对称轴虽然不能在晶体中出现 但 草木花多五出 说明其在生物界却颇常见 有人认为具有五次对称轴的准晶的发现 为非生物和生物结构的研究搭起了一座桥梁 元素化合物知识对中学教学的启示 以过氧化氢为例 1 过氧化氢的分子结构 2 过氧化氢的性质和用途 一 物理性质 纯态为淡兰色粘稠液体 极性 U 2 26D 比水大 U 1 87D 缔合度比水大 沸点 423K 比水高 熔点 272K 与水接近 常用3 双氧水 30 35 二 化学性质 不稳定性低温或高纯度时比较稳定 光照 加热 微量杂质或重金属离子等都可加速分解2H2O2 2H2O O2 MnO2催化H2O2分解机理H2O2 MnO2 2H Mn2 O2 2H2O1 228V 0 6824VH2O2 Mn2 MnO2 2H 1 776V 1 228V制备 储存 Fe3 能否催化H2O2分解 弱酸性2H2O2 H HO2 K1 1 55 10 12 氧化还原性 不给体系引入新杂质 氧化性H2O2 2I 2H I2 2H2O 5H2O2 I2 2HIO3 4H2O2HIO3 5H2O2 I2 5O2 6H2O 摇摆反应 振荡反应 从热力学上判断Fe3 能否催化H2O2的分解 Question Fe3 还原成Fe2 的电位为 0 77V 此值在H2O2还原成H2O和O2还原成H2O2的两个电位之间 因而催化分解反应可能发生 我们可以通过下述计算作证明 从Fe3 还原为Fe2 的方程式和电位减去O2还原成H2O2的方程式和电位得 2Fe3 aq H2O2 aq 2Fe2 aq O2 g 2H aq E 0 07VE 0说明反应从热力学上是有利的 再从H2O2还原成H2O的方程式和电位减去Fe3 还原为Fe2 的方程式和电位得 2Fe2 aq H2O2 aq 2H aq 2Fe3 aq 2H2O l E 0 99V此E 值也大于零 因而催化分解在热力学上是允许的 反应速率事实上也很高 Fe3 应当是H2O2分解反应的有效催化剂 H2O2生产过程中要花费很大气力减去铁的污染 2013 8 27 PbS 4H2O2 PbSO4 4H2O 油画漂白 Pb2 H2O2 PbO2 2H 中性 2CrO2 绿 3H2O2 2OH 2CrO42 4H2O还原性5H2O2 2MnO4 6H 2Mn2 5O2 8H2OH2O2 Cl2 2HCl O2 工业除Cl2 Ag2O HO2 2Ag OH O2 3 22 2020 世界年产量约350万吨 以纯H2O2计 纯过氧化氢为淡蓝色接近无色的粘稠液体 通常以质量分数为0 35 0 50和0 70的水溶液作为商品投入市场 如欧洲国家将总产量的40 用于制造过硼酸盐和过碳酸盐 总产量的50 用于纸张和纺织品漂白 在美国则将总产量的25 用于净化水 杀菌和除氯 其他重要无机过氧化合物包括过硼酸盐 过碳酸盐 过氧化钠和NH 4 Na K 的过二硫酸盐 其他无机过氧化物 过硼酸钠的结构见图 而过碳酸盐实际上是碳酸钠的过氧化氢合物Na2CO3 1 5H2O2 这两种无机过氧化物主要用于洗涤剂组分 有些工厂间歇式地交替生产两种产品 工业上以硼砂为原料按两步法制备过硼酸钠 3 22 2020 Na2B4O7 2NaOH4NaBO2 H2O2NaBO2 2H2O2 6H2ONa2B2O4 OH 4 6H2O 过氧化钠主要用于采矿业 过二硫酸盐产量的65 以上用做聚合反应引发剂 以生产聚丙烯腈和乳液聚合的聚氯乙烯等 过氧化氢的检验 在酸性溶液中过氧化氢能使重铬酸盐生成二过氧合铬的氧化物 即Cr O2 2O或CrO5 生成的CrO5显蓝色 在乙醚中比较稳定 检验时在乙醚层中显蓝色 可以相互检验 4H2O2 H2Cr2O7 2Cr O2 2O 5H2O2Cr O2 2O 7H2O2 6H 2Cr3 7O2 10H2O 二 过氧化氢的制备实验室 Na2O2 H2SO4 10H2O Na2SO4 10H2O H2O2BaO2 H2SO4 BaSO4 H2O2BaO2 CO2 H2O BaCO3 H2O2工业 1 电解 2NH4HSO4 NH4 2S2O8 H2水解 NH4 2S2O8 2H2