高中化学教学改革问题

高中化学教学

问题清华大学化学系宋心琦2012年3月北京化学学科的大问题如何设计具有特殊功能和动态特性的分子细胞的化学基础如何制造未来的能源、空间和医药所需的材料思维和记忆的化学基础生命在地球上是如何开始的。在其他世界中，何地和如何才会出现生命如何发现全部元素的可能组合？据估算，数量级将大于1014化学仍然是基础的自然科学化学可以应用，但是化学不是应用科学“联系生活，联系社会”更多是一种教学策略。科学更重视发现和未来，如果只关注现在，就会失去科学的活力。不要把技术和应用领域所取得的成就，仅仅因为和物质有关，甚至和化学的基础工作有关，就把它们都归功于化学。因为人们同样会把和物质相关的社会问题、环境问题、人类健康问题也归罪于化学。应当认清过分自诩和无辜受责的辩证关系法拉第的名言这是一个潜移默化地进行情感态度价值观教育的范例

法拉第指出：“蜡烛的火焰能把暗处照亮，而金刚石的璀璨在没有火焰照亮时却什么都没有”对高中化学课程标准的认识元素化学教学

问题元素化学教学问题1.教材所选元素的典型性（Na-s区），(Al、Cl-p区），（Fe-d区）2.元素存在的主要形态-原子、离子（价态）、结合态、络合态3.元素所处化学环境及其影响化学反应条件决定了反应途径及产物实验结论具有不确定性1元素化学教学问题如何强化对物质化学变化的认识1.表现为组成和结构的变化，组成回归到元素及其形态；结构回归到元素组成、化学键和某个元素或基团所处化学环境的变化。2.变化本身属于物质性质，变化改变了物质，也就改变了它的性质。变化提供了识别物质的途径课堂教学中的实验探究氯气溶于水后的漂白作用问题1。想探究什么？预期的答案可能是什么？2。2Cl－Cl＋2H－O－H

4HCl＋O2Cl－Cl＋H－O－H

HCl＋HClO3。结论：漂白作用来自水与氯气的反应产物4。不能得出有漂白作用的只有次氯酸的结论5。同是氯元素，价态不同，性质截然不同。对于“组成”的认识是化学最重要的基本概念之一还能学到和想到些什么1。氯气可以损伤人的呼吸道－因为呼吸道中有水存在2。氧气、氮气的无味，氯气、氨的有刺激气味，和它们的什么性质有关？3。氯可用钢瓶存放－说明室温下氯气和铁单质无作用，但是氯气必须是干燥的。4。高温下氯可以和铁粉或铁屑直接化合生成氯化铁－说明物质的化学性质往往和所处的外界环境有关（请回忆并对比氧气和铁单质的反应情况)。还能想到些什么课堂教学中另一种形式的探究

为什么要介绍次氯酸的不稳定性？1。化学物质的稳定性是最重要的基本性质2。不稳定的化学物质如何转变为安全性较高的商品3。使用时使之转变为原来的那个化学物质的常用方法4。从而推衍出在化学中普遍适用的规律还能学到和想到些什么1。酸碱盐间的相互联系是探究化学合成方法时的最重要思路之一。2。由强酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）制备弱酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）；由易溶物制备难溶物;由稳定性高的代替稳定性低的等，都是首选的化学合成方法－基本原理为这类过程所共有的自发性。判据主要为该过程的ΔG<03。ΔS在产物气体分子数多于作用物气体分子数（高温下），纯物理过程如溶解、扩散、掺杂、分子的聚集及有序或无序化等过程中则必须考虑化学的基本观念课程标准提出的基本观念，从学科角度可以简化为以下4个方面，即

＊元素观＊微粒观＊结构观（静态）和组分动态观（决定了变化的可能起因和途径）最基本的化学概念和理论研究化学结构的要点是全部组成元素原子核的排布方式。分析化学反应时，从静态结构出发，基于动态结构的概念。就能够比较容易地解决学习诸如H2SO4、HNO3、CH3COOH、C2H5OH、两性氢氧化物等在不同条件下的不同变化方式。并且把握住化学键的作用力本质。组分动态化学概念的启示分子的化学结构不仅可以代表分子组成各部分的拓扑关系（静态），而且可以预示分子发生化学变化时所有的可能性（动态）对于化学键的理解更接近实际合成与功能性分子设计思路更为宽阔J-MLehn：Fromsupramolecularchemistrytowardsconstitutionaldynamicchemistryandadaptivechemistry

Chem.Soc.Rev.,2007,36,151-160

组分动态化学概念模型

铑催化串联反应

一锅法之一例组分动态概念之应用

组分动态概念之应用

基础性和时代性关系应当重视那些对学科和新技术发展持续起作用的基础知识和基本概念，探究它们的形成和发展过程，以及视角的变化。努力从科技新发展中吸取养分。这是教师专业和教学水平提高的着力点。即不断发展和完善自己对学科基础的领悟氢动力能源新设想已知：HgCl2溶液滴在Al板上，将破坏Al2O3的保护作用。

2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑镓铝合金也有类似作用。单质Ga熔点：29.78oC

单质Ga沸点：2403oC

因此有可能构成实时供氢的燃料电池（周期系还能告诉些什么）除汞新技术C&ENsJuly7,2008LatestNews报道：破损废旧袖珍荧光灯泡（CFLS）中残汞处理一直受到关注。R.Hurt发现由亚硒酸钠和谷胱甘肽（C10H17O6N3S）反应制成无定形粉状纳米硒和汞能够生成无生物活性的HgSe，24小时内可除去近99.9%的汞。单个灯泡的用量仅10mg,而常规除汞剂如硫、锌、活性炭等用量为数克至数千克。化学实验教学改革问题学会赏析经典实验

如何通过实验学习化学

基础性和时代性对高中化学课程标准的认识化学实验体系三要素⊗符合探究目标而且不确定因素最少的化学反应体系合理的实验装置，包括安全措施等合理而且有序的实验步骤和合乎规范的操作技术优秀经典实验赏析之一案例1:拉瓦西测定空气组成的实验步骤12Hg＋O2

2HgO

步骤22HgO

2Hg＋O2

步骤3步骤2得到的O2和步骤1剩余的N2混合，得到“原来”的空气学习要点：

1。为什么选择Hg？(Hg的沸点:356.6oC;HgO的分解温度:约500oC;HgO不溶于Hg)2。为什么3个步骤都有必要性？

3。还能想到些什么？(物理和化学变化的差别和共同点)Zewail因飞秒化学研究获奖的原因如何确定to=0是飞秒化学实验研究中很难解决的关键问题。亦即谱图和过程如何契合的问题Zewail（获1999年诺贝尔化学奖）找到分子间化合物I-H…O=C=O为研究体系

I-H…O=C=O＋ｈν

I*+H…O=C=OH…O=C=O

H-O+C≡O

利用I*发出荧光瞬间作为飞秒时间分辨光谱上的to，从而得到第一张和化学过程相对应的时阈为700fs的激光时间分辨光谱。关于化学实验探究

如何做好预习明确探究目标选择具有典型性的实验体系收集所选体系中化学物质的主要信息拟定所需仪器设备和实验步骤初步设定希望观察到的实验现象和希望得到的结果或证实的设想以粗盐提纯为例目标：获得纯净的氯化钠晶体体系：氯化钠为主要组分的粗盐，含有少量不溶性杂质和可溶性杂质氯化钠基本性质：可溶于水，溶解度约36克/100克水。温度改变对溶解度影响不大。从而确定了溶解用水和粗盐的质量比确定用过滤法除去不溶性杂质；用浓缩结晶法除去可溶性杂质。从而确定了必需的仪器设备两次过滤，两次洗涤。蒸发至NaCl析出后减慢蒸发速度，留有少量残液验纯和测定产率。反思与评价，完成实验报告如何通过实验学习化学

粗盐的提纯（难溶性杂质的去除）实验体系价廉易得，提纯过程简单，效果明显。“纯”包括外观和内涵两个方面。由混有有色杂质的粗盐到晶莹剔透的氯化钠晶体；由和多种无色物质共存，到看见纯氯化钠的“真面目”。实验技巧和操作熟练程度要求较低应当增加验纯和观察所得氯化钠晶体（外形和晶体内是否含有水）两个方面的探究内容还应该联系学过的有关物理变化与化学变化、物理性质与化学性质、纯净物等概念实验预习和过程中值得思考的问题本实验要想除去的杂质具有什么特点，实验中建议采用的方法依据了什么原理？在实验过程中，要经过两次过滤。两次过滤完成时，都要对滤纸上的滤出物用少量蒸馏水淋洗。这是为什么？它们的目的相同吗？除去粗盐中所含不溶性杂质还有其他方法可用吗所得氯化钠晶体中会有水存在吗？如何证明残液是否一定是废物？假如粗盐中含有可溶性有色物质，现在用的方法也一定有效吗磁场诱导下的变色体系摩擦化学和高速硬盘摩擦化学是力化学的一个分支，要求体系内至少有一相为固相。一艘新油轮失火的原因与机械、建筑、飞行器、润滑系统等领域的关系硬盘转速与摩擦化学的关系C60发现史的启示用电弧轰击法不仅能够得到C60，也能得到碳纳米管，而且后者稳定性高于前者。为什么当时只发现了C60？教训是什么？基础不仅限于化学•第一个稀有气体化合物的发现，源于物理概念的运用

O2+[PtF6]-

和Xe+[PtF6]-的对比：O2和Xe的第一电离能相近，两种盐的晶格能相近•无机富勒烯（WS2,MoS2等）的发现，源于几何学的考虑：正六边形网格的变化•石墨烯制备的最简便方案：源于对物质表面黏附力差别的应用对高中化学课程标准的认识理论化学的价值和不足

为什么要讲一点热力学

初识熵函数理论化学的价值构成了综合和整理庞杂而彼此孤立的化学事实的理论骨架，使得认识物质世界的方式能够逐步摆脱纯粹经验式的实验尝试法，做到有较可靠的预见性，从而促进了化学的全面发展。是化学成为现代自然科学的主要推动力之一理论化学的价值为化学在认识和比较物质的某些重要性质时，如酸碱性、氧化还原性、络合性、对外界条件的依赖性；变化过程和体系能量变化等时，提供定量测定的理论依据和方法。从而使得一些经验性的描述用语有了明确的物理意义最基本的化学概念和理论焓体现了物质和能的关系，化学只涉及与核结构和核外电子有关的能量变化过程。所以同时遵循能量与质量守恒原则熵不仅与体系中质点的排布（混乱度）有关，还和物质的组成。结构有关。它的变化决定了能转化为功的效率（此外还和技术如装置、流程等有关）最基本的化学概念和理论自由能判据和熵判据只适用于自发过程，在化学中只能用于已知反应。体系的热力学平衡态可以由∆G和∆S确定。判据用以确定体系由何方趋向最邻近平衡态。对于未知反应或过程、过程机制和速率不能提供有效或可靠的预则。所以化学仍然是实验性科学。熵函数简介熵是经过理论加工后构成的状态函数热力学第一定律的中心是能量守恒；热力学第二定律的中心是能的分级，即不同形式的能做功本领不同，热能属于低级能。因而有了熵函数H=G+TS或∆G=∆H－T∆S

体系的焓变＝有用功＋无用功△mixS=

R(

ASAln

A+

BSBln

B)>0熵函数简介因为混合熵>纯组分熵之和，所以气体混合和、溶液形成或稀释过程中的扩散及均匀化过程、固体物质的污染或掺杂过程均具有自发性同一物质的S固<S液<S气，当产物中气体分子数多于反应物时，高温下T∆S项的贡献是火法冶金技术的基础。因而高温下碳能够还原绝大多数金属氧化物

C(s)+FeO

(s)

Fe(l)