化學(xué)中的主要觀念

7/7化學(xué)中的主要觀念要答復(fù)“普通化學(xué)中必須包括什么內(nèi)容?〞這個(gè)問題,我們就需要知道對(duì)于理解和正確評(píng)述現(xiàn)代化學(xué),哪些是最重要的根本化學(xué)觀念。我們必須記住普通化學(xué)課絕不僅是(或不應(yīng)該僅是)作為培養(yǎng)未來職業(yè)化學(xué)家、生物學(xué)家、物理學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、工程師、藥劑師、環(huán)境保護(hù)工作者的根底課,而實(shí)際上對(duì)每一個(gè)有教養(yǎng)的公民來說,都必須懂得化學(xué)。因此,這門課應(yīng)當(dāng)能適應(yīng)自然科學(xué)、工程和藥學(xué)等系學(xué)生的需要,使他們了解化學(xué)家對(duì)物質(zhì)世界是怎樣想的?今天的化學(xué)家在做些什么?化學(xué)能答復(fù)哪些問題?我們應(yīng)該向?qū)W生們展示在他們所選學(xué)的領(lǐng)域以及日常生活中化學(xué)的重要性。我稱這些根本概念為：“化學(xué)中的主要觀念〞。這里列出6種概念,它們構(gòu)成現(xiàn)代化學(xué)的根底。我相信每一所高中和大學(xué)的初級(jí)化學(xué)課,應(yīng)當(dāng)包含這些觀念,整個(gè)課程應(yīng)圍繞著它們構(gòu)建起來。當(dāng)然每個(gè)觀念的深度那么取決于各該課程的水平和目標(biāo)而定。應(yīng)當(dāng)指出的是我在這里提到的是在一般大學(xué)的普通化學(xué)課中對(duì)這些觀念應(yīng)當(dāng)論述的最低程度。當(dāng)前存在于一些大一化學(xué)課中過重負(fù)擔(dān)的問題,局部是由于介紹某些概念時(shí)過分詳盡,超過了切合學(xué)生對(duì)課程實(shí)際需要水平的緣故。原子,分子,離子現(xiàn)代化學(xué)是從道爾頓和原子、分子概念開始的。元素是一種僅由同一類原子組成的物質(zhì)。化合物那么是由兩種或兩種以上的原子按一定比值結(jié)合在一起的。為了明白原子是怎樣結(jié)合到一起形成分子的,我們應(yīng)進(jìn)而提到盧瑟福和一個(gè)原子是由中心的原子核與環(huán)繞它的電子構(gòu)成的概念。從電離能和光電子譜的數(shù)據(jù)可以知道這些電子是分能層(或殼層)排布的,從而引入帶正電荷的原子實(shí)和圍繞著它的價(jià)電子殼層的概念?；瘜W(xué)鍵：是什么使原子在分子和晶體中結(jié)合在一起所有的化學(xué)鍵都是由存在于帶正電荷的原子實(shí)和帶負(fù)電荷價(jià)電子間的靜電引力形成的。靜電引力是化學(xué)中僅有的重要引力。軌道重疊并不能直接說明化學(xué)鍵的形成,因?yàn)?像我們常常所讀到的那樣,持這種說法,僅是一種模型,它因很有用而主要是化學(xué)系學(xué)生們學(xué)習(xí)的。但我不認(rèn)為對(duì)于所有初學(xué)者是一種更本質(zhì)的說法,我們可以不需要它即能對(duì)化學(xué)得到一很好的理解。當(dāng)然,許多化學(xué)家還會(huì)不時(shí)地利用它。但它會(huì)干擾,著力去認(rèn)識(shí)構(gòu)成鍵的真實(shí)原因,即原子核與電子間的靜電引力。在初級(jí)化學(xué)課中還需要討論更重要、關(guān)系更密切的課題。更有甚者,軌道模型會(huì)帶給學(xué)生不正確的看法,認(rèn)為學(xué)化學(xué)很難、抽象,僅是對(duì)初學(xué)者難以解說清楚、弄懂的概念根底上的數(shù)學(xué)研究。我們可以簡明地描述離子鍵是由于離子間的靜電引力形成的,而共價(jià)鍵那么是共用電子對(duì)對(duì)兩個(gè)原子實(shí)間的引力形成。相對(duì)應(yīng)的路易斯結(jié)構(gòu)式可以告訴我們一個(gè)原子可以形成多少個(gè)鍵。根據(jù)我的看法,這些概念對(duì)于在初學(xué)階段討論化學(xué)鍵問題是足夠的了。分子的幾何形狀：三維化學(xué)從勒貝爾和范霍夫時(shí)代開始,分子的幾何形狀概念已成為化學(xué)的重要內(nèi)容。其重要性隨著X-射線結(jié)晶學(xué)的進(jìn)展而得到增強(qiáng)。在現(xiàn)代化學(xué)中了解了分子的形狀對(duì)于更廣泛地理解某些專題,例如：生命分子及其功能,工業(yè)催化劑如沸石和固態(tài)外表以及高分子合成等。我們對(duì)分子形狀的了解加上對(duì)其控制的能力,現(xiàn)在可以合成幾乎所有符合特殊需要的任何形狀的分子：如可以捕集特定離子的籠狀物,具有能連接一種特殊類型分子的特別形狀的分子(這種分子間的連接被稱為相互間“識(shí)別〞),可以傳導(dǎo)電流具有導(dǎo)線功能的長鏈分子,等等?，F(xiàn)在,化學(xué)家能創(chuàng)造這種復(fù)雜多樣分子是令人矚目的,也說明了關(guān)于化學(xué)的一種很重要的觀念,即在研制新材料方面,化學(xué)是一種富有創(chuàng)造力的科學(xué)?；瘜W(xué)家們能制出此前并不存在的新分子。盡管上述新觀念因?yàn)榭梢允箤W(xué)生了解化學(xué)是一種實(shí)際、有用、符合需要而不是枯燥、純理論、純數(shù)學(xué)、抽象的科學(xué),而有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性；但在初級(jí)化學(xué)中它并未受到重視。我們有一個(gè)非常簡單的理論模型,即價(jià)層電子對(duì)互斥理論模型,它對(duì)論述簡單分子的形狀以及甚至很大分子的大多數(shù)性能均提供了根本的原理。對(duì)于初等水平的化學(xué)．我們就不必再作更多的探究了。雜化軌道理論是化學(xué)課中在這局部經(jīng)常討論到的,是屬于軌道模型的一個(gè)側(cè)面。了解雜化軌道概念對(duì)于化學(xué)系的學(xué)生來說是重要的,但對(duì)于一般學(xué)生來說并不是必需的?，F(xiàn)在的分子模型的方案使學(xué)生更易于理解并熟悉各種分子的形狀。動(dòng)力學(xué)理論關(guān)于動(dòng)力學(xué)理論,我并不是指pv=nmC=nRT公式的導(dǎo)出,對(duì)于化學(xué)課來說,它并不是重要的內(nèi)容,而更重要的是在絕對(duì)溫度0K以上原子和分子進(jìn)行的永恒的無序運(yùn)動(dòng)：溫度越高分子運(yùn)動(dòng)得越快。將上述概念與分子間作用力—由于核與電子間的靜電引力—那么可以對(duì)氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)存在的理解提供解釋。原子的永恒運(yùn)動(dòng)說明不僅分子在空間運(yùn)動(dòng),而且它們自身也不是靜止的,而是還具有轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng),我們能運(yùn)用這些概念去介紹紅外光譜及其應(yīng)用,例如用于識(shí)別有機(jī)物分子?；瘜W(xué)反響現(xiàn)在讓我們研究有關(guān)化學(xué)反響的概念?；瘜W(xué)反響的發(fā)生是由于反響物分子在移動(dòng)中相互間發(fā)生劇烈的碰撞足以使化學(xué)鍵斷裂,從而發(fā)生各原子間的交換,同時(shí)產(chǎn)生了新的分子。也可以是一個(gè)分子的振動(dòng),劇烈到足以破壞其化學(xué)鍵,形成更小的分子。這些闡述構(gòu)成了對(duì)化學(xué)反響簡明但卻是根本的解釋。更進(jìn)一步探究,我們引入活化能概念,從而可以解釋為什么一些反響進(jìn)行得很迅速,而另一些反響在室溫下,其速率幾乎是難以測(cè)出的緩慢。這些就是使學(xué)生理解化學(xué)反響如何發(fā)生所需的最低限的知識(shí)。至于所有那些通常較詳盡的闡述—建立反響速率的曲線圖,反響級(jí)數(shù),反響定律及其積分公式等等,相對(duì)于上述的根本概念來說,都是次要的。那些較詳盡的闡述對(duì)于化學(xué)系的學(xué)生是重要的,但我疑心在初級(jí)化學(xué)課中,學(xué)生學(xué)習(xí)它們是不是必要的。然而對(duì)于化學(xué)反響來說,卻還有許多是應(yīng)當(dāng)提到的,可能是由于在6個(gè)主要觀念中,化學(xué)反響是最重要的,因?yàn)楦鞣N各樣的化學(xué)反響是化學(xué)的核心。從煉金術(shù)時(shí)代起,試圖了解化學(xué)反響一直是化學(xué)家的首要目的。現(xiàn)在我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)了許多不同類型的反響,但在其中特別應(yīng)指出的兩類,即酸堿和氧化復(fù)原反響,在全部無機(jī)、有機(jī)和生物化學(xué)反響中,它們是十分重要的,因此,我確信在初級(jí)化學(xué)課中應(yīng)給予足夠的重視。但是不能僅簡單地從定義即質(zhì)子的轉(zhuǎn)移和電子的轉(zhuǎn)移上,就能對(duì)它們作到徹底的了解。而對(duì)它們的介紹應(yīng)是讓學(xué)生通過在實(shí)驗(yàn)室中親自觀察實(shí)際反響的進(jìn)行,或者求其次,也要參加演示教學(xué)實(shí)踐和收看錄像。這兩種反響類型再加上一些其它的類型如生成沉淀的反響以及有機(jī)化學(xué)中的加成反響、取代反響等；可以使我們了解學(xué)習(xí)化學(xué)中所用到的數(shù)以千計(jì)的反響的本質(zhì)。關(guān)于無視化學(xué)反響研究的局部原因是認(rèn)為這些內(nèi)容在初級(jí)化學(xué)課中是屬于描述化學(xué)的,因而認(rèn)為是枯燥的。當(dāng)然單純描述性的,確實(shí)枯燥,但當(dāng)今化學(xué)的開展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了單純描述的階段；了解反響的實(shí)質(zhì),并在特定的目標(biāo)下應(yīng)用它們,已是化學(xué)家理應(yīng)設(shè)法做的事。多數(shù)工業(yè)以及純理論的化學(xué)關(guān)注新物質(zhì)如材料、塑料、藥物的合成,以及選用更好的方法,包括價(jià)格重廉價(jià)、更符合環(huán)境要求的方法等來制備現(xiàn)在的物質(zhì)。那么,在化學(xué)世界里,什么是最令人鼓舞的成就?那就是制備諸如某些稀有氣體和富勒烯等新分子。因此,理應(yīng)更加重視許多富有想象力的化學(xué)家所從事的很了不起的事業(yè),從而在制造更多新分子的道路上繼續(xù)前進(jìn)。這樣就可以向?qū)W生們顯示化學(xué)會(huì)對(duì)啟發(fā)創(chuàng)造性和想象力提供無窮的時(shí)機(jī)。元素周期表對(duì)于了解化學(xué)反響及其分類是很有幫助的。在化學(xué)開展史上它曾起了如此重大的作用,從而在確定化學(xué)主要觀念時(shí),不能不把它納入其中。應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)指出的是早在人們比擬詳細(xì)地了解原子結(jié)構(gòu)之前,門捷列夫即創(chuàng)造了這張對(duì)更好地了解元素和化合物性質(zhì)及其分類的表。至今它仍然是化學(xué)家們到達(dá)以上目的的有力工具。在了解化學(xué)反響當(dāng)中,我們還較廣泛地應(yīng)用如電負(fù)性、原子的大小、原子實(shí)電荷或有效核電荷等概念,這些概念都可以從此前闡述的簡單原子結(jié)構(gòu)模型直接推導(dǎo)得出。能和熵最后,我們需要知道為什么有些反響能發(fā)生,而另一些反響卻不能,或者更確切地說為什么一些反響當(dāng)只有很少一點(diǎn)生成物產(chǎn)生就到達(dá)了平衡,而另一些反響實(shí)際上是完全反響了。要弄清以上的問題,需要熱力學(xué)的知識(shí)——特別是應(yīng)用能和熵的概念和熱力學(xué)第一定律、第二定律。熱力學(xué)對(duì)學(xué)生來說是學(xué)不到的,正式的熱力學(xué)方程更不可能學(xué)到。如果依據(jù)正規(guī)的教學(xué)過程進(jìn)行,那是很枯燥的和比擬難的。有人甚至認(rèn)為熵是一個(gè)令人害怕的詞。它似乎給人一個(gè)既抽象又難以理解的印象。但是我們并不需要這樣做。每一個(gè)人都能夠理解混亂度的概念,它實(shí)際上涵蓋了熵的全部內(nèi)容。學(xué)生已在討論分子運(yùn)動(dòng)論時(shí)遇到過無規(guī)那么運(yùn)動(dòng)的概念,化學(xué)反響能產(chǎn)生是整個(gè)宇宙(更簡單地是指反響體系及其環(huán)境的總和)的混亂度在增加。這樣,對(duì)放熱反響來說,熱量轉(zhuǎn)入環(huán)境,使環(huán)境的熵值或混亂度增加了。在通常情況下,大多數(shù)反響是放熱的,因?yàn)獒尦龅臒崃哭D(zhuǎn)移到環(huán)境,使其熵值或混亂度得到很大的增加,一般來說,這比在反響體系內(nèi)熵值或混亂度減少的數(shù)值要高。但是我們也會(huì)遇到吸熱反響,這時(shí)體系的混亂度增大,由于反響體系從環(huán)境吸熱而比環(huán)境混亂度減少的數(shù)值大,因而總體上來說,熵值或混亂度也是增加了。這就是理解熱力學(xué)在化學(xué)反響中的作用的全部內(nèi)涵。即一個(gè)反響能夠進(jìn)行的條件是反響體系和環(huán)境總嫡值增加。這樣,就并不需要更多地涉及自由能概念及其公式如△G=△H-T△S,學(xué)生們即可懂得許多重要的觀念。我認(rèn)為在初級(jí)化學(xué)課中并不需要再學(xué)得更多了。要知道在教學(xué)中塞給學(xué)生許多方程式并不能有助于使學(xué)生對(duì)根本概念的理解,如果對(duì)根本概念并不理解,只從數(shù)學(xué)上求得一些問題的解,是很枯燥的,只能是一些引不起興趣而又互不相關(guān)的練習(xí)而已。應(yīng)將大一化學(xué)建立在主要觀念的根底之上我認(rèn)為在大一化學(xué)課中以上這些主要觀念應(yīng)使學(xué)生對(duì)它們得到最根本的理解。對(duì)化學(xué)系的學(xué)生在整個(gè)課程中可以擴(kuò)展它的內(nèi)容及其應(yīng)用。對(duì)于其它自然科學(xué)、工程和藥學(xué)等系的學(xué)生在以后的課程中,還能得到進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。我所指的是在大一水平對(duì)于這些概念必需說明的最低要求。盡管有些教師還希望多教些,但我并不認(rèn)為還需要更多地介紹了。在任何情況下,需要花費(fèi)在學(xué)習(xí)上的實(shí)際時(shí)間,只應(yīng)是保證對(duì)這些主要觀念得到真正的理解。我們卻很需要用大量的不同類型只是定性要求的習(xí)題去實(shí)際測(cè)試學(xué)生對(duì)這些觀念的理解情況。而定量要求的習(xí)題往往得到的是將多種數(shù)字填入死記的式子中所形成的答案；一般來說這對(duì)于測(cè)試學(xué)生對(duì)觀念的理解,其作用是很小的。在大一水平介紹上述觀念只要求給予必需的內(nèi)容,而并不必要花費(fèi)所有可提供的時(shí)間。如果加大份量那么必然要消耗很多精力去解決現(xiàn)行課程中的主要問題,其中如更大量的教材,對(duì)抽象理論要求給以過多的重視；這樣必然會(huì)缺乏足夠的精力花在化學(xué)反響上,幾乎沒有時(shí)間花在與人類有密切關(guān)系的教材如環(huán)境化學(xué)、材料科學(xué)、高分子化學(xué)和生物化學(xué)這些能使化學(xué)課更新、現(xiàn)代化的內(nèi)容上。而這些內(nèi)容如在普通化學(xué)中不給予介紹,那么不能說我們是真正在講授現(xiàn)代化學(xué)。那么,我們究竟應(yīng)該從整體上講,怎樣介紹這些根本觀念呢?我認(rèn)為,對(duì)每一個(gè)觀念不應(yīng)該是一次性地全部完成教學(xué),而應(yīng)該是形成系列,因?yàn)樗鼈冎械拇蠖鄶?shù)都是很早就需涉及。最好的方法是早些介紹這些觀念,但并不是一下子講完全,接著就要指出怎樣應(yīng)用它們?nèi)フJ(rèn)識(shí)物質(zhì)的