高中化学课程标准指导下的理论教学问题，本文主要内容关键词为：指导下论文,课程标准论文,理论论文,高中化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
系统地讲述元素化学，并辅以相关的大量化学实验，是上个世纪40年代前后高中化学教材普遍采用的呈现方式，也是化学教学采用的主要形式。其后，随着物质结构实验研究成果的积累和相应理论的发展，对化学物质的研究，逐渐由“见著而知微”的传统认知方式，转而成为兼有“见著而知微”和“见微而知著”相结合的方式，也就是现在常说的由宏观和微观两个层面来探究物质世界的认知方式，从而促进了20世纪中后期高中化学（包括大学基础化学）教材和教学要求的变革。显著的标志之一，是以物质结构为中心的有关理论和以化学热力学为基础的有关理论的引入，并被认为是化学课程的两根主线。量子化学和理论化学成为化学中新生领域之后，借助于计算机技术的发展和应用软件的不断问世，促使化学学科的面貌产生了很大的变化。关于化学已经理论化和化学已经从定性科学转化为定量科学一类见解，影响甚广，对中学化学的学科面貌和相应的教学理论有着深刻的影响。
一、什么是初等化学的核心理论
和化学专业教育不同，中学化学教学学时较少，教学目标也较侧重于全面科学素质的培育。为了能够反映出化学学科的发展现状，特别是相关理论的发展现状，只能在少而精原则的指导下，对内容极其丰富的元素化学进行精简（现行课程中只保留了一些代表性比较突出的典型元素和它们的主要性质），从而使得物质结构理论知识和粗浅的化学热力学理论得以引进初等化学的教材和教学之中。从科学教育的基本任务来看，这种改变应当认为是一种进步，因为有利于扩展和深化人们对物质世界的认识水平，也可以视为对基础性和时代性原则的一种体现。随着科学技术和化学学科本身的不断发展，尽管初等化学的教学目标不会有太大的变化，但是教学内容的改变却是不可避免的，特别是现代化学实验技术的引入，更是迫在眉睫。列入高中化学课程标准中的三种谱学技术就是一个明证，虽然这部分内容目前尚处于常识性介绍的阶段，一旦条件许可，必将逐步成为中学化学实验技术的重要组成部分，否则所谓从宏观和微观两个方面来认识物质世界的学科特点，将无法真正落实。
值得认真研讨的是，初等化学的理论是否只限于初等物质结构理论和粗浅的热力学理论？为什么在这种认识的指导下，人们会感到初等化学的面貌和特点变得越来越模糊不清？就目前的中学化学教材和教学来看，似乎除去有限的几个化学元素和与之相关的几类基本反应、几种常见的有机化合物之外，剩下的就是所谓的化学语言、简单的化学结构式和命名规则，重点却变成形形色色的以化学计算为特征的“原理”了。在这种认识的指导下，化学的学习过程似乎变成了化学语言教学（其呈现形式类似于语法规则）和以少数化学物质为载体的应用数学。虽然在课程标准中已经明确提出要通过联系实际、联系生活来提高学生对化学的认识，而且在教材和实际教学中也力求有所体现，可是即便学生接受了这种“处处有化学物质、时时离不开化学物质及其变化”的说法，同意化学“有用”，却不能代表他们对于作为自然科学之一的化学有了真正的认识，既无助于形成正确的价值观，对培育科学素养的贡献也不可能达到设立这门课程时的初衷。以至于相当数量的非化学相关人士，会在类似于只要加入少量“神秘的催化剂”水就能变成油的信息面前莫衷一是；甚至于相信水的结构和性质可以通过千里之外的某些“超人”的意念而发生变化的所谓“科学实验”！
二、化学元素论仍然是化学的最基本的理论
化学是通过组成、结构、性质（反应和应用可以包含其中）来研究物质的自然科学。不仅如此，和其他“发现”科学如物理学、生物学、天文学以及地球科学相比，化学合成一直被认为是化学的最独特之处，而且是无可代替的。所以，美国加州理工学院的核酸化学家J.Barton一再强调：“化学是惟一能够制备前所未有的物质的科学”[1]。既然研究物质的组成（结构）和制备前所未有的新物质是化学学科的基本任务，所以“元素论”才应当是化学的核心理论。因此不难理解，为什么使得元素从一种哲学概念转变为以原子质量及其差异为核心概念的道尔顿原子学说，会被公认为是现代化学的基石。当人们进而认识到元素在物质中存在时的形态，包括它的价态、所处的微环境以及和相邻原子或分子间的相互作用等，是宇宙万物之间存在着千差万别的原因时，展现在人们面前的才是一个有着科学内涵的五光十色和日新月异的物质世界！
所以，初等化学的第一任务，就是要求学生通过实验和课堂教学（包括学习用以描述元素所处形态的化学符号系统）逐步领会和学会运用元素论。只有这样，才能够说是初步形成了化学视角。由此出发，对初等化学课程标准、教学大纲和教材的基本思路就不难理解了。组成决定性质的认识，融汇于所有的演示实验和学生实验之中，所以，仅仅重视实验方法和基本操作是远远不够的，只有在学生通过实验切实地体会到：诸如钠和钠离子的巨大差别，仅仅由于1个电子之差；
之不同，只和组成中增加了1个O有关！
仅仅相差1个元素，但是有的性质差别不很大，有的却差之甚远等化学现象的出现，都是以元素论为基础的组成决定性质的体现！因此，当某种物质的某些性质不能符合实际需要时，化学家想到的第一对策，往往就是改变它的组成，包括更换其中的组成元素或者变更组成元素的比率等。例如，在考虑解决含砷杀虫剂毒性太大的问题时，用磷取代砷的方案就理所当然地成为二种有效的选择；当锗的半导体性能不够理想时，首先想到的替代物是硅，然后再发展为二元或多元半导体。除去纯净物外，形成混合物也是一种比较常用的方法。它也是立足于改变整个体系的组成，例如，合金钢的特性是由添加的合金元素的种类和比率所决定的，着眼于提高治疗效果和减轻药物副作用的复方药剂更是比比皆是。改变溶液的浓度（即改变体系中溶质和溶剂的配比）以调节它们的性质等措施，都可以归因于组成（扩展为体系的元素组成）决定性质这一基本认识。由此可以看出，以元素的化学符号为基础的化学式、结构式，以及化学反应式等，不仅在形式的简洁明了方面，毫不逊色于数学和物理学中的符号系统，并且和所论及的物质直接相关，一一对应，具体而微，跃然纸上。在此基础上，化学结构式（在初等化学中，除对有机物分子外，只对为数不多的无机化合物，如
以及以R－O－H为代表的含氧酸和金属氢氧化物有所要求）成为由元素论过渡到化学结构理论的重要一环。在介绍同分异构现象之后，其重要性和所包含的化学信息将进一步扩展，成为进行化学研究工作和学术交流时的重要依据之一。
三、初等化学中化学结构理论的着眼点和着重点
由化学式到化学结构式或结构简式，是元素论扩展为化学结构理论的结果。物质结构理论的出发点是，物质所以持有确定的性质，源于“微粒”在组成分子时具有确定的结构，从而发展成为研究和展示物质的分子中组成元素（核）间的相对位置和相互作用的理论和实验方法，并形成了以化学结构式为表述形式的化学结构式。它不仅包含分子的元素组成，同时呈现出每个元素和相邻元素及非邻近元素的几何学关系。如果附上相邻元素间的距离（键长）和夹角（键角），从中可以获得更为精确的结构信息。用平面或立体方式呈现的化学结构式，特别是那些具有较高对称性的分子的结构图形，不仅是化学家认识物质世界，以及设计与创造新物质时的“理论”依据，而且图形本身也是一种美学教育的元素（球形的
受到偏爱，图形被多个领域的教材或科普图书收入，是一个很好的证明）。所以，在初等化学教学中，充分重视元素论，把物质结构理论当成是元素论的深化和发展，会对学生了解什么是化学、什么是化学视角、化学符号和化学语言的特点有所帮助。实验和典型元素教学的基本任务明确了，为实现多维教育目标的教学设计也就有了充实的化学内涵。“化学像是第二外语，但是没有任何用处”的误解，也随之可以得到解除了。虽然最早的化学结构理论是由化学家根据大量实验事实推定的（包括Van't Hoff的以碳为中心的正四面体结构理论等等），以探讨原子在分子中的几何特征为主。但是，就学科性质而言，现代物质结构理论更应当归属于物理学。随着电子和原子核的发现，人们对元素的认识和区分，逐步由道尔顿的以质量差别为主改变为由核组成中的质子数差别为主，这个基本认识一直延续至今。量子力学的问世，为从理论上认识或解释元素的形态和物质具有的基本性质提供了可能。经过半个多世纪的发展，在研究化学物质结构时，除去实验方法之外，理论方法也逐渐成为化学家常用手段之一。如果承认目前的实验方法仍然侧重于“见著而知微”式的宏观范畴的话，那么研究物质结构的理论方法则侧重于“见微而知著”的微观范畴。由于后者不仅要求有较高的数学准备，而且涉及对大量的现代物理实验技术原理的理解，至少目前并不适合作为中学化学的基本要求。
现代化学课程中的物质结构理论，包括原子、分子、晶体和超分子等物种的结构，除去原子结构理论已经基本成熟（核结构虽然很复杂，基本粒子的品种至今尚未穷尽，但是对于以元素论为基础的化学，目前仍然处于只需要考虑质子和中子的水平）外，晶体结构理论和相应的实验技术，也基本成熟。单质在化学中属于不可缺少的基本物种，由于组成单一，原子间的相互作用比较简单，所以，国外的很多教材中，至今并不严格区分单质和元素，且共用一个术语，即“element”。化合物的种类繁多，几乎不可胜数（据Breslow等人估计，至少达到
的量级的水平[1]，目前已经研究过的化学物质，尚未超过
的量级）。近年来文献中不断出现的关于某些元素在它的某个化合物中存在着“超常键型”“超常价态”的报道，说明了一个事实，那就是迄今为止已经确认了的分子结构类型和目前用于解释这些实验事实的理论，都是不完备的，必将随着实验技术和理论方法的发展而逐渐充实。何况目前的分子结构理论多以分子的基态为主，以至于学生习惯于把分子看成处于静态，而忽略了即使在一般条件下，分子组成中的“原子”仍然一直处于“动态”的实际，静态结构不过是历经一段时间后的统计平均结果而已。如果考虑到在现代科学技术中已经得到广泛应用的激发态（包括电子激发态、振动激发态和振转激发态）准分子态等等，就可以看出，恰如其分地确定物质结构理论在初等化学中的地位和要求，是一项亟待启动的研究课题。
初等化学中的分子结构式，是一种用来表述物质的元素组成和它们在分子中相对位置的化学符号。分子结构式不但形式简洁明了，作为化学语言，其内涵更是极其丰富。例如，在研究某个分子的化学时，把它的化学结构式中的某个原子（或该原子相邻近的一组原子）视为可能与另一分子间发生反应时的活性组分，是化学家在研究物质性质和设计验证性实验时的基本思路之一[2]。当实验探究达到预期目标时，在积累一定数量的实验事实之后，便成为某个人名反应（如有机化学中的Grignard反应，黄鸣龙反应等；当反应只涉及某个原子时，这类反应常称作某原子的转移反应等等）。这也是某些具有化学特性的基团被称作“官能团”的原因，后者在初等化学中不乏这样的例子。从初等化学到大学化学，甚至包括主要的化学专业课，化学都是在这个基础上逐步扩展、逐步深入的。所以，物质的化学结构特别是分子结构理论，是化学的基础理论，但是，如果仅仅着重于物质结构理论的物理学描述和解释，只着重于制约分子体系在变化时所必须遵循的能量最低、电性匹配以及几何空间匹配等物理判据，因而忽略了结构的形成决定于元素组成和它们的结合方式及空间排布；以及分子的静态结构决定了它“所有”可能发生的动态变化[2]［注1］。从而偏离了化学，形成化学视角的目标将无法达到。这也许是学生不知道如何才能学好化学并真正产生兴趣的重要原因之一吧。
［注1］例如，由
的化学结构式，可以推知水分子的电离和水分子的分解的不同：由
的化学结构式可以推知它可能发生的酸碱中和反应、酯化反应、磺化反应以及失水变为硫酸酐
、再进而分解生成
等的反应。这种推断在学习有机化学时应用更为普遍。
四、化学热力学基础概念和化学平衡原理的价值
初等化学中的另一个重要理论，是以化学平衡现象为中心的理论，被称作化学反应原理[注2]。基于化学反应体系中可逆过程的大量存在，以及它们在化工生产工艺设计和化学分析原理与技术中的重要性，一直是化学课程的核心内容之一，并扩展到易溶弱电解质的电离、水的解离、易溶物质的溶解度、难溶强电解质的溶度积、盐类的水解等。在化学热力学发展成为一门成熟的学科之后，上述的平衡体系被整合到这门理论性更强、普适性更广的学科之中，体系的特征和变化可以用一组具有严格定义的状态函数来表征。这就是从20世纪70年代开始，在中学化学教材中，不断出现引入焓、内能、熵等概念的起因。把这些概念列入高中化学课程标准在我国属于新事物，感到不适应、要求不明确、教学目标不确定等等现象的出现，应当认为是合理的，需要有一个磨合的过程。本文试图从两个方面来探究这个问题，一个方面是着重于分析这部分内容的特点，另一个方面是着重于介绍有关概念的应用和它们在化学中的局限性。
［注2］虽然化学反应原理中包含了化学动力学知识，但是，在现行高中化学教材和大多数大学基础化学教材中，后者仍然局限于形式动力学的介绍，很少涉及以原子分子为直接对象的反应动态学，对反应机制的研究方法和结论的思辨更是寥若晨星。而形式动力学更多地属于实验数据处理方法，从中很难获得有关化学反应机制的重要信息。例如，对于A+B一类的双分子反应，只要把A和B的起始浓度比率改变，使A（或B）远高于B（或A），就可以把这个反应按照半分子反应来处理，并不用担心是否会掩盖反应的化学本质，这是一个大家熟知的例子。
首先应当指明，物理热力学中的ΔG和ΔS判据，只适用于自然界的自发过程。例如，温度不同的两个热源之间热的传导方向；电势差作用下导体内电子的流动方向；同一容器中压强不等的两部分气体或浓度不同的溶液中溶质的扩散方向等等过程。由于热力学方法只注重体系的始态和终态之间的差别，并不注重过程的细节。所以，并不排除自发过程中可能存在的某种程度的可逆性，从而使得把这种方法应用于具有可逆性的化学体系成为可能。当化学反应体系中的作用物和生成物均为已知时，依据已经测得的有关化学物质的热力学函数的数值和反应方程式，就可以非常方便地在给定条件下（包括体系的温度、压强、各化学物质的分压或浓度等与确定体系状态相关的数据）求得该体系在给定状态下的ΔG和ΔS。因为已经确定ΔG=0和ΔS=0为体系达到平衡的条件，所以由ΔG和ΔS与0相比，就可以判定该体系内化学过程的方向，而且应当是自发性的，即不需要任何外力的帮助。但是热力学判据无法应用于那些生成物并未确知的化学体系，因为无法计算得ΔG和ΔS；并且只适用于可逆性的原初反应。例如，光合作用和葡萄糖的代谢反应，虽然可以用同一个化学反应式的两个方向来表示，如：
式中的作用物和生成物都是已知的化学物质，我们可以计算任何一个方向反应的焓变，但是它是一个典型的不可逆反应，不能由ΔG来求得它的化学平衡常数，当然，也不能在任何给定条件下依据ΔG或ΔS对过程方向进行判断。所以，这两个热力学判据在化学中的应用是有严格限制的，一是只能用于已知的可逆反应；二是应用热力学判据时，只能用来判定该可逆反应体系的状态趋向“最邻近”平衡态时的过程方向（中学化学中所讨论的化学平衡体系都是只有一个平衡态的体系，实际上很多反应体系的过程往往比较复杂，通常包括多个平衡态）。所以，在设计新的分子或化学结构的研究工作中，元素论和化学结构式提供的信息和思路所起的作用，很多时候是热力学理论及方法无法企及的。何况热力学判据只能适用于无外力作用的条件下，当人们通过高压、辐照、超声、强磁场等外力作用（用W′表示）于化学体系时，ΔG=ΔH-TΔS将改写为ΔG=ΔH-TΔS-W′。只要W′足够大，一定可以使得原来ΔG＞0的反应体系变成ΔG＜0。大量活泼金属和非金属单质的制备，惰性十足的氟里昂在太空中的分解，绿色植物的光合作用等[3]，都是大家熟知的例子，应当在介绍热力学判据时提及。
化学热力学理论和方法的特点在于，所有的物理量都是可以用实验方法精确测定的，因而都是可以用于理论计算的。于是，经典化学中经常用来描述化学物质性质间差异的一些程度含混的用语，如A物质的酸性比B强；C物质的氧化性比D强；E物质是一种弱电解质，但是F比它更弱；G的金属性比H弱但是比M强等等，经过化学热力学理论处理后，都已成为可以严格量化的物理化学性质，如电离常数、氧化还原电势、溶度积常数等等。虽然在中学化学中，很少涉及它们与体系的始态和终态间的ΔG或ΔH-TΔS间的联系（例如，由
可以求得该可逆过程在恒温、恒压条件下的化学平衡常数等）。在讨论浓度或外界条件对化学平衡体系所可能导致的影响时，或应用经验性的勒夏特列原理做出定性的判断；或依据已知（或根据已知数据求得）的平衡常数通过计算获得定量的结论［注3］。不容讳言，上述的这个进步对于现代化学的发展起了关键的作用，并形成了现代物理化学。但是，在充分评价它的指导作用和赞赏理论方法的严谨和结果的简洁美的同时，不应当忘记，化学体系中还包含着大量不可逆反应，处理这类体系以及数量巨大的未知化学物质和包含这类物质的体系时，经典热力学理论和方法则近乎无能为力。这是我们在讲授化学反应原理时，特别是介绍热力学判据时，必须注意把握好分寸之处。
［注3］从水的离子积常数推衍出来的pH概念，已经规范成为表示稀（水）溶液酸碱性的标尺，并且获得了广泛地应用，在中学化学中是一个特例。
五、如何理解熵
中学化学往往侧重于存在化学变化的体系，所以，体系的焓变ΔH及其计算时依据的能量守恒定律（盖斯定律可以看成能量守恒定律的一个特例）成为一个重点，其实，这部分内容只涉及热力学第一定律，并没有能够反映出各种形式的能（如电能、机械能、热能等）之间的“差别”。根据热机的研究，各种形式的能在转化为功时的效率是不同的，例如，热能转化为功时的效率最差（因为热能的推动力是两个热源间的温差，当热能由高温热源流向低温热源时，除去通过热机转化为功的那部分热能外，必定要有一部分热流向低温热源）。也就是说，它们做功的本领是不同的，应当分成高级能和低级能。从而有了热力学第二定律。物理学家为此创建了一个熵函数S，并把H、G、S整合成H=G+TS的关系。由于热力学处理的体系为大量微粒所组成，决定过程自发性的因素可以归结为：始态与终态间提供有效功能力的差别和微粒分布情况的差别。一般认为，做功源自微粒的有序运动，而熵值则和微粒分布的无序性相关，也就是通常所说的与“混乱程度”相关。通过一些大家熟知的现象，就可以解除对熵这个状态函数的神秘感。例如，把两种或多种气体放入同一个密闭容器中，它们将会自动混合，直至容器中任意选取的两个或多个空间中的气体混合物组成和分布情况完全一样为止（此处指的是“状态”，实际上每个气体微粒的空间位置仍在不停地变化）。如果没有外界的干扰，这种状态将一直保持下去。物理学家把这种现象归结为“熵增原理”。类似的现象在混合两种浓度不同的溶液、混合几种不同的溶液或压强不同的气体时，都可以观察到，说明这是自然界普遍存在的一类自发过程。熵不过是用来描述和判断这类过程的一个物理量。有了熵的概念，对于了解大气污染和水源污染过程的自发性，以及防治污染的最有力措施是隔绝气体污染物和大气，或者防止可溶性污染物或污水进入水源是非常有帮助的。所以，与环境污染有关的物质属于化学物质，但是造成环境污染的过程却是具有自发性的物理过程！
微粒的混合、压强或浓度差别通过微粒的自动扩散过程而消失都具有自发性，亦即都是熵增过程［注4］。在实际生活和科学技术中可以遇到很多和熵增原理相关的事例，如在学习熵的概念时，如果把熵的概念和配制溶液、熔炼合金、半导体材料掺杂等过程中体系内组分的自动均一化过程等事例结合起来，将有助于初步了解熵增原理和消除对熵函数的神秘感。
因为同一物质在气态时的摩尔熵大于液态的更大于固态的，对于高温条件下生成物比作用物气态分子数多的反应，TΔS项在ΔG=ΔH-TΔS的关系式中的贡献会变得很大，从而可能使得某些在常温下ΔG＞0的化学反应体系在高温下变成ΔG＜0，即使正反应成为可能，这是碳在高温下可以还原大多数金属氧化物的原因。例如，高炉炼铁中反应FeO+C=Fe+CO(g)之所以能够实现，归因于生成物CO(g)对TΔS的贡献是最合理的解释[4]。
标签：原子论文; 热力学论文; 结构式论文; 高中化学论文; 原子结构论文; 分子和原子论文; 化学论文; 理论化学论文; 理论体系论文;