中学化学“能量观”的构成要素及内涵，本文主要内容关键词为：内涵论文,能量论文,中学化学论文,构成要素论文，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。
新课程倡导以观念建构为本的教学，要实现知识教学向观念教学的转变，首先需要解决观念的具体内涵是什么的问题。“能量观”是化学学科的核心观念之一，中学化学知识支撑怎样的能量观？化学学科的能量观与其他学科的能量观有何不同？化学的能量观具有怎样的结构？其具体内涵是什么？本文对此做以下探讨。
一、中学化学“能量观”的构成要素
化学是在分子、原子水平上研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的科学。化学反应（变化）是化学学科特有的研究对象，因此化学学科中的能量观与其他学科的能量观最本质的区别在于认识对象的不同。我们将化学能量观定义为人们从能量的视角认识物质及其变化（化学反应）从而获得的观念性认识，以及由这些认识形成的思维方式和方法。
中学化学“能量观”由哪些基本要素构成？众所周知，能量观的核心是具有观念性价值的认识，如能量守恒定律等。因此“观念性认识”是能量观的构成要素之一。但是能量观绝不是认识的条目化罗列，需要找到这些认识之间的逻辑关系，体现能量观的内在结构。经分析，笔者认为能量观包含三类认识，分别指向不同的认识对象：第一类认识是研究物质时获得的，如物质都具有能量；第二类是研究化学反应时获得的，如化学变化必然伴随着能量变化；第三类是从能量的视角认识社会生产生活时获得的，如能源是社会发展的基础，能源的开发和利用离不开化学。前两类认识共同体现了能量观的学科价值，第三类认识体现了能量观的社会价值。由此可见，“观念性认识”是由“认识对象”决定的，因此“认识对象”是能量观的第一构成要素。
在认识对象不变的前提下，还可以依据“认识角度”对观念性认识进行再分类。如对物质的认识，可以分为两类：一类是关于物质与能量的存在形式的认识，如内能、动能、热能、电能、焓、焓变等；另一类是关于能量与物质性质关系的认识，如键能越大，物质稳定性越好等。“认识角度”体现研究“认识对象”的思路，回答如何认识、从哪些方面认识的问题，“观念性认识”是对某一认识对象的某一角度的认识。因此“认识角度”是能量观的第二构成要素。
能量观作为一种认识方式和思维方法，具有指导学生认识行为的功能，反之通过学生的行为表现可以判断其是否建立起了观念。因此笔者认为，学生的“能力表现”也是能量观的构成要素之一，是回答观念性认识能指导学生干什么以及依据什么来评价学生观念是否建立的问题。
综上所述，能量观由“认识对象”“认识角度”“观念性认识”及“能力表现”四个要素构成。其结构关系如图1所示。
二、能量观的内涵
以全日制义务教育化学课程标准（实验稿）、高中化学新课程标准、人教版化学教材（必修1、必修2、选修4《化学反应原理》）为依据，按照前述能量观的构成要素，将中学化学能量观的内涵概括为以下几点。
（一）认识物质
（1）能量的存在。
从能量的角度认识物质，学生首先应该认识到能量存在各种形式，如内能、热能、电能、化学能、焓、焓变等，这些能量的具体含义如下。
①内能。物质由微粒构成，微粒处于不断地运动中必然具有动能，微粒之间存在相互作用必然存在相互作用能（分子之间、分子内部原子之间、原子内部原子核与电子之间、电子之间、原子核之间、原子核内部微粒间都存在相互作用），即势能。人们将物质内部所有动能和势能的总和称为内能。任何物质都具有内能，内能的大小由物质的种类、质量（数量）和状态决定。在化学变化中人们关注内能的变化而不是内能的绝对值。
②化学键的键能。物质内部存在化学键，化学键是成键微粒（原子或离子）之间的相互作用力，拆开1mol化学键需要吸收的能量称为键能。
③热能。热能的本质是物体内部所有分子动能（包括分子的平动能和转动能）之和。
④焓与焓变。焓，物理学上指单位质量的物质所含的全部热能，亦称“热函”。焓的定义式为H=U+pV，即一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和。系统的状态一定，则系统的U、p、V均确定，系统的焓也就确定，故焓（H）是状态函数，其单位为焦耳（J）。由于一定状态下系统的内能不可知，所以焓也不可知。但是化学反应中的焓变却可测，恒压下反应的热效应Q=ΔH，因此焓变的物理意义可以理解为恒压且只做体积功的特殊条件下反应的热效应。
高中阶段，不要求学生掌握焓的确切定义，但是要求学生知道焓是与内能有关的物理量，具有能量的量纲，是状态函数，其绝对值不可知。在恒压条件下，化学反应的热效应等于焓变。焓变的大小只与反应体系的始态和终态有关，而与反应的途径无关（盖斯定律）。
⑤化学能。物质在发生化学变化的过程中释放或吸收的能量称为化学能。如果反应在等容条件下进行，化学能即为ΔU，若在等压条件下进行，化学能即为ΔH。化学键的变化是化学能产生的根本原因。
（2）能量与元素、物质性质的关系。
从能量的角度认识物质，学生还应该认识到物质的性质本质上取决于物质能量的高低。
①元素得失电子的能力取决于原子中电子的能量。元素得失电子的能力取决于原子核中核电荷数的多少以及原子半径的大小。原子核内质子数越多，原子半径越小，原子核对最外层电子的吸引力越强，最外层电子的能量越低，越难失去，元素的非金属性越强，反之，元素的金属性越强。同一周期元素随着核电荷数增多，原子半径减小，原子核对最外层电子的吸引力增强，原子失电子能力减弱，得电子能力增强，元素的金属性减弱，非金属性增强。同一主族元素随着核电荷数增多，原子半径逐渐增大，原子核对最外层电子的吸引力减弱，原子得电子能力减弱，失电子能力增强，元素的非金属性减弱，金属性增强。
②原子之间通过形成化学键达成能量相对较低的稳定结构。元素原子的最外层电子处于较高能量状态，不稳定，因此原子间通过得失电子或共用电子对的方式成键，使体系能量降低，形成相对稳定的结构。
③化学键的强弱是判断物质稳定性的重要依据。通常构成物质的化学键越强，破坏化学键所需的能量越高，分子越稳定，化学性质越不活泼。
④分子势能的大小影响物质熔、沸点的高低。由分子构成的物质，分子间存在相互作用力，因此分子存在势能。分子间作用力越强，分子势能越低，物质熔化或沸腾时需要的能量越大，熔、沸点越高。
（二）认识化学反应
（1）能量与物质变化的关系。
①能量是物质发生变化的前提和条件，能量影响化学反应的方向、速率和限度。例如，在温度、压强一定的条件下，若ΔG＜0，则反应可自发进行；若ΔG＞0，则反应非自发；若ΔG=0，则说明反应达平衡。对于非自发的氧化还原反应，可以借助于外界提供的电能使反应得以发生。
对于一定温度下自发进行的反应，反应的快慢取决于活化能（反应物分子的平均能量与活化分子的平均能量之差）的大小。活化能越小，反应速率越快，反之，反应速率越慢。通过外界向体系提供能量，可以提高单位体积内活化分子的百分数，加快反应速率。通过加入催化剂降低反应活化能，也可以达到提高反应速率的目的。
②物质变化必然伴随着能量变化。化学反应通常在恒压条件下进行，从宏观上看，化学反应中反应物的能量（H）与生成物的能量（H）不等，因此物质变化必然伴随着能量的变化（用ΔH表示），当反应物的焓大于生成物的焓时，ΔH＜0，反应释放能量。从微观上看，化学反应的过程是化学键断裂与形成的过程，旧键断裂需要吸收能量，新键形成会释放能量，因此物质变化必然伴随着能量的变化，即ΔH≈反应物化学键断裂吸收的能量-生成物化学键形成所释放的能量。
用热化学反应方程式可以表达物质变化（包括物质的种类、数量、状态的变化）与能量变化之间的定量关系。化学反应体系能量变化的多少以物质质量的变化为基础。由于化学反应体系的焓变只与始态和终态有关，与反应的过程无关，因此利用已知反应的焓变可以求算难以直接测定的反应的焓变。
（2）化学反应与能量转化。
化学反应是化学学科特有的研究对象，因此化学的能量观更多关注化学能与其他形式能量之间的转化。
①能量转化的前提。化学能与其他能量的相互转化以化学反应为基础和前提。当化学反应发生时，反应体系的能量必然发生变化，能量的变化必须依赖于反应体系与环境之间的能量传递来实现。能量传递的方式一种叫做“热”，一种叫做“功”。由于反应体系与环境之间的温度差造成的能量传递称为“热”，除了热以外，体系与环境之间其他形式的能量传递统称为“功”。人们利用能量的传递过程实现化学能与热能、电能、光能等的相互转化。
在化学反应过程中，如果形成化学键释放的能量大于断裂化学键所需要吸收的能量，反应开始后，就会有一定的能量以热能、光能或者电能等形式释放出来；反之则需要吸收能量才能使反应持续进行。因此，可把化学反应的过程看做是“储存”在物质内部的能量（化学能）转化为热能、电能或光能等释放出来，或者是热能、电能或光能等转化为化学能被“储存”起来的过程。因此化学能与其他形式能量的相互转化以化学反应为基础和前提。例如，自发的氧化还原反应的发生是化学能转化为电能的前提，电能转化为化学能以化学反应的发生为标志。
②能量转化的原理与途径。化学能与热能通过化学反应可以直接转换，不需要特定的装置。化学能与电能之间的转化需要特定的装置：通过原电池装置，将氧化反应和还原反应拆分在不同的场所（正极、负极）发生，使电子发生定向移动，从而使化学能转化为电能；通过电解池，在外电场作用下，迫使电解质中的离子发生定向移动，阴阳离子在不同的电极得失电子生成新物质，从而将电能转化为化学能。
③能量转化的效率。通常情况下，化学能可以完全转化为热能，但是不能100%转化为电能，转化效率与装置和介质有关。
④能量转化守恒。化学能与其他形式的能量可以相互转换，但是严格遵守能量守恒定律。
（三）从能量的角度认识社会、生产、生活
（1）能源的重要性。
从能量的角度看待社会、生产、生活，学生首先应该认识到，能源对于人类社会发展的重要性。现代社会的一切活动，从衣食住行到文化娱乐，从社会生产到科学研究，都离不开能源，在影响全球经济与生活的各种因素中，能源居于首位。
（2）能源的开发和利用离不开化学。
人类利用能源经历了三个阶段：柴草时期（火的发现至18世纪产业革命），化石能源时期（18世纪中期至现代），多能源结构时期（将来）。前两个时期，化学反应在将能源转化为人类所需能量的过程中起着关键作用。在多能源结构时期，氢能、生物质能等其核心仍然是化学反应，核能、太阳能的利用取决于化学对新型材料的合成与开发。因此能源的开发和利用离不开化学，无论是过去、现在还是将来。
（3）电化学在工业生产中有着重要的应用。
电化学原理在工业生产中有着广泛的应用。人们利用原电池原理制造电池获取电能，依据原电池原理对金属进行防护，防止腐蚀。利用电解原理生产基本化工原料（氯碱工业），制备金属（电冶金），进行物质的分离和提纯（粗铜精炼、海水淡化等）。能量观的内涵可概括为附表。
三、微粒观是建构能量观的基础
对中学生来说，建构能量观需要解决两方面的问题：一是理解能量是客观存在的，而不是虚无缥缈的。解决这一难点的关键是将能量与微粒的运动、微粒间相互作用建立起联系。也就是说教师在教学中不能笼统地说物质具有能量，而要深入到物质的微观构成，分析微粒的存在状态——构成物质的微粒处于不断地运动中，微粒之间存在相互作用力，进而借助物理学知识，使学生认识到运动的微粒具有动能，微粒之间的相互作用使得微粒具有势能（可类比重力势能）。物质的内能就是所有微粒的动能与势能的总和。
二是将能量、物质的性质、化学反应建立起联系。解决这一问题的根本在于学生能否认识到物质的性质、化学反应主要与微粒之间的相互作用有关。其中最为重要的三种相互作用分别是：分子之间的相互作用，原子（离子）之间的相互作用，电子与原子核之间的相互作用。微粒之间的相互作用、能量及物质性质三者之间的关系可用图2表示。
化学反应的本质是化学键断裂与形成的过程，由于断裂化学键需要吸收能量，形成化学键会释放能量，因此化学反应必然伴随着能量的变化。
由此可见，认识物质的微粒性，了解微粒的存在状态，将能量与物质、能量与化学反应建立起实质性联系是建构能量观的基础。
思考能量观的构成要素、梳理能量观内涵的过程是教师深入理解学科知识，建构有结构、有逻辑、系统化的能量观的过程。教师对学科知识的理解更加本质了，自身观念清晰了，才能实施以观念建构为本的课堂教学。
致谢：感谢北京教育学院何彩霞老师、海淀区教师进修学校支瑶老师对我的研究及论文写作的悉心指导！