現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展及其對中學(xué)化學(xué)的影響.ppt

1、現(xiàn)代化學(xué)與中學(xué)化學(xué),龔正元 ,本課程的主要內(nèi)容,現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展對中學(xué)化學(xué)的影響 化學(xué)與健康 化學(xué)與環(huán)境 化學(xué)與能源 化學(xué)與材料 化學(xué)與生產(chǎn)和生活的聯(lián)系 中學(xué)化學(xué)疑難問題解析,本課程的學(xué)習(xí)要求,自覺、主動、積極參與 收集、閱讀相關(guān)資料 認真完成作業(yè) 研究性學(xué)習(xí) 考核方法,第一講現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展及其 對中學(xué)化學(xué)課程的影響,一、化學(xué)學(xué)科的成就和地位,1.化學(xué)學(xué)科的地位 早在1985年，美國學(xué)者G.C.皮門特爾指出：“化學(xué)是一門中心科學(xué)，它與社會多方面的需要有關(guān)?；瘜W(xué)的基礎(chǔ)研究則將有助于我們的后代賴以滿足演化中的需要，賴以解決許多難以預(yù)期的問題?！?（1）化學(xué)是一門承上啟下的中心科

2、學(xué)?？茖W(xué)可按照它的研究對象由簡單到復(fù)雜的程度分為上游、中游和下游。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游，化學(xué)是中游，生命、材料、環(huán)境等朝陽科學(xué)是下游?；瘜W(xué)是中心科學(xué)，是從上游到下游的必經(jīng)之地。,(2)化學(xué)又是一門社會迫切需要的中心科學(xué)，與我們的衣、食、住（建材、家具）、行（汽車、道路）都有非常緊密的聯(lián)系。 (3)化學(xué)是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學(xué)等八大朝陽科學(xué)（sun-rise sciences)都有緊密的聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學(xué)。 今天，在人類社會發(fā)展過程中迫切需要解決的幾個重大問題：環(huán)境、糧食、能源、生命進化等，都需要化學(xué)的參與。,2.20世紀化學(xué)的重大成就,在20世紀的100年中，

3、化學(xué)與化工取得了空前輝煌的成就。 “空前輝煌” 數(shù)字（3771萬，2001）。1900年在Chemical Abstracts(CA)上登錄的從天然產(chǎn)物中分離出來的和人工合成的已知化合物只有55萬種?；瘜W(xué)是以指數(shù)函數(shù)的形式向前發(fā)展的。,新分子和新材料的飛速增長,但“化學(xué)家太謙虛”（這句話是Nature雜志在2001年的評論中說的），不會向社會宣傳化學(xué)與化工對社會的重要貢獻。因此20世紀化學(xué)取得的輝煌成就，并未獲得社會應(yīng)有的認可。 生物化學(xué)分子生物學(xué) 固體化學(xué)凝聚態(tài)物理 中心科學(xué)？“伴娘科學(xué)”？,2.20世紀化學(xué)的重大成就,報刊上常說20世紀發(fā)明了六大技術(shù): 1.包括無線電、半導(dǎo)體、芯片、集成電

4、路、計算機、通訊和網(wǎng)絡(luò)等的信息技術(shù)； 2.基因重組、克隆和生物芯片等生物技術(shù)； 3.核科學(xué)和核武器技術(shù)； 4.航空航天和導(dǎo)彈技術(shù)； 5.激光技術(shù)； 6.納米技術(shù)。,但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農(nóng)藥的化學(xué)合成（包括分離）技術(shù)。 上述六大技術(shù)如果缺少一兩個，人類照樣生存。但如果沒有發(fā)明合成氨、合成尿素和合成新農(nóng)藥的技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，60億人口中的30億就會餓死。沒有發(fā)明合成各種抗生素和大量新藥物的技術(shù)，人類平均壽命要縮短25年。沒有發(fā)明合成纖維、合成橡膠、合成塑料的技術(shù)，人類生活要受到很大影響。沒有合成大量新分子和新材料的化學(xué)工業(yè)技術(shù)，上述六大技術(shù)根本無法實現(xiàn)。,

5、二、現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的趨勢分析,1.新世紀的化學(xué)科學(xué)主要研究的物質(zhì)層次 化學(xué)是什么？ 化學(xué)的傳統(tǒng)定義：研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性能和變化規(guī)律的科學(xué)。或者：化學(xué)是研究分子的科學(xué)。 現(xiàn)代化學(xué)定義：研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各種不同尺度和不同復(fù)雜程度的聚集態(tài)的合成反應(yīng)、分離和分析、結(jié)構(gòu)形態(tài)、物理性能和生物活性及其規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué)。,新世紀化學(xué)主要研究的物質(zhì)層次,（1）原子層次的化學(xué)：核化學(xué)、放射化學(xué)、同位素化學(xué)、元素化學(xué)、單原子操縱和檢測化學(xué)等。 （2）分子片層次的化學(xué)：原子只有一百多種，但是分子數(shù)已達三千多萬種，因此，在原子和分子之間引入一個新層次“分子片”。 （3）分子層次的化

6、學(xué)：三千多多萬種化合物（分子），通常分為無機、有機和高分子化合物，但是近些年合成的金屬有機化合物、元素,有機化合物、原子簇化合物、金屬酶、金屬硫蛋白等等，已不能適應(yīng)傳統(tǒng)非分類方法，新世紀將研究分子結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)方式。 （4）超分子層次的化學(xué)：受體和給體的化學(xué)、鎖和鑰匙的化學(xué)、分子間的非共價作用力、范德華引力、各種不同類型的氫鍵、親水與疏水基團及其相互作用、分子的堆積、組裝、位阻及包括各種空間效應(yīng)等。,（5）生物分子層次的化學(xué)：生物化學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、酶化學(xué)、腦化學(xué)、神經(jīng)化學(xué)、基團化學(xué)、生命調(diào)控化學(xué)、藥物化學(xué)、手性化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、生命起源認知化學(xué)等。 （6）宏觀聚集態(tài)化學(xué)：固體化學(xué)、晶

7、體化學(xué)、非晶體化學(xué)、流體和溶液化學(xué)、等離子體化學(xué)、膠體化學(xué)和界面化學(xué)等。 （7）介觀聚集態(tài)化學(xué)：納米化學(xué)、軟物質(zhì)化學(xué)、膠體化學(xué)（膠團膠束化學(xué)和氣溶膠化學(xué)）等。,2.新世紀化學(xué)科學(xué)的主要研究領(lǐng)域,（1）環(huán)境相容性化學(xué)綠色化學(xué) 研究的核心問題： 綠色合成技術(shù)方法和過程 可再生資源的利用和轉(zhuǎn)化中存在的一系列問題的研究。 礦物質(zhì)資源高效利用中存在的關(guān)鍵科學(xué)問題的研究。,（2）新材料化學(xué)科學(xué),新材料的研究主要有以下幾個方面： 復(fù)合型材料 新型能源材料 可生物降解高分子材料 有機物體系膜分離及膜材料的研究 生物材料化學(xué),（3）化學(xué)中的生命科學(xué),生物超分子功能的研究 模擬生物體系的自由基化學(xué)和物理有機化學(xué)研

8、究 無機化合物藥用的研究無機藥物的手性選擇問題、抗癌配合物的研究、利用微量金屬離子有效地預(yù)防疾病、對無機藥物跨膜運送機制、無機藥物載體和靶向藥物的研究、核藥物及中藥復(fù)方中使用礦物的問題。,（4）化學(xué)工程技術(shù),從液滴反應(yīng)器的尺度范圍內(nèi)對化學(xué)轉(zhuǎn)化影響下的某些重要的物理現(xiàn)象進行研究就形成了化學(xué)工程。 具有經(jīng)濟、環(huán)境優(yōu)化性的化學(xué)過程集成智能方法 化學(xué)反應(yīng)的原子經(jīng)濟 飛秒激光控制化學(xué)反應(yīng) 微系統(tǒng)（MEMS）的新型活性加工技術(shù)及微流量系統(tǒng)的研究。,（5）農(nóng)業(yè)化學(xué)科學(xué),糧食問題的解決，除了不斷發(fā)展其他領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)（如海洋藍色農(nóng)業(yè)、微生物白色農(nóng)業(yè)等）之外，化肥工業(yè)是支撐農(nóng)業(yè)發(fā)展不可動搖的基石 重要研究內(nèi)容：固氮

9、工程、光合作用、長效緩釋化肥等 其他重點研究領(lǐng)域：植物激素及生長調(diào)節(jié)物質(zhì)、昆蟲激素及生長調(diào)節(jié)物質(zhì)、昆蟲信息素、生物活性發(fā)展的分離和鑒定等。,（6）催化化學(xué),新世紀的催化化學(xué)是以消除有害物質(zhì)為目的的新的能源環(huán)保為特征的催化化學(xué) 研究各種形式的催化過程，如化學(xué)催化、生物催化、擇形催化、電催化、光催化等在綠色合成中的作用。 研制開發(fā)家電用環(huán)保催化劑、烹調(diào)器用自凈化催化劑、光催化空氣凈化劑、催化燃料電池、汽車尾氣凈化劑等。,（7）計算機化學(xué)科學(xué),一方面電子信息產(chǎn)業(yè)需要大量的化工原料，其中有基材、光刻膠、摻雜劑、封裝材料及專用清洗劑等。 另一方面，隨著分子生物學(xué)的不斷興起和發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在生物大分子之間

10、遵循化學(xué)和生理規(guī)律發(fā)生相互作用過程中，能形成具有類似于計算機的信息傳輸和處理、甚至邏輯運算功能的“生物電路”，從而誕生了生物計算。 計算機化學(xué)科學(xué)的另一領(lǐng)域是發(fā)展理論化學(xué)計算及微觀過程模型的軟件。,3.21世紀化學(xué)科學(xué)的四大難題,（1）化學(xué)反應(yīng)理論 建立嚴格的微觀化學(xué)反應(yīng)理論，既要從初始原理出發(fā)，又要巧妙地采取近似方法，使之能解決實際問題，包括決定某兩個或幾個分子之間能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？能否生成預(yù)期的分子？需要什么催化劑才能在溫和條件下進行反應(yīng)？如何在理論指導(dǎo)下控制化學(xué)反應(yīng)？如何計算化學(xué)反應(yīng)的速率？如何確定化學(xué)反應(yīng)的途徑等。,（2）結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系,理論上說，一個分子的電子云密度可以決定它的

11、所有性質(zhì)，但實際計算很困難。 要優(yōu)先研究的課題：分子和分子間的非共價鍵的相互作用的本質(zhì)和規(guī)律；超分子結(jié)構(gòu)的類型、生成和調(diào)控的規(guī)律；給體受體作用原理；生物大分子的結(jié)構(gòu)以及與生物和生理活性的關(guān)系；分子自由基的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系；摻雜晶體的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系；如何設(shè)計合成具有人們期望的某種性能的材料？如何使宏觀材料達到微觀化學(xué)鍵的強度？,（3）生命現(xiàn)象的化學(xué)機理,研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機理，這是藥物設(shè)計的基礎(chǔ)。 搞清楚光合作用、生物固氮作用，牛羊等食草動物胃內(nèi)酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應(yīng)機理。 人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計算機，徹底了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能，是多學(xué)

12、科共同面對的難題。,了解活體內(nèi)信息分子的運動規(guī)律和生理調(diào)控的化學(xué)機理。 如何實現(xiàn)從生物分子到分子生命的飛躍？如何制造活的分子，跨越從化學(xué)進化到生物進化的鴻溝？ 研究復(fù)雜、開放、非平衡的生命系統(tǒng)的熱力學(xué)，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線性問題,（4）納米尺度的基本規(guī)律,尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同 導(dǎo)致物質(zhì)性能及其運動規(guī)律和原理的質(zhì)的區(qū)別 納米尺度的熱力學(xué)性質(zhì)如金的熔點1063，納米金（510nm）的熔化溫度為330 。銀的熔點為960.3 ，而納米銀（510nm）為100 。 納米磁性量子隧穿效應(yīng)、量子相干效應(yīng)等 納米粒子比表面很大，由此引起性質(zhì)的不同。例如，納米鉑黑催化劑可使乙烯催

13、化反應(yīng)的溫度從6000 降至室溫。,三、高中化學(xué)課程中的現(xiàn)代化學(xué)內(nèi)容,1.物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識 化學(xué)1知道化學(xué)是在分子層面上認識物質(zhì)和合成新物質(zhì)的一門科學(xué) 物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)了解晶格能的應(yīng)用，知道晶格能的大小可以衡量離子晶體中離子鍵的強弱；舉例說明分子間作用力對物質(zhì)狀態(tài)等方面的影響；列舉含有氫鍵的物質(zhì)，知道氫鍵的存在對物質(zhì)性質(zhì)的影響。,2.化學(xué)與環(huán)境科學(xué),化學(xué)1通過實驗認識氯、氮、硫、硅等非金屬及其重要化合物在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對生態(tài)環(huán)境的影響。 化學(xué)2以酸雨的防治和無磷洗滌劑的使用為例，體會化學(xué)對環(huán)境保護的意義；能說明合成新物質(zhì)對人類生活的影響，討論在化工生產(chǎn)中遵循“綠色化學(xué)思想”的重要性。 實驗化學(xué)樹立綠

14、色化學(xué)思想，形成環(huán)境保護的意識。,化學(xué)與生活評價高分子材料的使用對人類生活質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的影響；通過典型的水污染實例認識水污染造成的危害，能說出污水處理中主要的化學(xué)方法和原理；知道大氣主要污染物，能說出減少大氣污染物的一種及方法；認識“白色污染”的危害和防治方法；根據(jù)防治土壤污染、保護環(huán)境的要求，舉例說明廢水處理、垃圾和其他生活廢棄物的處置方法。 化學(xué)與技術(shù)以廢舊塑料的再生利用為例，認識化學(xué)對廢舊物資再生與綜合利用的作用，討論其可能的途徑。,3.能源科學(xué),化學(xué)2知道化學(xué)鍵的斷裂和形成是化學(xué)反應(yīng)中能量變化的主要原因；通過生產(chǎn)、生活中的實例了解化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化；舉例說明化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化關(guān)系

15、；認識提高燃料的燃燒效率、開發(fā)高能清潔燃料和研制新型電池的重要性。,化學(xué)反應(yīng)原理了解化學(xué)反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化的原因，能說出常見的能量轉(zhuǎn)化形式；通過查閱資料說明能源是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，了解化學(xué)在解決能源危機中的重要作用，知道節(jié)約能源、提高能源利用效率的實際意義；體驗化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的探究過程，了解原電池和電解池的工作原理，能寫出電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式；通過查閱資料了解常見電源種類及其工作原理，認識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義及其重要應(yīng)用。,4.材料科學(xué),化學(xué)1能列舉合金材料的重要應(yīng)用。 化學(xué)2能舉例說明高分子材料在生活等領(lǐng)域的應(yīng)用。 化學(xué)與生活列舉生活中的常用材料，能通過實例認識化學(xué)在

16、發(fā)展生活用材料中的重要作用；認識金屬與合金在性能上的主要差異，知道生活中常見的合金的組成；舉例說明生活中常見合成高分子材料的化學(xué)成分及其性能，評價高分子材料的使用對人類生活質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的影響。,化學(xué)與技術(shù)討論社會發(fā)展和科技進步對材料的要求，認識化學(xué)對材料科學(xué)發(fā)展的促進作用；舉例說明金屬材料、無機非金屬材料、高分子合成材料、復(fù)合材料和其他材料的特點，了解有關(guān)的生產(chǎn)原理；舉例說明用化學(xué)方法進行金屬材料表面處理的原理；收集我國現(xiàn)代材料研究和材料工業(yè)發(fā)展情況的資料，認識新材料的發(fā)展方向。 有機化學(xué)基礎(chǔ)能舉例說明合成高分子的組成與結(jié)構(gòu)特點，能依據(jù)簡單合成高分子的結(jié)構(gòu)分析其鏈節(jié)和單體；舉例說明新型高分子

17、材料的優(yōu)異性能及其在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。,5.催化化學(xué),化學(xué)與技術(shù)了解催化劑的研制對促進工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重大意義。 化學(xué)反應(yīng)原理通過催化劑實際應(yīng)用的事例，認識其在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重大作用。,6.生命科學(xué),化學(xué)與生活說明氨基酸、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特點，能列舉人體必須的氨基酸；通過實例了解人體必須的維生素的主要來源及其攝入途徑，了解維生素在人體中的作用；了解人體新陳代謝過程中的某些生化反應(yīng)。 有機化學(xué)基礎(chǔ)能說出氨基酸的組成、結(jié)構(gòu)特點和主要化學(xué)性質(zhì)，查閱資料了解氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸等的意義，體會化學(xué)科學(xué)在生命科學(xué)發(fā)展中所起的作用。,7.在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,化學(xué)與技術(shù)了解我國基本化工的生

18、產(chǎn)資源、基本化工產(chǎn)品的主要種類和發(fā)展概況；了解合成氨的主要原理、原料、重要設(shè)備、流程和意義，認識催化劑的研制對促進化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重大意義；通過實例了解精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)特點，知道精細化工在社會發(fā)展中的作用；通過典型事例了解化學(xué)肥料、農(nóng)藥、植物生長調(diào)節(jié)劑和除莠劑及其發(fā)展趨勢。,化學(xué)與生活知道常見的食品添加劑的組成、性質(zhì)和作用；知道水泥、玻璃和陶瓷的主要化學(xué)成分、生產(chǎn)原料及其用途。 有機化學(xué)基礎(chǔ)舉例說明烴類物質(zhì)在有機合成和有機化工中的重要作用；認識糖類的組成和性質(zhì)特點，能舉例說明糖類在食品加工和生物質(zhì)能源開發(fā)上的應(yīng)用；討論有機合成在發(fā)展經(jīng)濟、提高生活質(zhì)量方面的貢獻。,四、中學(xué)化學(xué)課程中的科學(xué)觀念,

19、1、什么是科學(xué)觀念？ 科學(xué)觀念是指人們對科學(xué)對象、科學(xué)過程的本源和本體的見解或意識，即對科學(xué)對象持有的整體的觀點，包括科學(xué)思想、科學(xué)精神、科學(xué)方法等。 科學(xué)觀念是科學(xué)認識和實踐中思維的細胞和基石，也是組成科學(xué)素質(zhì)的最高層次的要素。 就科學(xué)過程而言，科學(xué)觀念包括人類為什么想、怎樣想、想出了什么、為什么這樣想等。,2、中學(xué)化學(xué)課程包含的科學(xué)觀念,（1）物質(zhì)是不斷運動變化的 （2）物質(zhì)的性質(zhì)是由其組成和結(jié)構(gòu)決定的 （3）物質(zhì)不可能無緣無故消失，只可能有規(guī)律地轉(zhuǎn)化 （4）環(huán)境問題較多是由人類不正確使用科技成果造成的，各門科學(xué)可以繼續(xù)為解決環(huán)境問題貢獻力量。,（5）人是自然的一部分，人的生存、成長和發(fā)展需要借助科學(xué)知識、遵循科學(xué)規(guī)律。 （6）自然是人類可利用的重要資源，也是人類的朋友。 （7）科學(xué)研究有方法可循。但是方法不是萬能的。,3.科學(xué)觀念的來源,（1）包括化學(xué)學(xué)科在內(nèi)的各門具體學(xué)科的科學(xué)概念、科學(xué)理論等知識。 如元素周期表與元素周期律、氧化還原反應(yīng)規(guī)律、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)