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人類使用化學改善生活的歷史已不下幾萬年,一個早期的例子就是使用火。人類史前的祖先用火烹煮食物,這是人們使用化學方法改變物質特性的偉大實踐。這以后,他們的后代學會了將不同材料混合起來制造新材料。例如,他們將巖石、礦物和一些來自動植物的材料相混合,有時對材料進行加熱和加壓。經過反復嘗試,他們知道了如何制造更合用的新材料。在這方面,制作顏料和肥皂是兩個典型的事例。
今天,化學已經幾乎在每一種可以想到的產品中發揮著作用。在美國,制造商注冊的化學制品已超過83000種,其中的一些用途十分廣泛,從食品到塑料,從卡車到電子產品,幾乎無所不包。
然而不論是對人還是對環境,制造、使用和處理化學制品都是有風險的,畢竟有些化學制品的原材料是有毒的,例如汞和鉛。而另外一些化學制品則可能非常耗費能源、水或者其他自然資源,而人們在使用或拋棄它們時,一些物質又會污染空氣、水或者土壤。
例如一種高科技滑板,它是用一種堅固的聚碳酸酯塑料制造的,然而,這種物質的“構件”是一種名為雙酚A的分子,一旦進入到水中就會給環境帶來麻煩,它們會污染食物,還引發其他的問題。
好在人們面對這種狀況并不是無能為力的,有些人專門從事應對環境風險的化學研究,他們的目標就是保證消費品的安全性和對環境的“友好性”。這些人就是“綠色化學家”。
從洗衣粉中滋生的水網“毒瘤”
“綠色化學家”現身于上世紀90年代早期,當時,美國化學家保羅?阿納斯塔斯(Paul Anastas)正在為美國環境保護署工作,他發現,化學家們通常在產品問世很久以后才開始調查其中的化學品會帶來怎樣的環境風險。鑒于此,阿納斯塔斯呼吁改變這種狀況,他倡議化學家們在設計產品時從一開始就考慮安全和環保的問題。
綠色化學家很關注的一種化學物質叫表面活性劑,這種物質幫助液體混合,例如水和油。每個表面活性劑的分子都有兩端,一端表現為親水性,這意味著它吸收水,另一端表現為斥水性,表明它排斥水。
表面活性劑是洗衣粉中的重要材料,它幫助人們除去衣服的污垢,這些污垢常帶有油污的成分。在美國,洗衣粉中的表面活性劑通常由一種名為“壬基酚聚氧乙烯醚”的化學物質充當,它是很優秀的表面活性劑。由于這個名字太長,化學家們一般稱它為NPEs。
一旦NPEs完成了使命,它們會進入污水處理廠,但污水處理廠并沒有將NPEs從污水中完全清除掉,于是它們便隨著處理過的水排放到了江河或者湖泊中。這時的NPEs依然保留著部分功能,它們會分解成另外一種名為“壬基苯酚”的化學物質,而這種化學物質對魚和綠色植物是“劇毒”的。
正是因為這個原因,加拿大和歐盟都禁止在洗滌劑中使用NPEs。但在美國,每年依然有幾千噸這種化學物質被使用,這樣一來,研究人員在北美水網中查出高水平的NPEs就不足為奇了。
找到了一種“替代品”
拉馬斯瓦米?納卡拉占(Ramaswamy Nagarajan)是美國麻省理工大學的塑料工程師,他和他的學生們研發了一種NPEs的取代物,他們使用一種綠色資源――水果皮制造這種環保的物質,而他們這樣做的靈感來自于一種生活在墨西哥灣的微生物。
2010年4月20日,位于墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺發生爆炸并引發大火,沉沒的鉆井平臺泄漏了大約500萬桶原油。這以后,海中的微生物便開始分解這些原油。納卡拉占發現,那些微生物制造了一種自然的表面活性劑,這種物質含有連接糖分子的長鏈,稱為多糖體。于是,這些科學家產生了將自然的多糖資源轉變成新的綠色表面活性劑的想法。
他們想到的制造NPEs取代物的原料是果膠。果膠是可食用的多糖體,水果皮和其他食物殘渣中就含有這種物質。事實上,罐頭制造商也在果醬和果凍中添加果膠以使食物凝成膠狀。更為重要的是,納卡拉占注意到,微生物能夠分解它們。由于自然的果膠是無害的,它們會消失在環境中,這和不降解又污染環境的壬基苯酚是不一樣的。
為了將果膠轉變成表面活性劑,化學家們需要在每一個果膠分子中添加一組原子,這要用上一種特殊的實驗用微波爐,處理過程大約30分鐘。這個過程完成后,每個果膠分子的一端便有了一群親水的原子,即親水的化學基團,而另一端則是親油的化學基團。
但在表面活性劑廣泛被果膠取代以前,綠色化學家們還有很多事情要做,其中一個有待解決的問題是果膠的分子太大,難以溶解于水,所以納卡拉占和他的研究小組正在攻克這個難題。另外一個問題就是效果,和目前市場上的洗衣粉相比,以果膠為原料的新產品去油和去污的能力還是稍遜一籌,這是因為它們缺乏斥水的化學基團。假若解決了這些問題,效果就會好起來。
裝扮成荷爾蒙的抗菌劑
以果膠為原料的表面活性劑引起了人們很大的興趣,科學家們也為這種產品申請了專利。美國環境保護署向科學家們提供了一筆資金,他們希望綠色化學家們能研發更多類似的綠色產品。
在化學制品中,有些會對生物體造成傷害,例如洗手液和肥皂,它們含有抗菌劑,是殺菌的化學物質,但長期使用會有副作用。例如,使用后的化學物質會進入湖泊和河流中,對環境造成損害。現在,有些綠色化學家注意到了這個問題,他們要設法解除這樣的環境風險。
三氯生(triclosan)能殺死手上的細菌,它是大量廚房洗滌產品的化學原料,然而有數據顯示,在自然環境中,三氯生正在起著損害環境的作用。為什么呢?原來,這種化學物質有可能幫助細菌產生針對于抗菌藥物的抗藥性。
除此之外,三氯生還可能發揮著內分泌干擾物的作用,這意味著這種物質有時會模仿荷爾蒙影響機體的生理活動。荷爾蒙是一種重要的化學物質,機體通過它們控制重要的生理活動,例如生長、睡眠、繁殖等等。當身體遭遇了一種裝扮成荷爾蒙的化學物質后,身體就有可能不適當地啟動或者關閉一些重要的細胞活動,從而改變身體的發育,或者引發疾病。例如,由于三氯生的活動很像荷爾蒙,它們就能影響動物的生長發育。在一些實例中,雄魚被雌性化了,裝扮成荷爾蒙的內分泌干擾物使雄魚的外表和行為變得和雌魚相似了。
三十年打造降解利器
綠色化學家們很想清除這樣的內分泌干擾物,然而這很難做到,因為擁有這種特性的化學物質太多了,何況它們中的很多還發揮著重要的工業作用,所以最可行的解決辦法就是在大自然中降解它們。美國卡耐基梅隆大學的科學家柯林斯經過30多年的研究,研發了一種能降解內分泌干擾物的化合物,他將這種化合物稱為TAMLs,這是“四氨基大環配位體”(tetra-amido macrocyclic ligands)的簡稱,是一種催化劑,有啟動或加速化學反應的作用。當它們和過氧化氫化合后,就能非常迅速地分解其他化學物質,只需要很少的量就能引發多種反應,整個過程不產生有害污染。
TAMLs能分解三氯生以及其他對水生植物和動物帶來風險的污染物,但科學家們擔心,TAMLs本身也會成為一種內分泌干擾物。于是,柯林斯和另外一位生物化學家,美國俄勒岡州立大學的羅伯特?坦圭(Robert Tanguay)一起用魚測試了TAMLs的效果。坦圭的工作對象是斑馬魚,這種小熱帶魚是非常理想的實驗動物。科學家們將斑馬魚的胚胎暴露在經過TAMLs處理的水環境中,他們發現,水中高水平的TAMLs對斑馬魚的正常生長沒有產生影響。科學家們還在水中加入TAMLs、過氧化氫和那些導致了雄魚雌性化的微量污染物,然后讓斑馬魚在這種水中活動,結果那些魚依然是健康的。科學家們表示,接下來的實驗將轉向哺乳動物,他們要進一步搞清楚,TAMLs是否對哺乳動物也同樣有效。假若結果是肯定的,那么這種催化劑就有望廣泛運用于分解水污染物中的毒素了。
節能減排,綠色化學家不辱使命
即使你坐在家中,一種名為二氧化鈦的化學物質也有可能環繞在你的周圍,這種簡單的白色化合物具有很好的反光性,所以油漆制造商們使用這種物質“加白”或者“加亮”他們的產品。這種物質還會出現在其他產品中,包括食物類的布丁。然而,假若在產品中加入的二氧化鈦過多,產品就不“綠色”了。
鈦是地球上最豐富的元素之一,也是很多礦物的重要組成。一些企業開采這種材料,將其壓碎后加入其他化學物質,然后用900攝氏度的高溫予以加熱,這個過程耗費大量能源,并產生了很多污染物。
2013年,美國環境保護署在陶氏化學公司設立了一項“總統綠色化學挑戰獎”,目的是鼓勵企業減少油漆中二氧化鈦的使用量。
那么企業的解決方案又是什么呢?是一種新化學物質,名為Evoque。將這種東西混合在油漆里,就能使二氧化鈦的使用量減少20%。綠色化學家追求的目標之一是材料價值的最充分利用。由于減少了二氧化鈦的使用量,人們便達到了節約能源和減少污染的目的。
Evoque是一種聚合物,這種物質結合二氧化鈦不僅能變得更環保,還解決了一個普遍的難題。
在這里,由巴斯夫精心設計的互動活動為這些祖國的花朵又一次開啟了領略化學這個奇妙世界的一扇大門。
當水愛上化學
今年的活動以“當水愛上化學”為主題,帶來“水的研究”、“水的凈化”和“水的儲存”三個有關水的趣味小實驗。據了解,其中“水的研究”是在中國首次亮相,它與IUPAC(國際純化學和應用化學聯合會)化學教育委員會推出的“壘球實驗”有直接關聯,旨在讓孩子們理解化學在水資源保護中起到的重要作用。同時,它與“聯合國千年發展目標”相呼應,如在2015年前大幅改善安全飲用水供應狀況等。在“水的研究”這一實驗中,孩子們親手配制出高濃度糖溶液,將其置于純水層之下,觀察到塑料珠子和彩色溶液在自制“密度塔”水中的分層和表現。
據悉,在今年7月25日至8月2日的活動期間,“巴斯夫小小化學家”將在中國科技館迎接小朋友們的到來,提供免費化學實驗活動。
小小化學家,10年11萬
開幕儀式上,通過“尋找曾經的小小化學家”活動而從四面八方來趕來再度重聚的“小小化學家們”,成為了活動當天的“小明星”。他們和小朋友們共同慶賀小小化學家在大中華區的十年歷程。
乙炔是由英國化學家戴維(Edmund Davy,1785~1857)在1936年發現的,1862年,德國化學家維勒(Friedrich Wohler,1800~1882)發現電石與水反應生成乙炔,但乙炔被用于化工業,是經莫瓦桑(Ferdinand Frederic Henri Moissan,1852~1904法國化學家)和維爾遜(T·L·Willson,1860~1915美國人)等人的積極努力在1892年完成的。即向電熱爐內加入石灰石和焦碳制得電石(CaC2),向其注入水來大量制造乙炔。進入20實際之后,乙炔作為化學工業原料,開始被用于合成乙醛、醋醛、丙酮、氯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等,使所謂乙炔系合成化學工業得到發展。
但由于乙炔是極不穩定的氣態烴,與空氣混合容易爆炸即使對其加壓,也容易發生爆炸分解,所以與氫相比要更為危險,因此,以前設計到的乙炔反映都限于常壓。
1928年左右,列培開始大膽嘗試將乙炔從幾個氣壓壓縮到數十大氣壓、并使之與各種有機化合物進行反的方法。這雖然在過去被認為辦不到的事情,但他經過仔細研究,設計出一些十分安全可靠的裝置,并將其造出來。而且通過認真研究的結果,明確了過去被認為是乙炔爆炸原因之一的乙炔銅之類的化合物,還是乙炔反映的有效催化劑。他根據這些研究成果很容易得地從乙炔制得與過去完全不同的一些有機物,這給合成橡膠、合成樹脂(塑料)、合成纖維等領域帶來了顯著的進步。
所謂列培反映就是將各種能夠有機物和催化加如高壓釜(耐壓容器),在高溫高壓條件下使之與乙炔發生反應,但從反應看來,大體可分為以下4種類型:乙烯化反應(Vinylation)、乙炔(Cyclization)。以下實用簡單加以說明:
(1)乙炔化反應:即乙炔能與含活性氫的醇、流醇、胺羧酸等在加壓、加熱(150℃~200℃)及堿性催化劑(如氫氧化鉀、醇鈉、醇鉀等)存在下起加成反應,生成乙炔醚,乙烯胺及乙烯酯類,此類產物可用做有機合成的原料。
從1928年左右,列培著手于乙炔醚(Vinylether)的研究,這是使氯乙烯和醇堿(金屬鈉的究竟溶液)在加壓釜內進行反應,由此首次開發了乙烯醚的合成法①通過進一步研究發現,若該反映的副產品一生產的少量乙炔在反應中長時間保持高溫且在堿存在下就顯著減少,由此正式了乙炔也可于醇堿發生反應的設想,并完成了由乙炔與醇在20~22大氣壓、160℃~165℃、苛性鉀為催化劑合成乙烯醚的工業制造方法。
HCCH+ROHCH2=CHOP
并且將得到的乙烯醚在BF3催化劑存在下聚合,合成了各種聚乙烯醚,特別是由此開發了具有粘著性的熱可塑性物質一聚丁烯異丁醚(Polyvinylisobutylether)其商品名稱為聚異丁烯橡膠(OppanilC)。并且在后來還開發了將乙烯醚(主要是甲基或乙基醚)用烯酸水來制造乙醛。
H2C=CH-OP+H2OCH3CHO+ROH
該方法作為不用汞鹽催化的乙醛合成法,在1937年以來加以研究,并在路德維希港(Ludwigshafen)進行了半工業試驗。并且還研究了使乙炔在有機酸鹽(環烷酸鋅)存在下、在20大氣壓、230℃與p-叔丁基苯酚(p-Tertiarybuylphenol)反映,合成了被稱為Koresin的聚合體②,由此開發了布納橡膠在粘合劑、涂料、可塑劑等方面的應用。
(2)乙炔化反映:即乙炔在乙炔金屬(如銅、銀、鎳、鈷)催化劑存在下,次甲基(CH)上的氫與羰基化合物起加成反應,生成物中仍保留三鍵結構。
1937年,列培發現有醇胺與乙炔合成丙炔胺的反應,這是由三甲胺和甲醛縮合的(Dimethymethylolamine)與乙炔用乙炔銅催化合成的。
在工業上,制造出了快速硬化劑(酚醛樹脂用)的炔化物。并且Diethylaminopentyol③被用于合成抗瘧劑撲瘧喹啉(Plasmochin)、瘧滌平(Atebrine)的中間體。
1937年,列培又發現了使乙炔與甲醛在5~10大氣壓、90℃~100℃條件下,用乙炔銅催化加成后合成了丙炔醇(Propargyl alcohol)④,進行得到了丁乙炔二醇⑤(Butynediol)的方法。
HCCH+HCHOHCCCH2OH
HCHOHOCH2CCCH2OH(收率92%)
對該反應進行深入研究發現:比甲醛高級的醛也發生同樣的反應,但隨著碳原子數的增多,二醇的收率下降,并且在相同條件下,可以將氨甲基醇的羥基取代為乙炔基。
R2NH HCCH R2HCHR2NCH2CCH
而且使乙炔與胺作用后,生成氨基丁炔類化合物。
R2NH HCCH R2NCH=CH2
HCCH R2NCH(CH3)CCH
在二站中,列培還開發了四氫呋喃用Ni(CO)4(含少量碘)催化合成已二酸(尼龍6,6的原料)的方法。 之后不久,列培又開發了由四氫呋喃⑥。并且還進行了使氨與丁二醇脫氫后得到的γ-丁內脂作用制得a-吡咯烷酮,在鉀化合物存在、15大氣壓、100℃~140℃的條件下與乙炔反應N-乙烯基-a-吡咯烷酮(Nvinyl-a-Pyrrolidone),再用過氧化氫催化聚合后,合成了聚乙烯吡咯烷酮:
它的用途十分廣泛。涉及到化妝品乳化劑、染料的分散劑、酒類的澄清劑等。
(3)羰基化反應:即乙炔在鎳催化劑存在及加壓條件下與一氧化碳作用,生成不穩定的環丙烯酮(Cycolpropenone)中間產物、后者與含活性氫化物(如醇、水、酸、胺、硫醇等)作用,產生多種有用的產物。如應用Ni(CO)4為催化劑(缺點:有劇毒,強酸存在下有腐蝕作用)則反應可在較低溫條件下(45℃~50℃)下進行。
1938年,列培將劃時代的方法引入一氧化碳化學工業中。如羰基金屬[Ni(CO)4]那樣作為非常有效的催化劑,在一氧化碳與乙炔(鏈)烯(烴)、醇等具有活性氫化合物反應中,被用于合成羧酸幾其衍生物。
HCCH+CO+HYCH2=CH-COY(HY=H20、ROH)
列培所用的方法是將乙炔溶于四氫呋喃中,用溴化鎳代替Ni(CO)4,即用0.1%%NiBr2為摧毀劑,在100大氣壓,200℃~240℃,使水、一氧化碳反應合成丙烯酸,然后進行酸催化酯催化一高壓列培法。為了避免該法中的高壓,列培又發明了在低溫下將CO一Ni(CO)4的形式使用的方法-列培改良法(也稱化學計量合成法)。
4HCCH+4ROH+Ni(CO)4+2HCI4CH2=CHCOOR+NiCI2+H2
并且,一取代乙炔,二取代乙炔也發生同樣的反應。
經深入研究上面反應后得出結論:在一取代乙炔反應中,羰基是連接在第二號碳上,在二取代乙炔反應中,氫原子和碳基是順式加成。另外,在由乙炔、CO、水生成對苯二酚的反應中,是以碳基鐵[Fe(CO)5]作為CO供給源或催化劑
Fe(CO)5+4CHCH+2H20 0H
1939年,,列培雖常識了由乙炔與CO合成乙炔醛(Acetylene aldehyde HCC-CHO、OHC-CC-CHO),但發現在水存在時得到丙烯酸。
該反應中的CO的供給源是Ni(CO)4,在鹽酸存在下40℃時反應順利進行。
1940年左右,列培根據由乙炔、CO、水合成丙烯酸的經驗,開發了由甲醇和CO合成醋酸的方法。
CH3OH+COCH3COOH
該反應是在250℃、650大氣壓,用磷酸、磷酸鹽、過度金屬碘化物(CoI2)、BF3等催化劑的條件下合成的。
(4)環化反映:即乙炔在Ni(CO)4若其他催化劑存在及加壓條件下聚合生成環鋅四烯 -1,3,5,7(Cyclo-Octaterene,簡稱COT)等環多烯烴類化合物(Cyclo-polyyolefins)
將乙炔加熱到高溫后生成少量的苯及其他芳香烴,這是由法國化學家貝特羅(Pierre Eugene Marcelin Berthelot 1827~1907)發現的。如果將該熱聚合反應在碳話鋁上進行,收率將有所提高。即使這樣,也是多種同系物的混合物。1940年列培與O.Schlichting、K.Klager共同發現,使壓縮乙炔(12~20大氣壓)在環氧乙烷溶于氫呋喃的混合溶劑中,用??的鹵化物,(或氨基氰、Ni、(CN)2)為催化劑,在60℃~70℃條件下聚合成環狀多烯經(Cyclopolyolefin),例如環鋅四烯⑦(Cyclooctaterene)。
如果將其用鎳或泊進行催化加氫即可得到環辛烷,若將其氧化就得到辛二酸(聚酰胺樹脂原料)。并且還可由環辛烯經環鋅(烷)醇(Cycloocatanol)、環鋅(烷)酮(Cycloocantone)、環鋅酮肟(Cycloocatanone-oxime)合成Caprylo-lactum(聚酰胺纖維原料)。
另外列培發現,以羰基鎳和三苯膦得到的配合物為催化劑,使高壓乙炔(大約20大氣壓)進行反應,環化聚合為約85%的苯、約15%的苯乙烯。
一、化合價概念的歷史演變
化合價概念從提出到現在,已經一個半世紀,隨著人們對分子及分子結構的認識越來越深入,早期那種認為可用整數定量量度化學元素性質的化合價概念已經過時,化學家的注意力已轉向用分子軌道理論來討論化學鍵的本質.從歷史發展的角度來看,化合價概念的演變與發展經歷了四個重要階段:化合價的提出、化合價概念的發展、化合價的電子理論階段和分子軌道理論階段.
1.化合價概念的提出
1852年,英國化學家弗蘭克蘭在研究金屬有機化合物時提出了化合價的思想,認為金屬或其他元素的每一個原子在化合時具有一種特殊的性質――化合力,即任何一個原子都有和一定數目的其他原子結合的性質.“化合力”概念的提出揭示了元素化合力與基團化合力之間的聯系,“化合力”后來被德國化學家凱庫勒翻譯為“價”,得到歐洲各國的普遍認可;我國早期使用的術語是“原子價”,1991年公布的《化學名詞》中譯為化合價,并給出定義:一定數目的一種元素的原子只能跟一定數目的其他元素的原子化合,這種性質叫做化合價.
2.“化合價”概念的發展
化合價的概念提出后,在較長的時間內并沒有相應的理論去解釋原子間結合的原因,直到化學家們把研究重點從化合價的本質轉移到原子結合的數量關系上.20世紀,原子結構理論的建立為揭示化合價的本質奠定了基礎.1861年,俄國有機化學家特列洛夫首先提出“化學架構”的概念,并指出物質的化學性質決定于它的化學結構,1916年美國化學家路易斯在《原子和分子》中闡釋了化合價的電子理論,解釋了分子間作用力的實質,提出:原子失去或獲得電子后形成穩定的電子結構,金屬原子易失電子,非金屬原子易得電子形成負離子,正、負離子間的靜電庫侖力是離子間形成化合價的本質.
3.電子理論的發展
1927年,英國化學家海特勒和德國化學家倫敦把量子力學理論應用到分子結構中來,后來又經過美國化學家鮑林等人的發展,建立了現代價鍵理論(簡稱VB法,又叫電子配對法),1931年,由鮑林和斯萊托創立了雜化軌道理論.價鍵理論和雜化軌道理論都認為,原子的化合價與原子核外電子層中未配對的電子數目相等.因為有幾個未配對電子,就可以借電子對的形式來形成幾個共價鍵,從而生成具有一定穩定結構的分子.例如:H、F、O、N、He、Ne基態時原子核外未配對電子數分別是1、1、2、3、0、0,所以它們的化合價也分別為1、1、2、3、0、0.
4.分子軌道理論階段
1931年鮑林提出了雜化軌道理論和電價配鍵、共價鍵的配合物價鍵理論,1932年美國化學家密立根和德國化學家洪特等人創立了分子軌道理論(簡稱MO理論),以及隨后提出的單電子鍵、三電子鍵和缺電子鍵等概念,使化學家們對原子間相互化合的形式、結構、性質等的認識進一步深化和發展,同時也使化合價的傳統概念暴露出來這樣那樣的缺陷.1938年,鮑林出版了《化學鍵本質》一書,宣告了用整數定量量度化學元素性質的化合價的消亡,并引導化學家們將注意力轉到探索化學鍵的本質上來.至此,人們開始清醒地認識到用化學鍵數目來計算原子的化合價的方法是行不通的,至少在有些類型的化合物中是無法應用的.
二、化合價的學習困難分析
通過對化合價概念的演變與發展的歷史回顧,我們可以看到,在第一階段的化合價概念僅僅回答了原子間相互化合的數量關系.第二階段則將化合價的數值與共價鍵數目或原子中未配對電子數目畫上等號,從而使化合價這一起初比較抽象的概念變得具體起來.第三階段,化合價的分子軌道理論為揭示化學鍵的本質提供了理論基礎,同時說明用整數定量度量原子化合價的概念已經過時,對于奇數電子的分子、缺電子分子和夾心面包型分子中原子的化合價,必須用分子軌道理論來闡述才能得到滿意的解釋.這不斷變化的含義,讓化合價披上了一層神秘的面紗,也導致了學生化合價學習的困難.
首先,從化合價的發展歷程可以看出,化合價這一概念的含義不斷在發生變化,而并不是我們現在教材中給出的化合價的含義,所以這就導致了學生學習了化合價概念之后,按照所學的化合價知識去判斷其他物質中元素的化合價時,常常會遇到解釋不通的時候,比如說四氧化三鐵中鐵的化合價、過氧化氫中氧的化合價.這樣就導致學生難以理解化合價這個概念.
初三學生在學習化合價之前頭腦中沒有與“化合價”相連接的先行組織者,化合價知識很難與學生的已有知識經驗相連接,學生只能靠死記硬背老師教給的口訣,這樣學到的知識在練習應用中又頻頻出錯,這對學生來說更是雪上加霜,化合價的學習更加困難.
其次,化合價如此復雜的發展史,對于很多的初中教師也是陌生的,教師在理解化合價時都不能給出其確切的含義,如果要傳授給學生,講到什么程度、怎樣講合適,這對教師來說本身就是一個挑戰,所以很多教師則干脆不講,直接告訴學生一個“化合價記憶口訣”,學生們只會記住這些口訣,而對于化合價什么含義、怎么用,則是一塌糊涂.
三、解決化合價學習困難的教學建議
以上從化合價發展史的角度分析了初中化合價難學的主要原因,在教學中為幫助學生理解化合價的概念,教師要注意以下兩個方面:
關鍵詞 初中化學 情感 態度 價值觀 教學
隨著新課程的改革,教學目標由掌握雙基(基礎知識與基本技能)改變為三維目標。義務教育化學新課程提出了以提高學生科學素養為宗旨,并從知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個維度構建教學目標,對學生進行科學素養的培養。其中,情感態度與價值觀目標被放到前所未有的重要位置,引起了人們的重視。這就要求我們教師在課堂教學中除了對學科基礎知識、基本技能的教學外,更要注重對學生進行情感態度與價值觀的培養。那么初中化學中如何培養學生的情感態度與價值觀呢?
一、培養學生熱愛化學學習的情感
愛因斯坦曾說,“興趣是最好的老師”。 初中化學是學生學習化學的啟蒙階段,教師如果從化學課的起始階段就注意激發和培養學生對化學學習的興趣,并因勢利導,使學生把興趣轉化成樂趣,進而轉化成志趣,那么,就能保持學生對化學有經久不衰的求知欲。化學是一門以實驗為基礎的科學,空洞的說教,學生難免覺得枯燥無味、身心疲憊。在教學中,不管是教師演示實驗,還是學生動手實驗,都能使學生由感性知識上升到理論知識,多角度刺激學生的感官,印象也較深刻,更能激發學生學化學的興趣。
二、培養學生的愛國情感
在學習純堿的性質和用途后,可提問:“純堿在化工生產中具有重要的用途,那我國是不是最早制造純堿的國家呢” 。引導學生閱讀課后資料“我國制堿工業的先驅――侯德榜” 。講侯德榜的愛國故事,最后總結:侯德榜先生憑著自己對科學的一片赤誠,懷著一顆愛國的心,為我國的制堿工業做出了巨大貢獻,發展了我國的民族工業。希望大家也能利用自己的所學為祖國、為社會做點事情。
在學習元素周期表時,介紹張青蓮的故事,他是無機化學家、教育家,長期從事無機化學的教學和科研工作,他是中國穩定同位素學科的奠基人和開拓者。他對中國重水和鋰同位素的開發和生產起了重要作用。氫彈爆炸試驗的成功也有張青蓮不朽的功勛,同學們也應該學習張青蓮為科學事業奮斗一生的精神,這樣在祖國人民需要的時候才能發揮重要的作用。
講這些為我國的振興做出貢獻的化學家的故事,能激起同學們的愛國情懷,樹立“為中華之崛起而讀書”的志向。
三、培養實事求是、尊重科學、尊重事物發展規律的科學態度
初中化學安排了許多探究活動,讓學生加深對化學是一門以實驗為基礎的學科認識。化學知識是建立在科學探究基礎上的,不是憑空臆想、臆造出來的。如學生學習了質量守恒定律之后,就知道“點石成金”、“水變成油”完全是無稽之談。學習了自燃現象后就可以解釋黑夜荒郊野外墓地上的“鬼火”。教育學生發現了生活中一些有疑問的問題或表面現象,不要妄下結論,一定要深入探究才能得到真實的答案。
四、培養學生合作的態度
化學教學中,我經常把任務分小組去完成,有時每小組每個人都有具體的任務,只有每個人都完成任務才能成功。演示實驗時我也經常適時的讓學生幫忙,讓他們和老師合作。學習上也把學生分成幾個小組,小組整體進步了才會得到老師的獎勵。這些,培養了學生合作的精神。
五、培養學生創新的態度
注重觀察能力的培養,打開創新之門,觀察是創新的入門階段。要創新就是要有新發現,觀察是發現問題的一條重要途徑。注重實驗能力的培養是創新之本。化學家的發明成果大多都出自實驗室,實驗是驗證、探索、發現新東西最重要最可靠的手段。做探索性實驗的關鍵問題是實驗設計。在教學中要加強實驗設計能力的培養,要放開手腳,讓學生獨立設計實驗。對于難度大、探索性較強的實驗,教師可進行必要的指導或與學生共同設計。對于學生設計的實驗方案,如果有新思想、新方法、新舉措,應認真審查,只要沒有意外情況(不安全因素等)都可以讓學生進行試驗,鼓勵學生樹立自信心,勇于探索,勇于實踐。注重生產生活實際,開發創新之源。
六、培養學生的資源觀
學習第三單元水時,讓學生知道地球上總水量很豐富,但淡水資源匱乏,樹立節約水資源的觀念。學習煤和石油、天然氣時,課本表7-3我國2004年化石能源探明儲量及年產量,根據表中數據讓學生估算出我國煤、石油、天然氣分別在年116年、14年、55年后被耗盡。讓學生有節約化石能源的思想和行動。學習金屬資源時,告訴學生每年有接近十分之一的鋼鐵因銹蝕二損失,要求同學們要保護金屬資源。
七、培養學生的環境觀
教學中,我們可以開設“化學知識講座”,講講“空氣與水污染的危害、原因及防護”、“溫室效應的原因”、“酸雨的形成”、“臭氧層空洞”、“白色污染”、“廢電池造成的污染”、“如何低碳生活”、“什么是綠色化學”等等。讓學生明白破壞環境對人類造成的危害,樹立保護人類生存的環境人人有責的觀念。
八、培養健康意識觀
初中化學第十二單元化學與生活的教學,讓學生了解了人類重要的營養物質,化學元素與人體健康的知識。人體缺少必須的微量元素會得病,但有一個合理攝入的問題,因為攝入不足或過量均不利于人體健康。教會學生科學的生活,不偏食,不暴飲暴食,防止有害元素對人體的侵害。
九、培養可持續發展觀
可持續發展是指經濟發展與人口增長、自然資源相互協調,做到現時的發展不損害后代人的發展,而且為后代的發展奠定基礎。因為研究化學,可以使我們合理、有效利用自然資源。化學家還在不斷開發新能源、新材料,以滿足人們的需要和科技的發展。
綜上所述,情感態度價值觀目標很難靠教師單純的講授灌輸而落實,必須由學生在教師創設的具體教學活動過程中通過不斷地體驗、內化而形成,這類目標的實現是一個“潤物細無聲”、“潛移默化”的過程,并非一朝一夕就能達到的。但我堅信,只要我們堅持不懈的努力,一定能在化學教學中,把培養學生的情感態度與價值觀的目標實現。化學教師們,加油吧!
參考文獻:
[1]任志鴻叢書主編.《初中新課標優秀教案九年級化學》南方出版社,2006