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浅谈科学探究与中学化学教学. 南师大化学与环境科学学院 周志华. 相关内容. 1. 科学的本质. 2. 认识科学问题研究的复杂性 —— 一个多变量的复杂体系. 3. 为什么要加强科学探究 4. 我国的高考与素质教育 5. 深化基础教育化学课程改革的一些建议. 一、科学的本质.
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浅谈科学探究与中学化学教学 南师大化学与环境科学学院 周志华
相关内容 1.科学的本质 2.认识科学问题研究的复杂性 ——一个多变量的复杂体系 3.为什么要加强科学探究4.我国的高考与素质教育 5.深化基础教育化学课程改革的一些建议
一、科学的本质 科学本质的阐述一般为：科学知识是可信的，同时又是试探性的；科学知识非常（不是完全）依赖于观察、实验证据、理性的辩论和质疑；不存在一种做科学的唯一方法；科学试图解释自然现象；定律和理论在科学中具有不同的角色；所有文化背景的人都对科学有贡献；应清楚地、开放地报告新知识；科学家需要精确的记录保存、同事评议，科学结果有可重复性；观察建立在理论的基础上；科学家是创造性的人；科学的历史既是进化的，又具有革命性；科学是社会和文化传统的一部分；科学和技术相互作用；科学观点受社会和历史背景的影响。
1.科学反映自然界事物的内在联系，具有解释和预见的功能，有相对的稳定性1.科学反映自然界事物的内在联系，具有解释和预见的功能，有相对的稳定性 科学的研究对象——自然界是客观的，科学家依照一定的科学方法提出科学的假说，然后运用事实证据进行验证，并运用已有的理论加以解释，建立一定的理论。这些被人们公认的科学理论总结和描述了客观事物的内在联系，能够解释客观规律并预见其未来的发展。随着新的实验事实的不断发现，一些模型和理论也在变化发展着。
2.科学理论必须接受实践的检验。 科学不相信权威，没有一个科学家有权利判决谁的理论更正确或更接近真理，无论他多么著名或多么受人尊敬。任何科学成果都应当是可以重复的，并最终能接受实践的检验。检验的证据来自于在自然或者实验室环境中对现象的观察和测量。由于观察和实验不可能绝对客观，因此要努力分析偏见的可能来源，并尽量避免和减少偏见的存在及其影响。
20世纪物理学得到了长足的发展，这个过程被李政道称之为”简化归纳”，或称之为”还原论”。认为：物质是由原子组成，原子是由电子与原子核组成，原子核是由中子、质子组成，中子、质子是由基本粒子组成。于是关注于基本粒子的类型、行为与性质。就是这样由大到小的探索。因为人们相信，只有了解了基本粒子，才有可能进一步了解丰富多彩的宇宙万物。
现在我们知道一切物质都是由12种基本粒子组成。它们分成夸克和轻子两类。夸克有6种，它们组成了质子(uud)和中子(udd)。 轻子也分6种。 夸克包括下、上、奇异、粲、底、顶６种 轻子则包括电子、电子中微子、μ子（缪子）、μ子中微子、τ子（陶子）和τ子中微子 物质间的相互作用有三种，即强相互作用、电的弱相互作用和引力相互作用. 于是复杂的宇宙万物由12种基本粒子通过三大相互作用构成。这是20世纪的“简单归纳”或“还原论”取得的成就。
人类真的了解世界了吗？ 暗能量 2003/12/23的Science，将暗能量的发现评为该年度最重大的科学突破。 通过观测发现，宇宙正在膨胀，而且正在加速膨胀。宇宙大爆炸引起宇宙膨胀是可以理解的，但由于万有引力，宇宙的膨胀速度应愈来愈小，可是事实正好相反。于是，得出了宇宙中还有一种不为人知的能量存在，被称为暗能量。
暗能量是促使宇宙加速膨胀的动力。暗能量是1998年提出的，并被一系列的观测结果所证实，特别是近年来绕地球运行的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)及斯隆数字天文台的观测结果。这些结果不仅证实了加速膨胀的结论。而且还解决了关于宇宙年龄、膨胀速度、宇宙组成等的长期争论。天文学家现在相信宇宙年龄是137亿年。暗能量是促使宇宙加速膨胀的动力。暗能量是1998年提出的，并被一系列的观测结果所证实，特别是近年来绕地球运行的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)及斯隆数字天文台的观测结果。这些结果不仅证实了加速膨胀的结论。而且还解决了关于宇宙年龄、膨胀速度、宇宙组成等的长期争论。天文学家现在相信宇宙年龄是137亿年。
暗物质 根据天文观察结果，并通过万有引力可以估计星系质量，实际上所有星系都表现出具有更大的质量。于是就提出了暗物质的假设。星系的直径通常是几千到几万光年。星系之外，很少有物质，偶尔有星或气云。这些星或气云被星系的万有引力所吸引，都围绕星系旋转。旋转产生的离心力与星系与该星的万有引力相等，故有v2=GM/r，这就是说，星距离星系愈远，其转速愈小。
而对NGC3192星系及其他45个星系的测量结果表明，远离星系的星，其转速不是减小，且无一例外的增加，包恬我们的银河系。这些观测结果证明暗物质的存在。并且可以推算暗物质的质量。我们可以通过辐射和引力感知物质的存在，但我们只能通过引力感知暗物质的存在。而对NGC3192星系及其他45个星系的测量结果表明，远离星系的星，其转速不是减小，且无一例外的增加，包恬我们的银河系。这些观测结果证明暗物质的存在。并且可以推算暗物质的质量。我们可以通过辐射和引力感知物质的存在，但我们只能通过引力感知暗物质的存在。
这可以作为21世纪面临的科技挑战之一 • 迄今人类只认识宇宙的5%，占宇宙30%的暗物质、占65%的暗能量最近被发现，但对其一无所知，这对人类当代科学提出了严重挑战。
根据当前人们的估计，30%的宇宙是暗物质，65%的宇宙是暗能量。通过望远镜观察到的近2000亿个星系，每个星系中又有2000亿个星球，再加上弥漫太空中的氢、氦、中微子等，而这些总加起来，仅占宇宙的5%。我们原来认识的由电子、质子、中子构成的物质世界，仅占宇宙的5%，还有95%的宇宙是未知的，这对人类而言，是多么大的挑战！根据当前人们的估计，30%的宇宙是暗物质，65%的宇宙是暗能量。通过望远镜观察到的近2000亿个星系，每个星系中又有2000亿个星球，再加上弥漫太空中的氢、氦、中微子等，而这些总加起来，仅占宇宙的5%。我们原来认识的由电子、质子、中子构成的物质世界，仅占宇宙的5%，还有95%的宇宙是未知的，这对人类而言，是多么大的挑战！
挑战之二： 人类基因组计划的完成，标志着进入揭示生命奥秘的新起点——从定量化和“整体统一”的角度去研究生命现象。(分子—细胞—组织—器官—生物体） 挑战之三： 信息量的爆炸性增长，微电子技术的发展逼近极限。最近英特公司宣告，2019年后，线度将达16纳米，由于量子效应和热耗散，无法用传统方式调控电子，将表明莫尔时代的终结。
1964年Intel公司的莫尔(G E Moore)提出，芯片的集成度(芯片上的元件数)每18个月翻一翻，相应的线宽每18个月缩小1.41倍，这在后来被称为莫尔定律.
最近英特公司宣告，2019年后，线度达16纳米，由于量子效应和热耗散，微电子技术逼近极限，这表明莫尔时代的终结。最近英特公司宣告，2019年后，线度达16纳米，由于量子效应和热耗散，微电子技术逼近极限，这表明莫尔时代的终结。 下一代技术是什么？分子电子学!
挑战之四： 纳米(Nano), 生物(Bio), 信息(Info), 认知(Cogni) (NBIC)四大领域汇聚，将引发人类整体能力的飞跃。 Converging Technologies for Improving Human Performance Nanotechnology, Biotechnology, Information Technology and Cognitive Science
2 ，随着新的实验事实的不断发现，一些概念也在变化发展着，例如氢键概念的不断拓展： 氢的新键型 共价键、离子键、金属键、氢键、氢分子配键、缺电子多中心桥键、H-配键、C-H-M桥键
氢键： X-H…Y 质子给体 O-H，N-H 质子受体（带有孤对电子的O、N等） X、Y可以是F、O、N、Cl 或C等电负性高的原子 ★ X-H…∏氢键芳香氢键 多肽结构 生物体内部 ★ X-H…M氢键 ★ X-H…H-Y二氢键
X-H…∏氢键 芳香氢键 多肽结构 生物体内部
DNA结构 蛋白质的螺旋状结构
氢键对化合物性质的影响 （1）对沸点和熔点的影响 分子间氢键使物质的熔点和沸点升高；分子内氢键一般使化合物的熔点和沸点降低。
例如：硝基苯酚的三个异构体，其中邻硝基苯酚生成分子内氢键，不能再与其它邻硝基苯酚分子和水分子生成分子间氢键，因此邻硝基苯酚容易挥发且不溶于水，间和对硝基苯酚不仅分子之间能生成氢键，且与水分子之间也能生成氢键。由于分子间氢键能够降低物质的蒸气压，利用它们的这种差别，可用水蒸汽蒸馏方法将邻位异构体与间、对位异构体分开。例如：硝基苯酚的三个异构体，其中邻硝基苯酚生成分子内氢键，不能再与其它邻硝基苯酚分子和水分子生成分子间氢键，因此邻硝基苯酚容易挥发且不溶于水，间和对硝基苯酚不仅分子之间能生成氢键，且与水分子之间也能生成氢键。由于分子间氢键能够降低物质的蒸气压，利用它们的这种差别，可用水蒸汽蒸馏方法将邻位异构体与间、对位异构体分开。
（2）对溶解度的影响 在极性溶剂中，若溶质分子与溶剂分子形成氢键，则使溶质的溶解度增大；若溶质分子内有氢键存在，则在极性溶剂中溶解度减小，而在非极性溶剂中溶解度增加。
例题1 氯仿在苯中的溶解度明显比1，1，1－三氯乙烷的大，请给出一种可能的原因（含图示）。
解答： CHCl3的氢原子与苯环的共軛电子形成氢键。 氢键的拓展： X-H···Π
例题2 咖啡因对中枢神经有兴奋作用，其结构式如下。常温下，咖啡因在水中的溶解度为2g/100g H2O，加适量水杨酸钠[C6H4(OH)(COONa)]，由于形成氢键而增大咖啡因的溶解度。请在附图上添加水杨酸钠与咖啡因形成的氢键。
例题3 丙酮在己烷和三氟甲烷中均易溶解，其中中溶解的热效应较大，因为 。 三氟甲烷分子结构中－CF3是一个强吸电子基团，故C原子上的H也几乎成了裸露的质子，这样，三氟甲烷与丙酮形成了氢键，从而导致丙酮在三氟甲烷中溶解时，产生的热效应较大。
3.材料合成方法的不断发展----金刚石合成的进展3.材料合成方法的不断发展----金刚石合成的进展 金刚石的特性和应用 1、金刚石具有极其优异的力学性能，它是目前已知材料中硬度最高的材料 2、金刚石薄膜是优异的宽带隙半导体电子材料。 3 、金刚石是世界上所有物质中导热率最高的物质。用它作为传热，散热材料具有最好的性能 4、金刚石具有好的化学稳定性，能耐各种温度下的非氧化性酸。金刚石的成分是碳，无毒，对含有大量碳的人体不起排异反应，加上它的惰性，又与血液和其他流体不起反应
人工合成金刚石的方法---如何使 原来物质中的化学键断裂生成金刚石中的碳碳键 1、高温高压法（HTHP法） 2、化学气相沉积法（CVD法） 3、炸药爆炸合成金刚石纳米粉 4、金属溶剂热解还原催化合成金刚石
(一)HPHT法(由碳元素的单质石墨制成金刚石） 模拟自然过程，让石墨在高温高压的环境下转变成金刚石。 从热力学角度看,在室温常压下,石墨是碳的稳定相,金刚石是碳的不稳定相;而且金刚石与石墨之间存在着巨大的能量势垒(见图1),要将石墨转化为金刚石,必须克服这个能量势垒 。
从动力学分析石墨转化为金刚石的速度 ΔV*P Log速度 = 常数 –– RT H.Eyring等根据绝对反应速度理论推导出金刚石石墨过程中，T,P对 转化速度的关系（也适合石墨金刚石） C金刚石 C*活化络合物 C石墨 式中V* = V*活化络合物 V金刚石 从式中分析：压力P的增加，不利于反应速度 温度T的增加，有利于反应速度 动力学要求：T 有利于石墨转变为金刚石的速度 热力学要求：T 不利于金刚石的热力学稳定性，此时必须 要增加压力增高压力又不利于“转变”的反应速度。
解决途径：在金刚石的热力学稳定区寻找合适条件，使反应在 短时间内完成，使用合适的溶剂如FeS、Fe或Ni等。 装置：该设备可达 100,000大气压，2500°C（估计可达7000K） 选择温度 1650 °C、95000大气压。 反应样品：石墨与金属板或石墨与Ni粉或石墨与Ⅷ族金属组成， 通 过电阻加热直径为40 mm的反应室圆筒，该设备寿命约 为100~1000次循环使用，冷却后，金刚石与金属可用酸 溶解金属分开，合成金刚石平均大小为0.05~0.5mm。目 前每年合成金刚石100吨作工业应用。
从图中我们可以看到在常温298K时，石墨转化成金刚石所需压力为13000大气压以上；在1200K时，石墨转化成金刚石所需压力为40,000大气压。通过添加金属催化剂如Fe、Co、Ni、Mn、 Cr等可以使转化温度和压力从3,000K，150，000atm下降到1,600K，60,000atm。
2.化学气相沉积（CVD法）---在低压下使气态含碳化合物中的化学键断裂，含碳基团沉积生成金刚石。2.化学气相沉积（CVD法）---在低压下使气态含碳化合物中的化学键断裂，含碳基团沉积生成金刚石。 化学气相沉积,是通过含有被生成薄膜所含元素的挥发性化合物与其它气相物质的化学反应产生非挥发性的固相物质并使之以原子态沉积在置于适当位置的衬底上,从而形成所要求的材料。化学气相沉积过程包括反应气体的激发和活性物质的沉积两个步骤。
