吳俊明
摘要:?化學(xué)的物質(zhì)性質(zhì)思維的教學(xué)意義。性質(zhì)與物質(zhì)性質(zhì)思維的界定。物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)知思維;物質(zhì)性質(zhì)的歸類思維;物質(zhì)性質(zhì)的探因溯源思維;物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用思維。物質(zhì)性質(zhì)思維的主要問題與內(nèi)容結(jié)構(gòu)。物質(zhì)性質(zhì)思維的深化發(fā)展。物質(zhì)性質(zhì)認(rèn)知思維的教學(xué);物質(zhì)性質(zhì)探因溯源思維的教學(xué);物質(zhì)性質(zhì)優(yōu)化思維的初步介紹。
關(guān)鍵詞:?化學(xué)思維;?物質(zhì)性質(zhì);?物質(zhì)性質(zhì)思維;?化學(xué)教學(xué);?現(xiàn)代化學(xué)
文章編號(hào):?1005-6629(2020)07-0003-08
中圖分類號(hào):?G633.8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:?B
人類對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)歷經(jīng)了由淺表直接觀察到多維全面觀察,由被動(dòng)觀察、應(yīng)用到主動(dòng)探因溯源、調(diào)變改性的發(fā)展過程?;瘜W(xué)中關(guān)于物質(zhì)性質(zhì)的思維是貫穿這個(gè)歷史過程的一條主線,推動(dòng)了人類對(duì)物質(zhì)性質(zhì)認(rèn)識(shí)的發(fā)展和深入。研究、了解化學(xué)的物質(zhì)性質(zhì)思維不但有利于深入認(rèn)識(shí)和把握物質(zhì)的性質(zhì),也有利于豐富學(xué)生對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí),有利于他們唯物主義世界觀的養(yǎng)成,有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究、以人為本和服務(wù)社會(huì)的精神,進(jìn)一步搞好化學(xué)課程改革和實(shí)施。
1??物質(zhì)化學(xué)中的“物質(zhì)”跟哲學(xué)中的“物質(zhì)”以及物理學(xué)中的“物質(zhì)”涵義都不同。哲學(xué)中的“物質(zhì)”是指能被人的意識(shí)所反映而又不依賴于人的意識(shí)的客觀實(shí)在,其性質(zhì)分為三類:?第一類性質(zhì)是物質(zhì)客觀實(shí)在性,是物質(zhì)不依賴于其他任何物質(zhì)而具有的屬性,例如物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)性、物質(zhì)的多少(質(zhì)量)等,它們是物質(zhì)的固有性質(zhì);第二類性質(zhì)是物質(zhì)在與其他物質(zhì)發(fā)生各種作用時(shí)表現(xiàn)出來的性質(zhì),依賴于其他物質(zhì)才能表現(xiàn)出來和存在下去,例如物質(zhì)的顏色、硬度、氣味等等;第三類性質(zhì)主要是由人的大腦對(duì)物質(zhì)的反映而產(chǎn)生的物質(zhì)的性質(zhì),例如物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性、使用性等。物理學(xué)中的“物質(zhì)”不僅包括實(shí)物及其構(gòu)成材料,還包括場(chǎng)、反物質(zhì)和暗物質(zhì)?;瘜W(xué)中的“物質(zhì)”只是指構(gòu)成實(shí)物的材料。實(shí)物是靜止質(zhì)量不等于零、以間斷形式存在的物質(zhì)形態(tài),包括一切微觀粒子、原子、分子、宏觀物體、宇觀天體和生命物質(zhì)形態(tài)等。實(shí)物粒子具有廣延性、不可入性和不變質(zhì)量。本文中的物質(zhì)一般均指化學(xué)意義的“物質(zhì)”。性質(zhì)與物質(zhì)性質(zhì)思維的意義
人類對(duì)物質(zhì)的化學(xué)認(rèn)識(shí)是怎樣形成的?最初,人類是在生活實(shí)踐和生產(chǎn)實(shí)踐中通過所接觸物質(zhì)的性質(zhì)及其變化逐漸發(fā)現(xiàn)各種物質(zhì)的化學(xué)變化;隨后,物質(zhì)的性質(zhì)及其變化引導(dǎo)人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)以及物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)……??梢姡镔|(zhì)性質(zhì)是人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的起點(diǎn)與中介;人類對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí),是從化學(xué)角度進(jìn)行物質(zhì)性質(zhì)思維的結(jié)果。
什么是性質(zhì)?把它界定為某種“特性”,就犯了循環(huán)定義錯(cuò)誤,因?yàn)樘匦匀詫儆谛再|(zhì)范疇;把它界定為某種“本質(zhì)”也是不合適的,因?yàn)槭挛锍3S性S多各不相同的性質(zhì)但不會(huì)有許多本質(zhì);把性質(zhì)界定為“與其他事物的聯(lián)系”則欠佳,因?yàn)椤奥?lián)系”包容太廣、過于含糊……界定概念最便利、最常用的方法是“屬概念+種差”(如果無法使用這個(gè)方法,可以采用發(fā)生定義法,說明該事物是怎樣產(chǎn)生的,或者采用列舉特點(diǎn)法等等)。由于物質(zhì)的性質(zhì)總歸可以外在地表現(xiàn)出來,由此可以把“表現(xiàn)”作為它的屬概念,采用“屬概念+種差”方法界定性質(zhì)是指事物本身具有的、在跟其他事物作用時(shí)總會(huì)呈現(xiàn)的(相對(duì)穩(wěn)定的)各種表現(xiàn)。物質(zhì)的性質(zhì)具有多樣性和穩(wěn)定性等特點(diǎn),一般要在特定情況下跟其他事物相互作用時(shí)才能表現(xiàn)出來。例如,物質(zhì)的一些性質(zhì)在跟人的感官作用時(shí)表現(xiàn)出來;有些性質(zhì)還需要在跟其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)才能表現(xiàn)出來,有些性質(zhì)不需要跟其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就能表現(xiàn)出來,有些性質(zhì)需要在磁場(chǎng)中才能表現(xiàn)出來,也有不少性質(zhì)不需要在磁場(chǎng)中就能表現(xiàn)出來……
從化學(xué)的角度看,由物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)可以明確它能夠發(fā)生哪些化學(xué)反應(yīng);推測(cè)它的用途、確定它的價(jià)值;逆向推測(cè)它的組成和結(jié)構(gòu)……所以,化學(xué)科學(xué)十分重視對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的觀察和研究,觀測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)是對(duì)物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)研究的一項(xiàng)必備的基本功。就化學(xué)教學(xué)來說,學(xué)習(xí)物質(zhì)的性質(zhì)能為學(xué)生形成化學(xué)的基本觀念提供感性材料,為學(xué)生進(jìn)行探究提供實(shí)驗(yàn)素材,還能為學(xué)生了解化學(xué)與生活、化學(xué)與社會(huì)發(fā)展、化學(xué)與技術(shù)進(jìn)步之間的密切關(guān)系提供豐富的資料。學(xué)習(xí)物質(zhì)性質(zhì)的研究方法、掌握重要物質(zhì)的性質(zhì)歷來是化學(xué)教學(xué)一項(xiàng)重要的基本內(nèi)容。
跟其他化學(xué)活動(dòng)一樣,在對(duì)物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行研究時(shí)離不開化學(xué)思維?;瘜W(xué)對(duì)于物質(zhì)性質(zhì)的思維主要圍繞物質(zhì)具有哪些性質(zhì),這些性質(zhì)的表現(xiàn)、屬類、條件,物質(zhì)為什么會(huì)具有這些性質(zhì)、跟其他物質(zhì)有哪些聯(lián)系,以及如何調(diào)節(jié)、改變物質(zhì)的性質(zhì)以滿足人和社會(huì)的某些需要等等問題進(jìn)行。與此相應(yīng),在確定物質(zhì)的性質(zhì)時(shí)需要進(jìn)行性質(zhì)認(rèn)知思維;在對(duì)物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行分類時(shí)需要進(jìn)行歸類思維;在確定物質(zhì)應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行物質(zhì)應(yīng)用思維,有時(shí)還要進(jìn)行性質(zhì)優(yōu)化思維;在解釋物質(zhì)性質(zhì)時(shí)需要進(jìn)行探因溯源思維……
跟物質(zhì)性質(zhì)認(rèn)知和應(yīng)用有關(guān)的化學(xué)思維活動(dòng)統(tǒng)稱為物質(zhì)性質(zhì)思維。
2??物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)知思維
個(gè)體認(rèn)知物質(zhì)的性質(zhì)主要有兩個(gè)途徑:?第一個(gè)途徑是通過觀察獲得感性材料,隨后進(jìn)一步形成理性認(rèn)識(shí),或者說通過對(duì)物質(zhì)的觀察和研究活動(dòng)形成認(rèn)知;第二個(gè)途徑是通過閱讀、聆聽來直接獲得別人觀察、思考的結(jié)果,再通過理解、同化、轉(zhuǎn)換或者批判形成自己的認(rèn)識(shí),接收活動(dòng)是第二個(gè)途徑的顯著標(biāo)志。個(gè)體在這兩個(gè)途徑中的思維內(nèi)容和過程是不同的。因此,物質(zhì)性質(zhì)認(rèn)知的思維材料及其獲得途徑分為下列兩種類型。
2.1??思維材料來自研究活動(dòng)
觀察和實(shí)驗(yàn)是研究活動(dòng)的主要方式。所謂觀察,包括了“觀”和“察”兩種活動(dòng)成分。“觀”指看、聽等感知行為,是以視覺為主,融其他感覺為一體的綜合感知,而不僅是視覺過程。“察”即分析思考,是積極的思維活動(dòng)。由此,觀察被稱為思維的知覺。高水平的觀察一定是有目的、有計(jì)劃的。目的不明、過程無序以及膚淺、遲鈍不但會(huì)影響觀察結(jié)果的質(zhì)量,還會(huì)影響思維素材的進(jìn)一步加工,影響知識(shí)的獲得。
除了觀察之外,在化學(xué)的研究活動(dòng)中更重要的是實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)任務(wù)(課題)的選擇與確定、實(shí)驗(yàn)方案的制訂、實(shí)驗(yàn)操作的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案執(zhí)行與實(shí)施中的調(diào)整、變通、替代和意外處理等等都是思維的對(duì)象,都離不開思維,觀察和實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果的處理,也離不開思維。思維活動(dòng)始終貫穿于研究活動(dòng)過程的始終。
觀察思維和實(shí)驗(yàn)思維是化學(xué)通過研究活動(dòng)認(rèn)知物質(zhì)性質(zhì)時(shí)主要的思維形式和內(nèi)容。
2.2??思維材料來自接受學(xué)習(xí)活動(dòng)
知識(shí)是客觀事物的特征與聯(lián)系在人腦中的主觀表征,是經(jīng)驗(yàn)的概括、思維的結(jié)晶。雖然接受學(xué)習(xí)活動(dòng)是學(xué)生獲得知識(shí)的主要方式,知識(shí)并不能簡(jiǎn)單地傳遞到學(xué)生的頭腦中,只有經(jīng)過轉(zhuǎn)換、理解、同化或者質(zhì)疑、批判以及聯(lián)結(jié)、整合、記憶、應(yīng)用等思維活動(dòng),才能真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的接受。理解、同化、批判、問題解決以及聯(lián)結(jié)、整合、記憶、應(yīng)用等思維活動(dòng)構(gòu)成了接受學(xué)習(xí)的基本過程,是接受學(xué)習(xí)活動(dòng)中基本的思維活動(dòng)方式,形成了接受學(xué)習(xí)活動(dòng)中學(xué)生認(rèn)知思維的主要特點(diǎn)。
上述兩種思維的思維材料來源不同,思維的內(nèi)容和過程也相應(yīng)地不同。它們的目的性、有序性、周密性以及創(chuàng)造性等都決定著物質(zhì)性質(zhì)認(rèn)知思維的品質(zhì)。
3??物質(zhì)性質(zhì)物理學(xué)意義的物質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、費(fèi)米子凝聚態(tài)六種存在形態(tài)。等離子態(tài)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、費(fèi)米子凝聚態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)跟常見的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)有所不同。這里的物質(zhì)性質(zhì)僅指構(gòu)成常見固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)實(shí)物的材料,即化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)。的歸類思維
物質(zhì)的性質(zhì)紛繁復(fù)雜,為了更好地把握它、深化對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)知,需要對(duì)它們進(jìn)行分類,揭示它們的本質(zhì)。在化學(xué)中,通常把物質(zhì)性質(zhì)分為物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)兩類。但是,現(xiàn)在人們?cè)絹碓蕉嗟匕l(fā)現(xiàn),許多物質(zhì)對(duì)生命現(xiàn)象以及環(huán)境有不可忽略的影響,致使對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)注擴(kuò)展到生理生化特性和環(huán)境影響,趨向于形成物質(zhì)性質(zhì)的“物、化、生、環(huán)4類型”分類體系。
(1)?物理性質(zhì),是指物質(zhì)不需要發(fā)生化學(xué)變化和生物化學(xué)過程就能表現(xiàn)出來的性質(zhì)。例如顏色、光澤、狀態(tài)、(固態(tài))硬度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、氣味、味道、溶解性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、透光性等。升華、揮發(fā)性實(shí)際上跟物質(zhì)的蒸汽壓有關(guān),但通常把它們作為獨(dú)立的物理性質(zhì)。能夠量化的物理性質(zhì)可以利用專門儀器測(cè)量,或者由實(shí)驗(yàn)測(cè)得某些數(shù)據(jù)后換算成量化指標(biāo)來確定(如溶解性等)。
(2)?化學(xué)性質(zhì),是指物質(zhì)需要發(fā)生化學(xué)變化才能表現(xiàn)出來的性質(zhì)。例如酸性或堿性、氧化性或還原性、活潑性或穩(wěn)定性(化學(xué)惰性)、可燃性、助燃性以及跟特定物質(zhì)的反應(yīng)性(包括能否反應(yīng)和劇烈程度)等。金屬性、非金屬性屬于化學(xué)性質(zhì),但是一般不是由單個(gè)事實(shí)來判斷,而要在綜合多方面事實(shí)的基礎(chǔ)上做出判斷。
(3)?生理生化特性,包括對(duì)生物發(fā)生作用或產(chǎn)生影響的物理特性和化學(xué)特性,前者如生物發(fā)光性、生物電現(xiàn)象等,后者如生物毒性、致突變性、蛋白質(zhì)變性等。過去,這類性質(zhì)不受重視,在化學(xué)中一般都被忽略,或者歸入物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)之中。物質(zhì)的生理生化特性能在生命過程中起著重要的作用,越來越受到人們關(guān)注。在化學(xué)中,生化特性比生理特性更被注意。
(4)?對(duì)環(huán)境的影響,主要涉及碳氧化合物、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、硫氧化合物、含鹵化合物、毒害元素化合物等影響環(huán)境的某些性質(zhì)以及轉(zhuǎn)化等。
物質(zhì)的物理性質(zhì)通常用觀察或測(cè)量某些物理量的方法來確定。物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)通常通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法來確定。物質(zhì)生理生化特性通常通過觀察、生理生化實(shí)(檢)驗(yàn)和案例研究等方法來確定。物質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響通常通過觀察、測(cè)量以及環(huán)境實(shí)驗(yàn)的方法來確定。
在性質(zhì)歸類的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步進(jìn)行物質(zhì)歸類。
歸類跟分類常常被混為一談。實(shí)際上,歸類是按照性質(zhì)確定對(duì)象種屬的過程,跟分類不同。分類是對(duì)許多對(duì)象施加的操作,歸類是對(duì)單個(gè)對(duì)象施加的操作。分類與歸類不是同時(shí)的,分類在前,歸類在后。物質(zhì)性質(zhì)的歸類思維是對(duì)物質(zhì)單個(gè)性質(zhì)進(jìn)行的操作,具體物質(zhì)的歸類要根據(jù)它的多種性質(zhì)來進(jìn)行。
4??物質(zhì)性質(zhì)探因溯源思維
著名的前蘇聯(lián)學(xué)者Б.M.凱德洛夫曾經(jīng)提出,一切物質(zhì)都有性質(zhì)(свойство,?property)、組成和結(jié)構(gòu)這三個(gè)既相互區(qū)別又相互聯(lián)系的方面。性質(zhì)是物質(zhì)的外部表現(xiàn),是最先被認(rèn)識(shí)的。對(duì)每一種物質(zhì)類型的認(rèn)識(shí)都是從確定它們的性質(zhì)開始的?!靶再|(zhì)-組成”(問題1)、“組成-結(jié)構(gòu)”(問題2)、“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)”(問題3)這三個(gè)研究范疇是對(duì)物質(zhì)進(jìn)行研究的三個(gè)基本關(guān)系。根據(jù)逐漸積累起來的關(guān)于所研究物質(zhì)類型的性質(zhì)資料,就有可能進(jìn)入物質(zhì)認(rèn)知的更高階段[1]。
在了解物質(zhì)的性質(zhì)之后,進(jìn)一步弄清它為什么會(huì)具有這些性質(zhì),探因溯源,揭示其組成(物質(zhì)基礎(chǔ))和結(jié)構(gòu),是物質(zhì)研究的深入階段。為此,常常需要根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)的資料,先對(duì)物質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)分類;然后通過比較發(fā)現(xiàn)組成跟性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系、結(jié)構(gòu)跟性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系,以及其他因素跟性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系。此時(shí),常??梢赃\(yùn)用“穆勒五法”(求同法、求異法、求同求異并用法、剩余法、共變法)來探求因果關(guān)系。
不同元素原子的差別是由它們的結(jié)構(gòu)不同引起的,元素的性質(zhì)差別決定于其結(jié)構(gòu)差別,在復(fù)雜的物質(zhì)層次中也是如此。因此,探因溯源的焦點(diǎn)應(yīng)該在于弄清物質(zhì)性質(zhì)跟其結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。
一般說來,物質(zhì)的物理性質(zhì)是其聚集狀態(tài)表現(xiàn)出來的,因而跟它們固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的結(jié)構(gòu)情況(即聚集狀態(tài)結(jié)構(gòu))有密切關(guān)系。晶態(tài)固體、非晶態(tài)固體、準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)都有所不同,其中,晶體又有離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體之分。實(shí)際上,固態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)不僅跟這個(gè)層面的結(jié)構(gòu)有關(guān),有時(shí)還跟原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。例如金屬原子的價(jià)電子較少、容易脫離特定原子核的束縛,使金屬晶體形成特殊的“電子氣”結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出金屬光澤、傳熱、導(dǎo)電以及延展性等特性;又如物體的顏色往往跟其組成中電子的能級(jí)分布和躍遷有關(guān)。跟固態(tài)比,液體分子間的距離較大,分子運(yùn)動(dòng)也較劇烈,分子間的吸引力較小,使液體顯示了固體所沒有而又類似并遜于氣體的“易流動(dòng)性”等特點(diǎn)。
構(gòu)成物質(zhì)的原子和化學(xué)鍵及其空間分布是決定物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的主要因素,它們通過體系變化的方向和程度來決定物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。結(jié)構(gòu)微粒(結(jié)構(gòu)單元)的相互作用方式和強(qiáng)度,是對(duì)物質(zhì)性質(zhì)探因溯源思維時(shí)需要關(guān)注的因素。另一方面,物質(zhì)的聚集狀態(tài)(例如晶型、分散度)以及介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)(例如分子極性、介電系數(shù)等)也可能對(duì)化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響,這類因素也應(yīng)適當(dāng)關(guān)注。
5??物質(zhì)性質(zhì)應(yīng)用思維
通常所說“物質(zhì)的應(yīng)用”大多屬于物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用。
一般說來,物質(zhì)的應(yīng)用主要是:?(1)利用物質(zhì)的某些性質(zhì),作為器物結(jié)構(gòu)材料或者用于制得其他材料;(2)直接利用物質(zhì)變化時(shí)伴隨的能量變化;(3)利用物質(zhì)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與形式變換;(4)利用物質(zhì)的生理、生化效應(yīng);(5)利用物質(zhì)的環(huán)境效應(yīng);等等。
有些物質(zhì)具有其他物質(zhì)不具有的特別性質(zhì),能在化學(xué)變化、生命活動(dòng)或者生產(chǎn)、生活中起到難以替代的積極作用,滿足人類的特殊需要,這類性質(zhì)常被稱為功能。
物質(zhì)性質(zhì)的應(yīng)用思維主要圍繞“應(yīng)用什么性質(zhì)”“有哪些(具體)用途”“怎樣應(yīng)用(以什么形式或方式應(yīng)用)”“應(yīng)用時(shí)有哪些特殊條件”等問題進(jìn)行,它們主要屬于技術(shù)思維問題。
物質(zhì)的應(yīng)用跟其性質(zhì)有直接關(guān)系。由于物質(zhì)的性質(zhì)跟其組成和結(jié)構(gòu)有關(guān),物質(zhì)的應(yīng)用跟其組成和結(jié)構(gòu)也有關(guān),它們之間的關(guān)系可以用圖1表示。
6??物質(zhì)性質(zhì)思維的主要問題與內(nèi)容結(jié)構(gòu)
物質(zhì)性質(zhì)思維的核心問題(或基本內(nèi)容)為“性質(zhì)是什么樣的”。在解決這個(gè)問題之前,必須先確定“應(yīng)該知道(關(guān)注)哪些性質(zhì)”,以及“通過什么方法知道這些性質(zhì)”(見圖2)。
在不同情況下,人們關(guān)注的性質(zhì)有所不同,幾種典型情況是:
(1)?物質(zhì)的名稱、歸類以及組成、結(jié)構(gòu)、用途等都不知道,需要“從頭開始”系統(tǒng)地確定它的性質(zhì)。
(2)?已知物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和歸類,檢驗(yàn)物質(zhì)是否具有屬類的通性、性質(zhì)強(qiáng)度和差異性。
(3)?已知物質(zhì)的用途,由用途推測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)并驗(yàn)證、測(cè)量之。
系統(tǒng)地確定物質(zhì)性質(zhì)的一般程序?yàn)椋?/p>
(1)?取得典型的、有代表性的、無關(guān)成分特別是干擾成分少的樣品。
(2)?先在不改變外觀的情況下通過觀察逐一確定物質(zhì)的狀態(tài)、(固態(tài))晶型、(液態(tài))流動(dòng)性、顏色、光澤、氣味等等,然后確定其透光性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、溶解性、揮發(fā)性以及受熱時(shí)有沒有升華現(xiàn)象;測(cè)定物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、蒸汽壓、硬度、溶解度等等。
(3)?通過實(shí)驗(yàn)逐一確定物質(zhì)是否具有酸性或堿性、氧化性或還原性、可燃性或助燃性等常規(guī)化學(xué)性質(zhì)和非常規(guī)化學(xué)性質(zhì),確定物質(zhì)的化學(xué)活潑性或穩(wěn)定性(化學(xué)惰性)。有時(shí)還要確定有關(guān)的量化指標(biāo),以及確定被研究物質(zhì)跟特定的其他物質(zhì)的反應(yīng)情況。
(4)?通過定性分析、定量分析和現(xiàn)代儀器分析等手段確定物質(zhì)的組成和雜質(zhì)成分,乃至于微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)一步弄清已經(jīng)確定的性質(zhì)中哪些性質(zhì)是主要成分的、哪些性質(zhì)是次要成分的、哪些性質(zhì)是雜質(zhì)的,確定組成跟性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。
(5)?根據(jù)物質(zhì)的基本組成和已探明的性質(zhì)將其歸類,檢查和驗(yàn)證物質(zhì)是否具有屬類的通性和差異性,弄清它有哪些跟屬類通性不同的特殊性質(zhì)(個(gè)性),以及產(chǎn)生性質(zhì)變異的原因。
(6)?根據(jù)物質(zhì)已知的用途,推測(cè)它的性質(zhì)并檢查、驗(yàn)證、測(cè)量之。
(7)?通過文獻(xiàn)檢索和其他途徑廣泛地搜集物質(zhì)的生理生化特性、對(duì)環(huán)境的影響以及遺漏的性質(zhì),通過試驗(yàn)檢查和驗(yàn)證,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)、補(bǔ)充新的性質(zhì)。
(8)?系統(tǒng)地總結(jié)、概括物質(zhì)的性質(zhì)。
其他情況下,認(rèn)知物質(zhì)性質(zhì)的程序可在此基礎(chǔ)上作適當(dāng)調(diào)整而成。
7??物質(zhì)性質(zhì)思維的深化發(fā)展
隨著對(duì)宏觀現(xiàn)象與微觀變化關(guān)系規(guī)律的認(rèn)識(shí)越來越豐富、越來越深入,物質(zhì)性質(zhì)逐漸分化為宏觀性質(zhì)和微觀性質(zhì),人們也越來越關(guān)注物質(zhì)的微觀性質(zhì)。現(xiàn)在,先進(jìn)的、智能化的儀器已經(jīng)能夠?qū)O微量的物質(zhì)自動(dòng)進(jìn)行分析、測(cè)試,化學(xué)研究人員多半已經(jīng)不再依靠看、嗅、摸來研究物質(zhì)的性質(zhì),這就為物質(zhì)性質(zhì)的上述分化創(chuàng)造了條件,同時(shí)也促使化學(xué)工作者關(guān)注的中心從試管中物質(zhì)及其變化的描述逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)結(jié)構(gòu)微粒的性質(zhì)參數(shù)及其變化、演變。
7.1??物質(zhì)的微觀性質(zhì)與宏觀性質(zhì)
物質(zhì)是由原子、分子等微粒構(gòu)成的,所謂物質(zhì)的微觀性質(zhì)是指物質(zhì)構(gòu)成微粒的性質(zhì),例如分子的生成熱、電離能、體積等等。物質(zhì)的宏觀性質(zhì)則是指其構(gòu)成微粒集合體的性質(zhì),例如由水分子形成的巨大集合體水蒸氣、液態(tài)水以及冰的密度、黏度、熱導(dǎo)參數(shù)、比熱等等。目前,一些物質(zhì)的微觀性質(zhì)跟其宏觀性質(zhì)的聯(lián)系尚未完全弄清楚,有待于化學(xué)工作者和物理學(xué)工作者繼續(xù)努力探索。
統(tǒng)計(jì)物理學(xué)認(rèn)為,物質(zhì)是由大量粒子組成的,系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)決定于它的微觀組成、結(jié)構(gòu)及微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。微觀粒子的運(yùn)動(dòng)千差萬別,個(gè)別粒子的運(yùn)動(dòng)有其偶然性,但大量粒子表現(xiàn)出來的總體規(guī)律有一定穩(wěn)定性,服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。采用統(tǒng)計(jì)方法來研究物質(zhì)宏觀性質(zhì)跟其結(jié)構(gòu)微粒性質(zhì)的關(guān)系、規(guī)律,就是求大量粒子平均性質(zhì)的方法。把物質(zhì)的微觀性質(zhì)和宏觀性質(zhì)聯(lián)系起來,能深刻、全面地反映物質(zhì)的性質(zhì)。
7.2??分子的加合性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)
在分子所具有的許多性質(zhì)中,有的是組成原子的性質(zhì)的加和、匯合,有的則是由原子與原子按一定方式結(jié)合而產(chǎn)生的、原先原子沒有的新性質(zhì)。前者以分子量為代表,稱為“加合性質(zhì)”;后者稱為“結(jié)構(gòu)性質(zhì)”,例如反應(yīng)性。
加合性質(zhì)僅取決于分子的組成。不同的原子鍵合方式?jīng)Q定分子的不同結(jié)構(gòu),若干個(gè)分子按一定方式排列可以形成晶體的單位晶格……從低層次結(jié)構(gòu)的單個(gè)分子結(jié)構(gòu)逐步探索到高層次結(jié)構(gòu),可以了解實(shí)際晶體的物理性質(zhì),但目前許多宏觀性質(zhì)還不能上溯到分子層次定量地加以說明。
液體和無定形物質(zhì)不存在像晶格那樣明顯的分子集合單位,它們的宏觀性質(zhì)可以用分子間作用力與分子熱運(yùn)動(dòng)的平衡來解釋。
7.3??物質(zhì)性質(zhì)的優(yōu)化
物質(zhì)的性質(zhì)跟其組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如:?戊烷(C5H12)具有類似煤油的氣味;若將其分子中的一個(gè)氫原子換成硫醇基(—SH),就會(huì)形成戊硫醇散發(fā)出類似大蒜的氣味。分子中含有醛基(—CHO)的戊烯醛(C4H7—CHO)具有類似蘋果的芳香;若其分子中碳原子增加到8個(gè),形成的辛烯醛(C7H13—CHO)會(huì)變?yōu)榫哂蓄愃坪颂业膱?jiān)果類芳香;若戊烯醛的官能團(tuán)換為羧基(—COOH),形成的戊烯酸具有類似奶酪的芳香??梢?,通過改變碳原子的數(shù)量或官能團(tuán),可以改變有機(jī)化合物的性質(zhì)。
此外,物質(zhì)的性質(zhì)也有強(qiáng)度性質(zhì)和容量性質(zhì)之分。在此不予以展開。
為了使物質(zhì)的性質(zhì)能盡量滿足人們的要求,可以根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)跟其結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的內(nèi)在規(guī)律,優(yōu)化物質(zhì)的性質(zhì)。為此,可以更換某些組成原子或官能團(tuán),也可以調(diào)整、改變其結(jié)構(gòu),甚至尋找組成與結(jié)構(gòu)都不同的新化合物?,F(xiàn)在,分子活性調(diào)節(jié)已經(jīng)成為分子設(shè)計(jì)與合成的重要方法,是分子生物學(xué)和藥物合成的重要研究課題;聚合物的化學(xué)改性與物理改性則最為常見。
化學(xué)改性是通過化學(xué)反應(yīng)改變聚合物的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的方法,包括嵌段共聚,接枝共聚,交聯(lián)與降解等反應(yīng),或者引入新的官能團(tuán)而形成功能高分子。如聚苯乙烯的硬鏈段剛性太強(qiáng),可引進(jìn)聚乙烯軟鏈段,增加韌性;尼龍、聚酯等聚合物的端基(氨基、羧基、羥基等),可用一元酸(苯甲酸或乙酸酐)、一元醇(環(huán)己醇、丁醇或苯甲醇等)進(jìn)行端基封閉;由多元醇與多元酸縮聚而成的醇酸聚酯耐水性及韌性差,加入脂肪酸進(jìn)行改性后可以顯著提高它的耐濕性和耐水性,彈性也相應(yīng)提高[2]。
在保持材料或制品原性能的前提下,賦予其表面新的性能,如親水性、生物相容性、抗靜電性能、染色性能等,稱為表面化學(xué)改性。隨著改性技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,化學(xué)改性越來越受到人們的重視。
物理改性通常是在基體中加入其他的填料,如有機(jī)材料、無機(jī)材料、橡膠品種、熱塑性彈性體、其他塑料品種,或一些添加助劑,通過混合、混煉的方法而制成滿足特定需要、性能突出的改性材料[3],也可以采用對(duì)物質(zhì)的表面進(jìn)行包裹改性的方法。物理改性原則上不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),主要是物理混合過程(偶而伴有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生)。物理改性可分為填充改性和共混改性,它們?cè)谒芰霞庸ば袠I(yè)中應(yīng)用最多[4]。
在保持材料或制品原性能的前提下,通過化學(xué)熱處理(滲氮、滲碳、滲金屬等);表面涂層(低壓等離子噴涂、低壓電弧噴涂、激光重熔復(fù)合等薄膜鍍層、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、金屬或非金屬涂層等)等工藝技術(shù),賦予其表面新的性能(如親水性、生物相容性、抗靜電性能、染色性能、機(jī)械強(qiáng)度等等)的過程稱為表面改性。表面改性技術(shù)可以改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu),賦予零件表面耐高溫或者防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等各種新的特性,提高它們?cè)诟咚?、高溫、高壓、重載、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的可靠性和使用壽命,具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和推廣價(jià)值?;瘜W(xué)表面改性技術(shù)采用的方法有表面化學(xué)反應(yīng)法、表面接枝法、表面復(fù)合化法等[5]。
給分子特別是有機(jī)大分子引入或者改換功能原子或官能團(tuán),以及控制它們?cè)诜肿又械目臻g位置,可以改變、調(diào)節(jié)物質(zhì)的微觀性質(zhì)與宏觀性質(zhì),已經(jīng)引起人們?cè)絹碓綕夂竦呐d趣。
8??化學(xué)的物質(zhì)性質(zhì)思維的教學(xué)
目前,中學(xué)化學(xué)在物質(zhì)性質(zhì)教學(xué)中存在的問題主要是:?(1)介紹物質(zhì)性質(zhì)時(shí)比較零、散、雜,規(guī)律時(shí)有時(shí)無、似有似無,學(xué)生難以掌握,“為什么在氯氣的化學(xué)性質(zhì)中常常會(huì)介紹它跟熟石灰的反應(yīng)?”“為什么在二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)中要介紹它跟氫氧化鈣的反應(yīng)?”……對(duì)這些含有歷史文化因素的問題學(xué)生往往莫名其妙,甚至一些教師也說不清楚。(2)教學(xué)方式單一,學(xué)生只能被動(dòng)接受,以記憶、復(fù)述、復(fù)現(xiàn)方式學(xué)習(xí),導(dǎo)致死記硬背。(3)“組成—性質(zhì)—變化—用途”幾乎成了學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)時(shí)刻板不變的唯一線索,對(duì)物質(zhì)性質(zhì)知識(shí)缺乏上位和深刻的整合。(4)脫離生產(chǎn)、生活實(shí)際,學(xué)而不用,理論與實(shí)際游離,使物質(zhì)性質(zhì)知識(shí)的學(xué)習(xí)枯燥無味。
筆者認(rèn)為,要改進(jìn)中學(xué)化學(xué)教學(xué)中物質(zhì)性質(zhì)知識(shí)的教學(xué),必須從中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)際出發(fā),強(qiáng)化化學(xué)的物質(zhì)性質(zhì)思維教學(xué),首先著重抓好物質(zhì)性質(zhì)認(rèn)知思維的教學(xué)、物質(zhì)性質(zhì)探因溯源思維的教學(xué)和物質(zhì)性質(zhì)調(diào)變思維的教學(xué)。
8.1??物質(zhì)性質(zhì)認(rèn)知思維的教學(xué)
8.1.1??性質(zhì)認(rèn)知研究活動(dòng)中的觀察思維教學(xué)
觀察是學(xué)生通過研究性活動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)的一種基礎(chǔ)方法,是獲得思維素材并進(jìn)一步進(jìn)行思維加工以獲得知識(shí)的重要途徑。但是,學(xué)生往往不會(huì)觀察,或者不善于觀察、不甚得法,導(dǎo)致觀察無序、低維單調(diào)、思維缺失、體驗(yàn)?zāi)w淺、效果低下。對(duì)此,教師在教學(xué)中應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生了解觀察過程的結(jié)構(gòu)和思維模式,明確觀察的目的和重點(diǎn)、掌握并優(yōu)化觀察的順序,積極開展聯(lián)想、比較、猜測(cè)、驗(yàn)證和論證等觀察思維活動(dòng),了解并掌握科學(xué)觀察的精細(xì)結(jié)構(gòu)和觀察思維模式,使“觀”和“察”密切地結(jié)合。
觀察過程的精細(xì)結(jié)構(gòu)和思維模式是:?首先對(duì)觀察對(duì)象作初步的整體觀察;然后根據(jù)對(duì)象特點(diǎn),按照其空間分布特點(diǎn),或者時(shí)間先后順序,或者邏輯起因、經(jīng)過和結(jié)果,把對(duì)象分解為若干相對(duì)獨(dú)立的局部,確定觀察的中心和順序,而后開展感知活動(dòng);在獲得感知材料后,逐一對(duì)它們進(jìn)行評(píng)價(jià)、比較、選擇、聯(lián)想、組合等思維活動(dòng),反復(fù)地從部分到整體,再從整體到部分進(jìn)行審查、修正,不斷地組合表象,完善整體表象,最終理清思路,形成新知,完成表述方案。
概括地說,觀察的精細(xì)過程和思維模式是:
→初步作整體觀察,確定觀察中心和順序
→逐步作局部觀察,評(píng)價(jià)、比較、選擇、聯(lián)想、組合局部觀察結(jié)果
→審查、修正后形成新的整體觀察結(jié)果
→理清思路、進(jìn)行表述、形成新知
為了提高觀察的質(zhì)量,提倡進(jìn)行跟蹤觀察、多角度觀察、比較觀察、驗(yàn)證觀察等;注意通過觀察確定事物的特質(zhì)、功能和變化過程;反復(fù)地從整體到部分、從部分到整體進(jìn)行觀察。
8.1.2??性質(zhì)知識(shí)接受學(xué)習(xí)中的接受思維教學(xué)
在接受學(xué)習(xí)活動(dòng)中,只有經(jīng)過轉(zhuǎn)換、理解、同化或者質(zhì)疑、批判以及聯(lián)結(jié)、整合、記憶、應(yīng)用等思維活動(dòng),才能真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的接受。然而,在實(shí)際教學(xué)中很容易碰到3個(gè)問題:?一是學(xué)生缺乏接受物質(zhì)性質(zhì)知識(shí)的內(nèi)在需要,使接受學(xué)習(xí)活動(dòng)缺乏動(dòng)力;二是學(xué)生缺乏有關(guān)物質(zhì)性質(zhì)的感性經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ),接受、同化、適應(yīng)外來物質(zhì)性質(zhì)知識(shí)的圖式缺位,致使物質(zhì)性質(zhì)知識(shí)的學(xué)習(xí)缺乏“(錨)定力”,只能用簡(jiǎn)單的記憶活動(dòng)來代替復(fù)雜的接受學(xué)習(xí)活動(dòng);三是缺乏物質(zhì)性質(zhì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力,使物質(zhì)性質(zhì)知識(shí)的學(xué)習(xí)缺乏“活力”。
要避免這些問題發(fā)生,必須重視背景引導(dǎo)、問題驅(qū)動(dòng),積極、有效地開展情境教學(xué)、探究教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和應(yīng)用性實(shí)踐教學(xué)活動(dòng),補(bǔ)好短板,促進(jìn)學(xué)生理解和掌握好物質(zhì)性質(zhì)知識(shí)。
8.2??物質(zhì)性質(zhì)探因溯源思維的教學(xué)
我國現(xiàn)行的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[6]只在選擇性必修課程模塊2的“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)(2學(xué)分)”中規(guī)定“本課程模塊將從原子、分子水平上認(rèn)識(shí)物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律,以微粒之間不同的作用力為線索,側(cè)重研究不同類型物質(zhì)的有關(guān)性質(zhì),進(jìn)一步豐富學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí),提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。通過本課程模塊的學(xué)習(xí),提升學(xué)生有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)識(shí),深入認(rèn)識(shí)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系,發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”。
其中“主題2??微粒間的相互作用與物質(zhì)的性質(zhì)”的內(nèi)容要求“2.1微粒間的相互作用”規(guī)定了“認(rèn)識(shí)離子鍵、共價(jià)鍵的本質(zhì)。結(jié)合常見的離子化合物和共價(jià)分子的實(shí)例,認(rèn)識(shí)物質(zhì)的構(gòu)成微粒、微粒間相互作用與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系?!澜饘冁I的特點(diǎn)與金屬某些性質(zhì)的關(guān)系”。學(xué)業(yè)要求3規(guī)定了“能舉例說明物質(zhì)在原子、分子、超分子、聚集態(tài)等不同尺度上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響……”。
內(nèi)容要求“2.3分子的空間結(jié)構(gòu)”規(guī)定了“知道分子極性與分子中鍵的極性、分子的空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。結(jié)合實(shí)例初步認(rèn)識(shí)分子的手性對(duì)其性質(zhì)的影響”。
內(nèi)容要求“2.4晶體和聚集狀態(tài)”規(guī)定了“知道在一定條件下,物質(zhì)的聚集狀態(tài)隨構(gòu)成物質(zhì)的微粒種類、微粒間相互作用、微粒聚集程度的不同而有所不同。知道物質(zhì)的聚集狀態(tài)會(huì)影響物質(zhì)的性質(zhì),通過改變物質(zhì)的聚集狀態(tài)可能獲得特殊的材料”。
顯然,這些內(nèi)容都涉及物質(zhì)性質(zhì)的形成原因,是進(jìn)行物質(zhì)性質(zhì)探因溯源思維教學(xué)的難得素材,必須切實(shí)搞好這些內(nèi)容的教學(xué)。不過,這些內(nèi)容都屬于選擇性必修課程的內(nèi)容,學(xué)得晚了一點(diǎn),對(duì)于具體的元素化合物學(xué)習(xí)的指導(dǎo)意義發(fā)揮有一定影響。而且,它們畢竟是選修課程內(nèi)容而非必修,這就會(huì)造成更大的缺憾。
為彌補(bǔ)上述不足,建議在高中必修課程(甚至在義務(wù)教育階段化學(xué)課程)中,采取“提前滲透,多次進(jìn)行,培養(yǎng)興趣”的策略,讓學(xué)生初步建立“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)影響其性質(zhì)”的印象,既利于前期必修內(nèi)容的教學(xué),也利于后續(xù)選修內(nèi)容的教學(xué)。例如,在“碳的單質(zhì)”教學(xué)中,讓學(xué)生比較金剛石、石墨、足球烯和碳納米管等同素異形體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì);在涉及乙醇與甲醚、單烯烴與環(huán)烷烴、氰酸銨NH4CNO與尿素CO(NH2)2等同分異構(gòu)體的教學(xué)中,讓學(xué)生比較各種同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等等,都有助于學(xué)生初步形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的印象,逐步形成探究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)內(nèi)在聯(lián)系的興趣。
8.3??物質(zhì)性質(zhì)優(yōu)化思維的初步介紹
物質(zhì)性質(zhì)優(yōu)化的教學(xué)有一定難度,課程標(biāo)準(zhǔn)沒有這方面的要求。然而,它不但有助于強(qiáng)化學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的認(rèn)識(shí),還可以拓展學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,甚至引發(fā)專業(yè)定向選擇。若有可能,在不至于增加學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的前提下,教師不妨向?qū)W生作適當(dāng)介紹。
為此,應(yīng)注意對(duì)某些原子或官能團(tuán)的一些性質(zhì)(例如氟、氯、溴、碘原子吸引電子能力,羥基、氨基、磺酸基等的親水性等)進(jìn)行比較,為后續(xù)介紹某些實(shí)例做好知識(shí)準(zhǔn)備。更重要的是,關(guān)注化學(xué)科學(xué)的發(fā)展和動(dòng)態(tài),注意收集不太復(fù)雜、能吸引學(xué)生并被學(xué)生理解的生動(dòng)實(shí)例,在適當(dāng)時(shí)機(jī)向?qū)W生做介紹。
參考文獻(xiàn):
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