刍议化学史教学的作用

刍议化学史教学的作用在化学教学中运用化学史知识，可使教学不只局限于现成知识的静态结论，可以追溯到的来源和动态演变；不只局限于知识本身，还可以揭示出其中的科学思想和科学方法，还可以让化学家们不畏艰辛、坚持真理的精神感动学生。在具体的教学实践中，笔者对化学史教学帮助达成三维教学目标的感悟有如下几点。一、介绍化学史有利于学生知识的获得以及技能的培养1.有助于学生对化学知识的理解和把握在化学教学中学生难以理解的其实恰恰是化学史中常常难以攻克的问题，是历史上化学家们对此问题进行激烈争论、进行探讨的问题。在教学中如果适当地将历史上化学家们在形成化学概念、认识化学规律的过程中所遇到过的困难、所产生过的错误想法、所做出的一些错误判断等呈现在学生面前，让学生对这些观点进行对比和分析，找出正确的结论和观点。这样，学生便会从这些历史发展中感受到自身的错误观念，知道自己错在何处？原因何在？比如，“电离概念”教学，我们可以引入“阿累尼乌斯建立电离理论”这一段化学史。1799年英国化学家尼柯尔森等人最先发现溶液具有导电性。他们认为，溶液中电流是靠带电荷的离子运送前进的，但认为离子是通电流后产生的。这一理论统治科学界将近一个世纪，直至瑞典化学家阿累尼乌斯从1882年秋开始对溶液的导电性进行了一系列的测量，查阅了学术刊物中与这个问题有关的论文后，大胆提出“要解释电解质水溶液的导电性，必须假定电解质在溶液中具有两种不同的形态，即非活动性的分子形态和活动性的离子形态”。但却遭到当时最著名的化学家之一克利夫教授嘲笑：“这纯粹是空想，我不能想象，比如，氯化钾怎样会在水中分解为离子。钾在水中单独存在可能吗？任何一个小学生都知道，钾遇水就会产生强烈的反应，同时形成氢氧化钾和氢气。可是氯呢？它的水溶液是淡绿色的，又有剧毒，而氯化钾溶液则是无色的，完全无毒。”但阿累尼乌斯竭力证明，在溶液中，特别是在氯化钾溶液中，存在的不是钾原子和氯分子，而是两种元素的离子。比如，钾离子不同于中性的钾原子，它带阳电荷。他甚至还计算出，在氯化氢的溶液中，有92%的溶质处于活性形态，也就是说大部分溶质分解为离子了。这些结果被德国化学家奥斯特瓦尔德在研究盐酸的催化作用时所证实，它的总量中只有98%对过程起加速作用。这一数值与阿累尼乌斯计算出来的数值是接近的。此后，教师要求学生设计实验方案，证明电解质在水溶液中会自发电离出离子？学生1：水与HCl气体均不能使石蕊试纸变色，但盐酸能使石蕊试纸变色变红。学生2：Cu与硝酸铜不反应，Cu与稀硫酸也不反应，但Cu与硝酸铜、稀硫酸三者混合能反应。2.促使学生化学技能的形成例如，在验证铜与稀硝酸反应生成一氧化氮实验时，需要介绍种种隔绝空气的措施，此时可以联系拉瓦锡选用汞来研究空气成分的经典实验。如图1所示装置，汞沸点为356.6℃，用左边火炉给液态汞加热，不断气化的汞原子进入钟罩和钟罩中氧气发生反应。因为提供汞原子的物质的量与氧气分子的物质的量之比远远大于化学反应计量比的要求，反应可以达到完全。反应生成的红色氧化汞在这个温度下是固体，且不溶于汞，密度小于汞，浮在汞的表面，很容易分离，500℃左右可以分解。拉瓦锡把在汞表面上所生成的红色粉未收集起来，放在另一个较小的容器里再加强热至500℃左右，得到了汞和氧气，若把分解所得氧气回到原来留有剩余气体空间后，发现体积恰好等于密闭容器里所减少的体积。通过这段化学史知识的介绍，让学生领悟到实验操作设计对化学实验的重要性，进而对学生实验能力、动手能力以及创造性思维的培养起到重要的作用。通过该段化学史的介绍，再让学生动脑思考铜与稀硝酸反应生成一氧化氮，并收集一氧化氮，学生自然能设计出“氢氧化钠溶液封法”：在一个大的水槽中加入几厘米高的氢氧化钠溶液，再在水槽中放一个小烧杯，小烧杯中加有稀硝酸与铜片，小烧杯上盖上玻璃钟罩。二、渗透化学史有利于学生领悟正确的化学研究方法以及学习科学的探究过程1.有助于学生学习化学研究方法比如，“归纳与演绎”的经典事例。门捷列夫为了系统地讲好无机化学课程，想编写一张“不是人为的而是合乎自然规律”的元素性质分类表。于是开始仔细地研究当时已发现的63种元素的物理性质和化学性质。他把当时已经发现的元素名称、原子量以及主要性质分别写在63张卡片上。随后，他根据诸如元素对氧和氢的关系所做的分类、按金属与非金属的分类、根据化学活性的顺序分类、根据原子价的分类、根据元素的综合化学性质的分类等等，都作了认真的研究，并以各种方式排列63张卡片等等。在深入研究元素的原子量与原子价时，门捷列夫对各种元素的原子量可以相差很大，而原子价的变化范围则较小这一情况有很深的印象；许多元素具有相同的原子价的同时，它们的化学性质彼此也非常相似。他注意到，一价元素都是最典型的金属，七价元素都是最典型的非金属；四价元素的性质恰好介于金属与非金属之间。这就使他坚信各种元素之间一定存在着统一的规律性。1869年2月他发表了第一份关于元素周期律的图表。1871年12月，他综合了迈尔等科学家的研究，又发表了与今天元素周期表很像的第二张元素周期表，把尚未发现的元素的空格由原来的四个增至六个，并且预言了它们的性质。如对“类铝”“类硅”等的预言准确得令人惊奇。2.促使学生学习科学的探究过程例如，在选修模块《物质结构与性质》中“元素第一电离能的周期性变化”教学时，可以适时插入人类合成第一个稀有气体化合物XePtF6经典事例。1933年，化学家鲍林通过对离子半径的计算，曾预言可以制得六氟化氙（XeF6）、氙酸及其盐。1960年英国年轻化学家巴特列特一直从事无机氟化学的研究。文献上报道了数种新的铂族金属氟化物，它们都是强氧化剂，其中高价铂的氟化物六氟化铂（PtF6）的氧化性甚至比氟还要强。巴特列特首先用PtF6与等摩尔氧气在室温条件下混合反应，得到了一种深红色固体的O2PtF6。巴特列特头脑机敏，善于联想类比和推理。他考虑到O2的第一电离能是1175.7千焦/摩尔，氙的第一电离能是1175.5千焦/摩尔，比氧分子的第一电离能还略低，既然O2可以被PtF6氧化，那么氙也应能被PtF6氧化。他同时还计算了晶格能，若生成XePtF6，其晶格能只比O2PtF6小41.84千焦/摩尔。这说明XePtF6一旦生成，也应能稳定存在。于是巴特列特根据以上推论，仿照合成O2PtF6的方法，将PtF6的蒸气与等摩尔的氙混合，在室温下竟然轻而易举地得到了一种橙黄色固体XePtF6：Xe+PtF6→XePtF6。该化合物在室温下稳定，其蒸气压很低。它不溶于非极性溶剂四氯化碳，这说明它是离子型化合物。这样，具有历史意义的第一个含有化学键的“惰性”气体化合物诞生了，从而很好地证明了巴特列特的正确设想。从这个资料我们可以看出：几代化学家经历了猜想、设计实验、进行实验、分析实验等探究过程最终验证了惰性气体化合物的存在。三、渗透化学史有利于学生情感的熏陶、科学态度与价值观的培养1.有利于激发学生学习化学的兴趣，熏陶学生的情感通过合适化学史的引入，可以让学生感觉自己参与了整个化学现象的发现、知识理论的形成过程，使他们有一定的成就感。比如：在学习原电池时，引入伏打发明原电池的一段化学史。原电池的发明是在科学争论中发明并得到发展的。争论的主人公是意大利的伽伐尼和伏打。事情发生在1800年前后。争论的焦点是：伽伐尼是一位解剖学教授，意大利著名生理学家，他在一次用手术刀剥去青蛙腿外皮时，刀尖触到了蛙腿，发现蛙腿抽动了一下。他对自己的偶然发现，开始继续探究，由此产生了伽伐尼和伏打的争论。伽伐尼认为电流起源于动物神经，伏打认为一系列双金属在液体中的接触是产生电流的原因。即“生物电和化学电之争”。学生提出问题，产生猜想，动手实验。①用Cu和Cu连接蛙腿，动手实验；②用Zn和Cu，不用蛙腿，用酸性湿纸、湿布、湿海绵等做实验；③一大堆Cu片和锌片交错垒得很高，在每一对Cu片和Zn片之间，都加入用盐水浸湿的硬纸，用导线若即若离地靠近或接触时，产生出强大电流放射出的明亮电火花（伏打电池的雏形）。2.有助于培养学生的相互合作意识任何一个概念的形成，每一个定律的建立，所有重大的科学发现，都是经过一代乃至几代人的艰苦探索，利用许多人的研究成果才得以完成和总结出来的。比如，元素周期表及元素周期律。试想一下，如果没有门捷列夫在德贝莱纳、迈耶尔、纽兰兹工作的基础上发现初步元素周期律；如果没有科学家在以后的科学实验中证实门捷列夫在周期表中留下空格，为门捷列夫发现元素周期表赢得巨大赞誉，获得广泛认可；如果没有拉姆塞发现稀有气体，作为整个一族插入周期表，从而完善了周期表；如果没有汤姆生、卢瑟福、玻尔等师徒打开原子大门，发现电子、原子核，提出原子结构理论，莫塞莱得出原子序数等于核电荷数，修正了门捷列夫的元素周期律，等等，人类探索元素化合物性质会是怎样的呢？3.有利于培养学生科学的态度比如，瑞利、拉姆塞对实验数据微小差异产生的怀疑，在化学史上被称为“第三位小数的胜利”，才有了氩和“零族”的发现。早在1785年，英国著名科学家卡文迪什在研究空气组成时，发现一个奇怪的现象。当时人们已经知道空气中含有氮、氧、二氧化碳等，卡文迪什把空气中的这些成分除尽后，发现还残留少量气体，虽然这个气体体积不足总体积的1/200，这个现象当时并没有引起化学家们应有的重视。谁也没有想到，就在这少量气体里竟藏着一个化学元素家族。100多年后的1892年，英国物理学家瑞利，在研究氮气时发现从氨分解得到的氮气每升重1.2508g，而从空气中分离出来的氮气在相同情况下每升重1.2572g，这个每升0.0064g的微小差别引起了瑞利的注意。他与化学家莱姆赛合作，把空气中的氮气和氧气除去，用光谱分析鉴定剩余气体，终于在1894年发现了氩。4.有助于学生辩证唯物主义世界观的形成回顾中学化学教学内容，化学概念、化学定理和定律都充满了辩证唯物主义内容。例如，人类对原子模型的认识，由汤姆孙的“枣糕式”模型，到卢瑟福的“核式结构模型”，再到玻尔的原子量子化模型，再到电子云模型等。在整个发展过程中，枣糕式模型能够解释一些事实，但很快就被卢瑟福的散射实验结果否定，然而“核式结构”却跟经典的电磁理论相互矛盾，进而到玻尔的原子量子化模型，但在解释一些复杂的原子光谱上遇到很大的困难，直到现在的电子云模型才得以完善。在原子核模型教学中，通过这些化学史的介绍，我们可以使学生意识到“实践是检验真理的唯一标准、否定之否定”等辩证的唯物主义观点，并且可以使学生体会到只有唯物主义才是真正科学的世界观。