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罗昌俊——化学(1409-3)  

2014-10-13 19:56:41|  分类: 国高-罗昌俊 |  标签: |举报 |字号 订阅

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读研和工作时从事过几年的电化学研究,算是出了点小成果,如今再系统的引导学生学习高中化学基础课程,反倒是有些不习惯,为让学生更好地理解和学好化学,有必要将我对化学的理解与大家探讨一下。

化学是研究物质的科学,包括组成、结构、性质和变化,这里性质指化学性质,即不同物质之间相互作用时体现出来的性质。化学变化指两种物质结合生成新物质,或者一种物质分解成其他物质,是物质、能量之间的相互转化。带电离子之间的相互作用决定了物质的结构、性质及化学变化的方向。相互作用包括电子与电子,电子与离子,离子与离子之间的长程静电库仑作用和短程量子交换作用,即化学键,化学键由最外层电子和未满壳层电子,即价电子之间相互作用决定,它决定了物质的结构、性质和变化,实质是多电子体系在多原子体系或分子中的哈密顿量,即分子能级,介于固体能带和孤立原子的电子能级之间。

化学变化是原子重新组合成新物质,所以原子从分子中离解,然后重新组合成化学势和自由能更低的体系。分解和化合是一对矛盾体,总是同时存在于化学反应之中。对化学反应的最好描述是化学反应方程式,它包含了最大量的信息。化学反应是动态平衡,动态平衡常数是描述化学反应程度的量,取决于温度、浓度、压力。当浓溶液,离子之间相互作用不能忽略时,浓度有时用活度替代。与活度紧密相关的是活度系数。决定化学反应进行方向的是自由能,自由能反映在每种分子上则为物质的化学势,化学势相等,前后自由能相等则化学反应达到平衡。用化学反应方程式描述化学变化是化学研究的核心内容:

1)化学反应的本质是热力学过程

2)化学反应在微观尺度是电子和离子移动与结合,本质是化学键。电子过程决定了凝聚态物质的物理性质,是固体物理性质的主要矛盾。离子的分离、迁移、碰撞和结合以及电子在原子间的转移构成了化学反应的微观过程。离子和分子在价电子的作用下移动和结合是化学的主要矛盾。从价电子之间轨道相互作用和化学键角度分析化学反应是化学的微观理论。

3)化学反应是多相过程,宏观上化学变化是从一种物质变成另一种物质,存在动态平衡,化学反应的方向遵从热力学原理,自由能最小原则或熵增加原理(熵极大原则)。利用化学势和热力学原理分析化学反应构成唯象理论。

4)化学平衡常数是对化学反应的定量描述。

5)化学反应包含了很多内容和过程,本质上是多种相互作用竞争、平衡的结果。物理作用主要指长程库仑静电力,化学作用指近邻原子之间的电子云重叠的量子交换作用,是短程相互作用。化学力构成了液态短程有序,长程库仑力则使得中性物质之间也存在相互作用、离解、聚合和长程关联。

分子的概念在化学中具有独特地位。原子是原子物理研究的主要对象,固体是凝聚态物理研究的对象,原子是最简单的分子,固体则是最大的分子。在化学中,气体和液体则存在热熵与自由能相互竞争时产生的各种相关尺度的分子。分子大小取决于原子之间相互作用强弱,它是关联原子的空间范围、尺寸。原子、离子、离子团、配位体、官能团、团簇、纳米颗粒、固体是物质在结构上的层进关系,之间的相互作用由价电子决定。因此,价电子的轨道结构、能量大小和分子能级本征值决定了原子和离子团的活性,即化学活性和化学稳定性。化学变化是原子价电子之间的结合和重组,价电子在化学研究中处在核心地位。
    
化学就本质而言是经验、实验性科学,物质的合成在于长期时间经验。建模根据物理定则进行化学计算是复杂的,并且也未能超出物质由原子组成,麦克斯韦方程、量子力学方程、最小自由能原理等物理定律的范畴。化学是物理学的应用学科,最基本的原则是物理内容,只是研究的对象是一个多相、多组分、多态、多离子、多电子、多自由度相互作用,相互关联的复合体系。

以上是我对我化学的理解,当然,以学生现在的知识很难完全理解这些,做这个梳理一来可以让学生学会挖掘事物的本质,二来可以加强学生对事物系统概述的能力。共勉!

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