本課程的主要內容現代化學發展對中學化學的影響化學與健康化學與環境化學與能源化學與材料化學與生產和生活的聯系中學化學疑難問題解析第1頁/共45頁12021/10/10星期日本課程的學習要求自覺、主動、積極參與收集、閱讀相關資料認真完成作業研究性學習考核方法第2頁/共45頁22021/10/10星期日第一講現代化學發展及其對中學化學課程的影響第3頁/共45頁32021/10/10星期日一、化學學科的成就和地位1.化學學科的地位早在1985年，美國學者G.C.皮門特爾指出：“化學是一門中心科學，它與社會多方面的需要有關。化學的基礎研究則將有助于我們的后代賴以滿足演化中的需要，賴以解決許多難以預期的問題。”（1）化學是一門承上啟下的中心科學。科學可按照它的研究對象由簡單到復雜的程度分為上游、中游和下游。數學、物理學是上游，化學是中游，生命、材料、環境等朝陽科學是下游。化學是中心科學，是從上游到下游的必經之地。第4頁/共45頁42021/10/10星期日(2)化學又是一門社會迫切需要的中心科學，與我們的衣、食、住（建材、家具）、行（汽車、道路）都有非常緊密的聯系。(3)化學是與信息、生命、材料、環境、能源、地球、空間和核科學等八大朝陽科學（sun-risesciences)都有緊密的聯系、交叉和滲透的中心科學。今天，在人類社會發展過程中迫切需要解決的幾個重大問題：環境、糧食、能源、生命進化等，都需要化學的參與。第5頁/共45頁52021/10/10星期日2.20世紀化學的重大成就在20世紀的100年中，化學與化工取得了空前輝煌的成就。“空前輝煌”數字（3771萬，2001）。1900年在ChemicalAbstracts(CA)上登錄的從天然產物中分離出來的和人工合成的已知化合物只有55萬種。化學是以指數函數的形式向前發展的。第6頁/共45頁62021/10/10星期日新分子和新材料的飛速增長年份已知化合物數目（萬）1900551945110（大約45年加倍）1970236.7（大約25年加倍）1975414.81980593（大約10年加倍）198578519901057.6（大約10年加倍）1999200020013771第7頁/共45頁72021/10/10星期日但“化學家太謙虛”（這句話是Nature雜志在2001年的評論中說的），不會向社會宣傳化學與化工對社會的重要貢獻。因此20世紀化學取得的輝煌成就，并未獲得社會應有的認可。生物化學——分子生物學固體化學——凝聚態物理中心科學？“伴娘科學”？第8頁/共45頁82021/10/10星期日2.20世紀化學的重大成就報刊上常說20世紀發明了六大技術:1.包括無線電、半導體、芯片、集成電路、計算機、通訊和網絡等的信息技術；2.基因重組、克隆和生物芯片等生物技術；3.核科學和核武器技術；4.航空航天和導彈技術；5.激光技術；6.納米技術。第9頁/共45頁92021/10/10星期日但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農藥的化學合成（包括分離）技術。上述六大技術如果缺少一兩個，人類照樣生存。但如果沒有發明合成氨、合成尿素和合成新農藥的技術，世界糧食產量至少要減半，60億人口中的30億就會餓死。沒有發明合成各種抗生素和大量新藥物的技術，人類平均壽命要縮短25年。沒有發明合成纖維、合成橡膠、合成塑料的技術，人類生活要受到很大影響。沒有合成大量新分子和新材料的化學工業技術，上述六大技術根本無法實現。第10頁/共45頁102021/10/10星期日二、現代化學發展的趨勢分析1.新世紀的化學科學主要研究的物質層次化學是什么？化學的傳統定義：研究物質的組成、結構、性能和變化規律的科學。或者：化學是研究分子的科學。現代化學定義：研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各種不同尺度和不同復雜程度的聚集態的合成反應、分離和分析、結構形態、物理性能和生物活性及其規律和應用的科學。第11頁/共45頁112021/10/10星期日新世紀化學主要研究的物質層次（1）原子層次的化學：核化學、放射化學、同位素化學、元素化學、單原子操縱和檢測化學等。（2）分子片層次的化學：原子只有一百多種，但是分子數已達三千多萬種，因此，在原子和分子之間引入一個新層次“分子片”。（3）分子層次的化學：三千多多萬種化合物（分子），通常分為無機、有機和高分子化合物，但是近些年合成的金屬有機化合物、元素第12頁/共45頁122021/10/10星期日有機化合物、原子簇化合物、金屬酶、金屬硫蛋白等等，已不能適應傳統非分類方法，新世紀將研究分子結構類型和結構方式。（4）超分子層次的化學：受體和給體的化學、鎖和鑰匙的化學、分子間的非共價作用力、范德華引力、各種不同類型的氫鍵、親水與疏水基團及其相互作用、分子的堆積、組裝、位阻及包括各種空間效應等。第13頁/共45頁132021/10/10星期日（5）生物分子層次的化學：生物化學、分子生物學、化學生物學、酶化學、腦化學、神經化學、基團化學、生命調控化學、藥物化學、手性化學、環境化學、生命起源認知化學等。（6）宏觀聚集態化學：固體化學、晶體化學、非晶體化學、流體和溶液化學、等離子體化學、膠體化學和界面化學等。（7）介觀聚集態化學：納米化學、軟物質化學、膠體化學（膠團－膠束化學和氣溶膠化學）等。第14頁/共45頁142021/10/10星期日2.新世紀化學科學的主要研究領域（1）環境相容性化學－綠色化學研究的核心問題：綠色合成技術方法和過程可再生資源的利用和轉化中存在的一系列問題的研究。礦物質資源高效利用中存在的關鍵科學問題的研究。第15頁/共45頁152021/10/10星期日（2）新材料化學科學新材料的研究主要有以下幾個方面：復合型材料新型能源材料可生物降解高分子材料有機物體系膜分離及膜材料的研究生物材料化學第16頁/共45頁162021/10/10星期日（3）化學中的生命科學生物超分子功能的研究模擬生物體系的自由基化學和物理有機化學研究無機化合物藥用的研究

無機藥物的手性選擇問題、抗癌配合物的研究、利用微量金屬離子有效地預防疾病、對無機藥物跨膜運送機制、無機藥物載體和靶向藥物的研究、核藥物及中藥復方中使用礦物的問題。第17頁/共45頁172021/10/10星期日（4）化學工程技術從液滴－反應器的尺度范圍內對化學轉化影響下的某些重要的物理現象進行研究就形成了化學工程。具有經濟、環境優化性的化學過程集成智能方法化學反應的原子經濟飛秒激光控制化學反應微系統（MEMS）的新型活性加工技術及微流量系統的研究。第18頁/共45頁182021/10/10星期日（5）農業化學科學糧食問題的解決，除了不斷發展其他領域的農業（如海洋藍色農業、微生物白色農業等）之外，化肥工業是支撐農業發展不可動搖的基石重要研究內容：固氮工程、光合作用、長效緩釋化肥等其他重點研究領域：植物激素及生長調節物質、昆蟲激素及生長調節物質、昆蟲信息素、生物活性發展的分離和鑒定等。第19頁/共45頁192021/10/10星期日（6）催化化學新世紀的催化化學是以消除有害物質為目的的新的能源環保為特征的催化化學研究各種形式的催化過程，如化學催化、生物催化、擇形催化、電催化、光催化等在綠色合成中的作用。研制開發家電用環保催化劑、烹調器用自凈化催化劑、光催化空氣凈化劑、催化燃料電池、汽車尾氣凈化劑等。第20頁/共45頁202021/10/10星期日（7）計算機化學科學一方面電子信息產業需要大量的化工原料，其中有基材、光刻膠、摻雜劑、封裝材料及專用清洗劑等。另一方面，隨著分子生物學的不斷興起和發展，人們發現在生物大分子之間遵循化學和生理規律發生相互作用過程中，能形成具有類似于計算機的信息傳輸和處理、甚至邏輯運算功能的“生物電路”，從而誕生了生物計算。計算機化學科學的另一領域是發展理論化學計算及微觀過程模型的軟件。第21頁/共45頁212021/10/10星期日3.21世紀化學科學的四大難題（1）化學反應理論建立嚴格的微觀化學反應理論，既要從初始原理出發，又要巧妙地采取近似方法，使之能解決實際問題，包括決定某兩個或幾個分子之間能否發生化學反應？能否生成預期的分子？需要什么催化劑才能在溫和條件下進行反應？如何在理論指導下控制化學反應？如何計算化學反應的速率？如何確定化學反應的途徑等。第22頁/共45頁222021/10/10星期日（2）結構和性能的定量關系理論上說，一個分子的電子云密度可以決定它的所有性質，但實際計算很困難。要優先研究的課題：分子和分子間的非共價鍵的相互作用的本質和規律；超分子結構的類型、生成和調控的規律；給體－受體作用原理；生物大分子的結構以及與生物和生理活性的關系；分子自由基的穩定性和結構的關系；摻雜晶體的結構和性能的關系；如何設計合成具有人們期望的某種性能的材料？如何使宏觀材料達到微觀化學鍵的強度？第23頁/共45頁232021/10/10星期日（3）生命現象的化學機理研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機理，這是藥物設計的基礎。搞清楚光合作用、生物固氮作用，牛羊等食草動物胃內酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應機理。人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計算機，徹底了解大腦的結構和功能，是多學科共同面對的難題。第24頁/共45頁242021/10/10星期日了解活體內信息分子的運動規律和生理調控的化學機理。如何實現從生物分子到分子生命的飛躍？如何制造活的分子，跨越從化學進化到生物進化的鴻溝？研究復雜、開放、非平衡的生命系統的熱力學，耗散和混沌狀態，分形現象等非線性問題第25頁/共45頁252021/10/10星期日（4）納米尺度的基本規律尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同導致物質性能及其運動規律和原理的質的區別納米尺度的熱力學性質如金的熔點1063℃，納米金（5－10nm）的熔化溫度為330℃。銀的熔點為960.3℃，而納米銀（5－10nm）為100℃。納米磁性量子隧穿效應、量子相干效應等納米粒子比表面很大，由此引起性質的不同。例如，納米鉑黑催化劑可使乙烯催化反應的溫度從6000℃降至室溫。第26頁/共45頁262021/10/10星期日三、高中化學課程中的現代化學內容1.物質結構知識《化學1》知道化學是在分子層面上認識物質和合成新物質的一門科學《物質結構與性質》

了解晶格能的應用，知道晶格能的大小可以衡量離子晶體中離子鍵的強弱；舉例說明分子間作用力對物質狀態等方面的影響；列舉含有氫鍵的物質，知道氫鍵的存在對物質性質的影響。第27頁/共45頁272021/10/10星期日2.化學與環境科學《化學1》

通過實驗認識氯、氮、硫、硅等非金屬及其重要化合物在生產中的應用和對生態環境的影響。《化學2》

以酸雨的防治和無磷洗滌劑的使用為例，體會化學對環境保護的意義；能說明合成新物質對人類生活的影響，討論在化工生產中遵循“綠色化學思想”的重要性。《實驗化學》

樹立綠色化學思想，形成環境保護的意識。第28頁/共45頁282021/10/10星期日《化學與生活》

評價高分子材料的使用對人類生活質量和環境質量的影響；通過典型的水污染實例認識水污染造成的危害，能說出污水處理中主要的化學方法和原理；知道大氣主要污染物，能說出減少大氣污染物的一種及方法；認識“白色污染”的危害和防治方法；根據防治土壤污染、保護環境的要求，舉例說明廢水處理、垃圾和其他生活廢棄物的處置方法。《化學與技術》

以廢舊塑料的再生利用為例，認識化學對廢舊物資再生與綜合利用的作用，討論其可能的途徑。第29頁/共45頁292021/10/10星期日3.能源科學《化學2》

知道化學鍵的斷裂和形成是化學反應中能量變化的主要原因；通過生產、生活中的實例了解化學能與熱能的相互轉化；舉例說明化學能與電能的轉化關系；認識提高燃料的燃燒效率、開發高能清潔燃料和研制新型電池的重要性。第30頁/共45頁302021/10/10星期日《化學反應原理》

了解化學反應中能量轉化的原因，能說出常見的能量轉化形式；通過查閱資料說明能源是人類生存和發展的重要基礎，了解化學在解決能源危機中的重要作用，知道節約能源、提高能源利用效率的實際意義；體驗化學能與電能相互轉化的探究過程，了解原電池和電解池的工作原理，能寫出電極反應和電池反應方程式；通過查閱資料了解常見電源種類及其工作原理，認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。第31頁/共45頁312021/10/10星期日4.材料科學《化學1》

能列舉合金材料的重要應用。《化學2》

能舉例說明高分子材料在生活等領域的應用。《化學與生活》

列舉生活中的常用材料，能通過實例認識化學在發展生活用材料中的重要作用；認識金屬與合金在性能上的主要差異，知道生活中常見的合金的組成；舉例說明生活中常見合成高分子材料的化學成分及其性能，評價高分子材料的使用對人類生活質量和環境質量的影響。第32頁/共45頁322021/10/10星期日《化學與技術》

討論社會發展和科技進步對材料的要求，認識化學對材料科學發展的促進作用；舉例說明金屬材料、無機非金屬材料、高分子合成材料、復合材料和其他材料的特點，了解有關的生產原理；舉例說明用化學方法進行金屬材料表面處理的原理；收集我國現代材料研究和材料工業發展情況的資料，認識新材料的發展方向。《有機化學基礎》

能舉例說明合成高分子的組成與結構特點，能依據簡單合成高分子的結構分析其鏈節和單體；舉例說明新型高分子材料的優異性能及其在高新技術領域中的應用。第33頁/共45頁332021/10/10星期日5.催化化學《化學與技術》

了解催化劑的研制對促進工業生產發展的重大意義。《化學反應原理》

通過催化劑實際應用的事例，認識其在生產、生活和科學研究領域中的重大作用。第34頁/共45頁342021/10/10星期日6.生命科學《化學與生活》

說明氨基酸、蛋白質的結構和性質特點，能列舉人體必須的氨基酸；通過實例了解人體必須的維生素的主要來源及其攝入途徑，了解維生素在人體中的作用；了解人體新陳代謝過程中的某些生化反應。《有機化學基礎》

能說出氨基酸的組成、結構特點和主要化學性質，查閱資料了解氨基酸、蛋白質、核酸等的意義，體會化學科學在生命科學發展中所起的作用。第35頁/共45頁352021/10/10星期日7.在工農業生產中的應用《化學與技術》

了解我國基本化工的生產資源、基本化工產品的主要種類和發展概況；了解合成氨的主要原理、原料、重要設備、流程和意義，認識催化劑的研制對促進化學工業發展的重大意義；通過實例了解精細化工產品的生產特點，知道精細化工在社會發展中的作用；通過典型事例了解化學肥料、農藥、植物生長調節劑和除莠劑及其發展趨勢。第36頁/共45頁362021/10/10星期日《化學與生活》

知道常見的食品添加劑的組成、性質和作用；知道水泥、玻璃和陶瓷的主要化學成分、生產原料及其用途。《有機化學基礎》

舉例說明烴類物質在有機合成和有機化工中的重要作用；認識糖類的組成和性質特點，能舉例說明糖類在食品加工和生物質能源開發上的應用；討論有機合成在發展經濟、提高生活質量方面的貢獻。第37頁/共45頁372021/10/10星期日四、中學化學課程中的科學觀念1、什么是科學觀念？科學觀念是指人們對科學對象、科學過程的本源和本體的見解或意識，即對科學對象持有的整體的觀點，包括科學思想、科學精神、科學方法等。科學觀念是科學認識和實踐中思維的細胞和基石，也是組成科學素質的最高層次的要素。就科學過程而言，科學觀念包括人類為什么想、怎樣想、想出了什么、為什么這樣想等。第38頁/共45頁382021/10/10星期日2、中學化學課程包含的科學觀念（1）物質是不斷運動變化的（2）物質的性質是由其組成和結構決定的（3）物質不可能無緣無故消失，只可能有規律地轉化（4）環境問題較多是由人類不正確使用科技成果造成的，各門科學可以繼續為解決環境問題貢獻力量。第39頁/共45頁392021/10/10星期日（5）人是自然的一部分，人的生存、成長和發展需要借助科學知識、遵循科學規律。（6）自然是人類可利用的重要資源，也是人類的朋友。（7）科學研究有方法可循。但是方法不是萬能的。第40頁/共45頁402021/10/10星期日3.科學觀念的來源（1）包括化學學科在內的各門具體學科的科學概念、科學理論等知識。如元素周期表與元素周期律、氧化還原反應規律、化學反應速率與化學平衡、物質的結構、性質和用途等。（2）科學發展史如燃素說與氧的發現（3）科學技術的社會化帶來的新觀念和新思想。如人的自然協調發展、科學技術是第一生產力、生態平衡等。第41頁/共45頁412021/10/10星期日4.科學觀念的培養途徑科學觀念的形成，是在對具體的科學知識、技能和方法的學