現(xiàn)代化學與中學化學南京師范大學化學與環(huán)境科學學院

龔正元現(xiàn)代化學與中學化學南京師范大學化學與環(huán)境科學學院龔正元1本課程的主要內(nèi)容現(xiàn)代化學發(fā)展對中學化學的影響化學思想與化學方法化學與環(huán)境科學化學與能源科學化學與材料科學化學與生產(chǎn)和生活的聯(lián)系中學化學疑難問題解析本課程的主要內(nèi)容現(xiàn)代化學發(fā)展對中學化學的影響2本課程的學習要求自覺、主動、積極參與閱讀相關資料認真完成作業(yè)研究性學習本課程的學習要求自覺、主動、積極參與3第一講現(xiàn)代化學發(fā)展對中學

化學課程的影響第一講現(xiàn)代化學發(fā)展對中學

化學課程的影響4一、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?；瘜W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?！保?）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(shù)學、物理學是上游，化學是中游，生命、材料、環(huán)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(jīng)之地。一、化學學科的成就和地位1.化學學科的地位5(2)化學又是一門社會迫切需要的中心科學，與我們的衣、食、?。ńú摹⒓揖撸?、行（汽車、道路）都有非常緊密的聯(lián)系。(3)化學是與信息、生命、材料、環(huán)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(lián)系、交叉和滲透的中心科學。今天，在人類社會發(fā)展過程中迫切需要解決的幾個重大問題：環(huán)境、糧食、能源、生命進化等，都需要化學的參與。(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62.20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?！翱涨拜x煌”數(shù)字2285萬。1900年在ChemicalAbstracts(CA)上登錄的從天然產(chǎn)物中分離出來的和人工合成的已知化合物只有55萬種?；瘜W是以指數(shù)函數(shù)的形式向前發(fā)展的。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。2.20世紀化學的重大成就在20世紀的100年中，化學與化72.20世紀化學的重大成就20世紀發(fā)明的七大技術中最重要的是信息技術、化學合成技術和生物技術報刊上常說20世紀發(fā)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(wǎng)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。2.20世紀化學的重大成就20世紀發(fā)明的七大技術中最重要的是8但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農(nóng)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。但如沒有發(fā)明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新農(nóng)藥的技術，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，60億人口中的30億就會餓死。沒有發(fā)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(fā)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(yè)技術，上述六大技術根本無法實現(xiàn)。但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農(nóng)藥的化學9二、現(xiàn)代化學發(fā)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(tǒng)定義：研究物質的組成、結構、性能和變化規(guī)律的科學?；蛘撸夯瘜W是研究分子的科學?，F(xiàn)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(tài)的合成反應、分離和分析、結構形態(tài)、物理性能和生物活性及其規(guī)律和應用的科學。二、現(xiàn)代化學發(fā)展的趨勢分析1.新世紀的化學科學主要研究的物質10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(shù)已達3000萬種，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：3000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11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(tǒng)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。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12（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(jīng)化學、基團化學、生命調(diào)控化學、藥物化學、手性化學、環(huán)境化學、生命起源認知化學等。（6）宏觀聚集態(tài)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(tài)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。（5）生物分子層次的化學：生物化學、分子生物學、化學生物學、132.新世紀化學科學的主要研究領域（1）環(huán)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。2.新世紀化學科學的主要研究領域（1）環(huán)境相容性化學－綠色化14（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（2）新材料化學科學新材料的研究主要有以下幾個方面：15（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。（3）化學中的生命科學生物超分子功能的研究16（4）化學工程技術從液滴－反應器的尺度范圍內(nèi)對化學轉化影響下的某些重要的物理現(xiàn)象進行研究就形成了化學工程。具有經(jīng)濟、環(huán)境優(yōu)化性的化學過程集成智能方法化學反應的原子經(jīng)濟飛秒激光控制化學反應微系統(tǒng)（MEMS）的新型活性加工技術及微流量系統(tǒng)的研究。（4）化學工程技術從液滴－反應器的尺度范圍內(nèi)對化學轉化影響下17（5）農(nóng)業(yè)化學科學糧食問題的解決，除了不斷發(fā)展其他領域的農(nóng)業(yè)（如海洋藍色農(nóng)業(yè)、微生物白色農(nóng)業(yè)等）之外，化肥工業(yè)是支撐農(nóng)業(yè)發(fā)展不可動搖的基石重要研究內(nèi)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(diào)節(jié)物質、昆蟲激素及生長調(diào)節(jié)物質、昆蟲信息素、生物活性發(fā)展的分離和鑒定等。（5）農(nóng)業(yè)化學科學糧食問題的解決，除了不斷發(fā)展其他領域的農(nóng)業(yè)18（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(huán)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(fā)家電用環(huán)保催化劑、烹調(diào)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。（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19（7）計算機化學科學一方面電子信息產(chǎn)業(yè)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(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在生物大分子之間遵循化學和生理規(guī)律發(fā)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(fā)展理論化學計算及微觀過程模型的軟件。（7）計算機化學科學一方面電子信息產(chǎn)業(yè)需要大量的化工原料，其203.21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(fā)，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(fā)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。3.21世紀化學科學的四大難題（1）化學反應理論21（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(yōu)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(guī)律；超分子結構的類型、生成和調(diào)控的規(guī)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(wěn)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？（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22（3）生命現(xiàn)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(nèi)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。（3）生命現(xiàn)象的化學機理研究配體小分子和受體生物大分子相互作23（3）生命現(xiàn)象的化學機理了解活體內(nèi)信息分子的運動規(guī)律和生理調(diào)控的化學機理。了解從化學進化到手性和生命起源的飛躍過程。如何實現(xiàn)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(tǒng)的熱力學，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線性問題（3）生命現(xiàn)象的化學機理了解活體內(nèi)信息分子的運動規(guī)律和生理調(diào)24（4）納米尺度的基本規(guī)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(guī)律和原理的質的區(qū)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。（4）納米尺度的基本規(guī)律尺度的不同，常常引起主要相互作用力的25三、中學化學課程中的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?？茖W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。三、中學化學課程中的科學觀念科學觀念是指人們對科學對象、科學261.科學觀念的幾個重要特征（1）廣泛性和高效性（2）模糊性和間接性（3）穩(wěn)定性和變化性（4）概括性和基礎性（5）觀念的胚胎式發(fā)生呈現(xiàn)出生理學上“全或無效應”，觀念一旦形成，盡管有時可能尚不完善，就會具有發(fā)育為成熟觀念的所有“生長點”。1.科學觀念的幾個重要特征（1）廣泛性和高效性272.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(guī)律地轉化（4）環(huán)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(xù)為解決環(huán)境問題貢獻力量。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282.中學化學課程包含的科學觀念（5）人是自然的一部分，人的生存、成長和發(fā)展需要借助科學知識、遵循科學規(guī)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。2.中學化學課程包含的科學觀念（5）人是自然的一部分，人的生293.科學觀念的來源（1）包括化學學科在內(nèi)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(guī)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(fā)展史如燃素說與氧的發(fā)現(xiàn)（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(xié)調(diào)發(fā)展、科學技術是第一生產(chǎn)力、生態(tài)平衡等。3.科學觀念的來源（1）包括化學學科在內(nèi)的各門具體學科的科學304.科學觀念的培養(yǎng)途徑科學觀念的形成，是在對具體的科學知識、技能和方法的學習與實踐活動過程中，通過內(nèi)化、升華而逐漸形成、發(fā)展起來的。（1）構建合理的學科知識結構（2）重視知識發(fā)生和獲得的過程（3）以適當方式促進學生感悟（4）深挖課程中蘊含的科學觀念，形成觀念體系。4.科學觀念的培養(yǎng)途徑科學觀念的形成，是在對具體的科學知識、31四、高中化學課程中的現(xiàn)代化學內(nèi)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(tài)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。四、高中化學課程中的現(xiàn)代化學內(nèi)容1.物質結構知識322.化學與環(huán)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(chǎn)中的應用和對生態(tài)環(huán)境的影響?！痘瘜W2》

以酸雨的防治和無磷洗滌劑的使用為例，體會化學對環(huán)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(chǎn)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(huán)境保護的意識。2.化學與環(huán)境科學《化學1》通過實驗認識氯、氮、硫、硅等非332.化學與環(huán)境科學《化學與生活》

評價高分子材料的使用對人類生活質量和環(huán)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(jù)防治土壤污染、保護環(huán)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?！痘瘜W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。2.化學與環(huán)境科學《化學與生活》評價高分子材料的使用對人類343.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(chǎn)、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(fā)高能清潔燃料和研制新型電池的重要性。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353.能源科學《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(fā)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(jié)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。3.能源科學《化學反應原理》了解化學反應中能量轉化的原因，364.材料科學《化學1》

能列舉合金材料的重要應用?！痘瘜W2》

能舉例說明高分子材料在生活等領域的應用?！痘瘜W與生活》

列舉生活中的常用材料，能通過實例認識化學在發(fā)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(huán)境質量的影響。4.材料科學《化學1》能列舉合金材料的重要應用。374.材料科學《化學與技術》

討論社會發(fā)展和科技進步對材料的要求，認識化學對材料科學發(fā)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(chǎn)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(xiàn)代材料研究和材料工業(yè)發(fā)展情況的資料，認識新材料的發(fā)展方向?！队袡C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(jù)簡單合成高分子的結構分析其鏈節(jié)和單體；舉例說明新型高分子材料的優(yōu)異性能及其在高新技術領域中的應用。4.材料科學《化學與技術》討論社會發(fā)展和科技進步對材料的要385.催化化學《化學與技術》

了解催化劑的研制對促進工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重大意義?！痘瘜W反應原理》

通過催化劑實際應用的事例，認識其在生產(chǎn)、生活和科學研究領域中的重大作用。5.催化化學《化學與技術》了解催化劑的研制對促進工業(yè)生產(chǎn)發(fā)396.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(fā)展中所起的作用。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407.在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用《化學與技術》

了解我國基本化工的生產(chǎn)資源、基本化工產(chǎn)品的主要種類和發(fā)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(yè)發(fā)展的重大意義；通過實例了解精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)特點，知道精細化工在社會發(fā)展中的作用；通過典型事例了解化學肥料、農(nóng)藥、植物生長調(diào)節(jié)劑和除莠劑及其發(fā)展趨勢。7.在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用《化學與技術》了解我國基本化工的生417.在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用《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(chǎn)原料及其用途。《有機化學基礎》

舉例說明烴類物資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(fā)上的應用；討論有機合成在發(fā)展經(jīng)濟、提高生活質量方面的貢獻。7.在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用《化學與生活》知道常見的食品添加劑42主要參考文獻1.化學課程標準研制組編寫.普通高中化學課程標準（實驗）解讀.武漢：湖北教育出版社，2004.2.周志華主編.生活社會化學.南京：南京師范大學出版社，2000.3.印永嘉等編著.21世紀的中心科學－－化學.中國華僑出版社，1995.4.唐有祺、王夔.化學與社會.北京：高等教育出版社，1997.5.大學化學編輯委員會編.今日化學.北京：北京大學出版社，1995.6.高劍南、王祖浩.化學教育展望，上海：華東師范大學出版社，2001.主要參考文獻1.化學課程標準研制組編寫.普通高中化學課程標準43五【2】如果把科學比擬為長江

各門學科可以按照研究從簡單到復雜分為：上游中游下游重慶武漢上海數(shù)學物理化學生物學領頭學科中心學科前沿學科化學要用數(shù)理、生物學要用數(shù)理化、醫(yī)學要用數(shù)理化生如果把科學比擬為長江

各門學科可按研究對象從簡單到復雜分為：上游中游下游重慶武漢上海數(shù)學物理化學生物學

領頭學科中心學科前沿學科化學要用數(shù)理、生物學要用數(shù)理化、醫(yī)學要用數(shù)理化生五【2】如果把科學比擬為長江

各門學科可以按照研究從簡單到復44現(xiàn)代化學與中學化學南京師范大學化學與環(huán)境科學學院

龔正元現(xiàn)代化學與中學化學南京師范大學化學與環(huán)境科學學院龔正元45本課程的主要內(nèi)容現(xiàn)代化學發(fā)展對中學化學的影響化學思想與化學方法化學與環(huán)境科學化學與能源科學化學與材料科學化學與生產(chǎn)和生活的聯(lián)系中學化學疑難問題解析本課程的主要內(nèi)容現(xiàn)代化學發(fā)展對中學化學的影響46本課程的學習要求自覺、主動、積極參與閱讀相關資料認真完成作業(yè)研究性學習本課程的學習要求自覺、主動、積極參與47第一講現(xiàn)代化學發(fā)展對中學

化學課程的影響第一講現(xiàn)代化學發(fā)展對中學

化學課程的影響48一、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?；瘜W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?？茖W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(shù)學、物理學是上游，化學是中游，生命、材料、環(huán)境等朝陽科學是下游?；瘜W是中心科學，是從上游到下游的必經(jīng)之地。一、化學學科的成就和地位1.化學學科的地位49(2)化學又是一門社會迫切需要的中心科學，與我們的衣、食、?。ńú摹⒓揖撸?、行（汽車、道路）都有非常緊密的聯(lián)系。(3)化學是與信息、生命、材料、環(huán)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(lián)系、交叉和滲透的中心科學。今天，在人類社會發(fā)展過程中迫切需要解決的幾個重大問題：環(huán)境、糧食、能源、生命進化等，都需要化學的參與。(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502.20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?！翱涨拜x煌”數(shù)字2285萬。1900年在ChemicalAbstracts(CA)上登錄的從天然產(chǎn)物中分離出來的和人工合成的已知化合物只有55萬種?；瘜W是以指數(shù)函數(shù)的形式向前發(fā)展的。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。2.20世紀化學的重大成就在20世紀的100年中，化學與化512.20世紀化學的重大成就20世紀發(fā)明的七大技術中最重要的是信息技術、化學合成技術和生物技術報刊上常說20世紀發(fā)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(wǎng)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。2.20世紀化學的重大成就20世紀發(fā)明的七大技術中最重要的是52但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農(nóng)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。但如沒有發(fā)明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新農(nóng)藥的技術，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，60億人口中的30億就會餓死。沒有發(fā)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(fā)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(yè)技術，上述六大技術根本無法實現(xiàn)。但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農(nóng)藥的化學53二、現(xiàn)代化學發(fā)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(tǒng)定義：研究物質的組成、結構、性能和變化規(guī)律的科學。或者：化學是研究分子的科學?，F(xiàn)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(tài)的合成反應、分離和分析、結構形態(tài)、物理性能和生物活性及其規(guī)律和應用的科學。二、現(xiàn)代化學發(fā)展的趨勢分析1.新世紀的化學科學主要研究的物質54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(shù)已達3000萬種，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：3000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55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(tǒng)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。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56（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(jīng)化學、基團化學、生命調(diào)控化學、藥物化學、手性化學、環(huán)境化學、生命起源認知化學等。（6）宏觀聚集態(tài)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(tài)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。（5）生物分子層次的化學：生物化學、分子生物學、化學生物學、572.新世紀化學科學的主要研究領域（1）環(huán)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。2.新世紀化學科學的主要研究領域（1）環(huán)境相容性化學－綠色化58（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（2）新材料化學科學新材料的研究主要有以下幾個方面：59（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。（3）化學中的生命科學生物超分子功能的研究60（4）化學工程技術從液滴－反應器的尺度范圍內(nèi)對化學轉化影響下的某些重要的物理現(xiàn)象進行研究就形成了化學工程。具有經(jīng)濟、環(huán)境優(yōu)化性的化學過程集成智能方法化學反應的原子經(jīng)濟飛秒激光控制化學反應微系統(tǒng)（MEMS）的新型活性加工技術及微流量系統(tǒng)的研究。（4）化學工程技術從液滴－反應器的尺度范圍內(nèi)對化學轉化影響下61（5）農(nóng)業(yè)化學科學糧食問題的解決，除了不斷發(fā)展其他領域的農(nóng)業(yè)（如海洋藍色農(nóng)業(yè)、微生物白色農(nóng)業(yè)等）之外，化肥工業(yè)是支撐農(nóng)業(yè)發(fā)展不可動搖的基石重要研究內(nèi)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(diào)節(jié)物質、昆蟲激素及生長調(diào)節(jié)物質、昆蟲信息素、生物活性發(fā)展的分離和鑒定等。（5）農(nóng)業(yè)化學科學糧食問題的解決，除了不斷發(fā)展其他領域的農(nóng)業(yè)62（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(huán)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(fā)家電用環(huán)保催化劑、烹調(diào)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。（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63（7）計算機化學科學一方面電子信息產(chǎn)業(yè)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(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在生物大分子之間遵循化學和生理規(guī)律發(fā)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(fā)展理論化學計算及微觀過程模型的軟件。（7）計算機化學科學一方面電子信息產(chǎn)業(yè)需要大量的化工原料，其643.21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(fā)，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(fā)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。3.21世紀化學科學的四大難題（1）化學反應理論65（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(yōu)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(guī)律；超分子結構的類型、生成和調(diào)控的規(guī)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(wěn)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？（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66（3）生命現(xiàn)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(nèi)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。（3）生命現(xiàn)象的化學機理研究配體小分子和受體生物大分子相互作67（3）生命現(xiàn)象的化學機理了解活體內(nèi)信息分子的運動規(guī)律和生理調(diào)控的化學機理。了解從化學進化到手性和生命起源的飛躍過程。如何實現(xiàn)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(tǒng)的熱力學，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線性問題（3）生命現(xiàn)象的化學機理了解活體內(nèi)信息分子的運動規(guī)律和生理調(diào)68（4）納米尺度的基本規(guī)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(guī)律和原理的質的區(qū)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。（4）納米尺度的基本規(guī)律尺度的不同，常常引起主要相互作用力的69三、中學化學課程中的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。三、中學化學課程中的科學觀念科學觀念是指人們對科學對象、科學701.科學觀念的幾個重要特征（1）廣泛性和高效性（2）模糊性和間接性（3）穩(wěn)定性和變化性（4）概括性和基礎性（5）觀念的胚胎式發(fā)生呈現(xiàn)出生理學上“全或無效應”，觀念一旦形成，盡管有時可能尚不完善，就會具有發(fā)育為成熟觀念的所有“生長點”。1.科學觀念的幾個重要特征（1）廣泛性和高效性712.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(guī)律地轉化（4）環(huán)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(xù)為解決環(huán)境問題貢獻力量。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722.中學化學課程包含的科學觀念（5）人是自然的一部分，人的生存、成長和發(fā)展需要借助科學知識、遵循科學規(guī)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。2.中學化學課程包含的科學觀念（5）人是自然的一部分，人的生733.科學觀念的來源（1）包括化學學科在內(nèi)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(guī)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(fā)展史如燃素說與氧的發(fā)現(xiàn)（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(xié)調(diào)發(fā)展、科學技術是第一生產(chǎn)力、生態(tài)平衡等。3.科學觀念的來源（1）包括化學學科在內(nèi)的各門具體學科的科學744.科學觀念的培養(yǎng)途徑科學觀念的形成，是在對具體的科學知識、技能和方法的學習與實踐活動過程中，通過內(nèi)化、升華而逐漸形成、發(fā)展起來的。（1）構建合理的學科知識結構（2）重視知識發(fā)生和獲得的過程（3）以適當方式促進學生感悟（4）深挖課程中蘊含的科學觀念，形成觀念體系。4.科學觀念的培養(yǎng)途徑科學觀念的形成，是在對具體的科學知識、75四、高中化學課程中的現(xiàn)代化學內(nèi)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(tài)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。四、高中化學課程中的現(xiàn)代化學內(nèi)容1.物質結構知識762.化學與環(huán)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(chǎn)中的應用和對生態(tài)環(huán)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(huán)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(chǎn)中遵循“綠色化學思想”的重要性?！秾嶒灮瘜W》

樹立綠色化學思想，形成環(huán)境保護的意識。2.化學與環(huán)境科學《化學1》通過實驗認識氯、氮、硫、硅等非772.化學與環(huán)境科學《化學與生活》

評價高分子材料的使用對人類生活質量和環(huán)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(jù)防治土壤污染、保護環(huán)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?！痘瘜W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。2.化學與環(huán)境科學《化學與生活》評價高分子材料的使用對人類783.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(chǎn)、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(fā)高能清潔燃料和研制新型電池的重要性。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793.能源科學《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(fā)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(jié)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。3.能源科學《化學反應原理》了解化學反應中能量轉化的原因，804.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(fā)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(huán)境質量的影響。4.材料科學《化學1》能列舉合金材料