1. ¿Qué es la química?
La química es una ciencia práctica y creativa, una ciencia que mejora la vida humana y una ciencia central que satisface las necesidades de la sociedad. La interacción, penetración mutua, promoción mutua y síntesis mutua entre la química y otras disciplinas no solo promueven el desarrollo de la investigación química y la teoría química, sino que también promueven y promueven otras ciencias naturales como las matemáticas, la física, la biología, la astronomía, la geología y Ciencia de los materiales. El desarrollo de la ciencia. Entonces, ¿cuál es el objeto de la investigación química?
Todo en la naturaleza, desde los cuerpos celestes y los planetas hasta los microorganismos, ya sean animados o inanimados, está compuesto por diversos elementos químicos. Diferentes sustancias tienen diferentes composiciones y estructuras, por lo que tienen diferentes propiedades. La química es la ciencia que estudia la composición, estructura, propiedades, aplicaciones y leyes de transformación mutua de las sustancias a nivel atómico y molecular.
2. La formación y desarrollo de la ciencia química
1. El surgimiento de la química antigua
El fuego es el fenómeno químico más antiguo con el que el ser humano ha entrado en contacto. . El descubrimiento y utilización del fuego abrió la puerta a las operaciones químicas. El uso del fuego produjo el conocimiento práctico de la tecnología química, combinado con el pensamiento humano sobre el origen de todas las cosas (la antigua filosofía griega y el misticismo oriental), produjo la alquimia y se convirtió en la base para el surgimiento y desarrollo de la química moderna. La práctica a largo plazo de los alquimistas ha permitido a la gente comprender muchos minerales naturales y acumular experiencia en experimentos químicos. Pero se limita a los fines prácticos de la metalurgia y la medicina, y no pretende explorar sustancias y sus cambios químicos.
2. El establecimiento de la química moderna
Los siglos XVI al XVII supusieron un importante punto de inflexión en el desarrollo de la química. En 1661, los químicos escépticos de Boyle creían que el propósito de la investigación química es comprender la naturaleza de la materia, recopilar hechos observados, descubrir las leyes del cambio de las cosas a través de experimentos especializados y convertirla en una disciplina independiente para explorar la química de la materia. mundo. El misterio del cambio. Se logró la transición de la alquimia a la química moderna.
En 1777, Lavoisier propuso la teoría de la combustión y la oxidación. En 1789, discutió sistemáticamente la nueva teoría de la combustión y la oxidación centrada en el oxígeno en el "Esbozo de química". Esta fue la primera teoría científica de reacciones químicas en química y enumeró la primera tabla de elementos químicos de 33 elementos conocida en ese momento. También propuso la ley de conservación de la masa. En 1808, Dalton relacionó las leyes empíricas macroscópicas con el concepto microscópico de que la materia está compuesta de átomos e introdujo por primera vez el concepto de peso atómico, lo que realmente llevó a la química a la etapa de desarrollo cuantitativo. Al mismo tiempo, Baigelius realizó un extenso trabajo para determinar los pesos atómicos y formular símbolos de elementos. En 1811, Avon Gadereau publicó el artículo "Un método para determinar la masa relativa de átomos en objetos y la proporción de átomos en compuestos", que propuso por primera vez la hipótesis molecular. En 1896, Mendeleev publicó el artículo "La relación entre las propiedades de los elementos y el peso atómico" y la primera tabla periódica de elementos. En la segunda mitad del siglo XIX se sistematizaron cuatro ramas de la química: la química inorgánica, la química orgánica, la química analítica y la química física, pero en general todavía pertenecía a la categoría de ciencia empírica.
3. El desarrollo de la química moderna
A finales del siglo XIX y principios del XX, los tres principales descubrimientos de la física: los rayos X, la radiactividad y los electrones traspasaron los "átomos". son indivisibles y los elementos no cambian" "concepto tradicional.
La teoría cuántica y la mecánica cuántica de Planck, la teoría de los fotones y la teoría de la relatividad de Einstein, así como la aplicación de una serie de técnicas experimentales físicas, los seres humanos comprenden la naturaleza desde el mundo macro hasta el mundo micro. Toda la ciencia química no solo tiene una base teórica sólida. base, pero también tiene un medio experimental confiable. Como resultado, la química moderna ha logrado logros notables tanto en la teoría básica como en las aplicaciones prácticas. Su velocidad de desarrollo y amplitud de campos de investigación han superado con creces cualquier período anterior. La ciencia química no sólo pasa de una ciencia descriptiva cualitativa a una ciencia cuantitativa precisa, sino que también muestra un alto grado de diferenciación y síntesis en su desarrollo disciplinar. Lo que es aún más encomiable es que la química ha superado la penetración y la intersección de los conceptos tradicionales de las materias con las materias adyacentes, mostrando su gran vitalidad.
Se puede decir que la química del siglo XIX fue el siglo atómico. En el siglo XX, con la ayuda de nuevas ideas, nuevos conceptos y nuevos resultados en física, el foco de la investigación química pasó al nivel molecular y la química se convirtió en una ciencia molecular.
3. Perspectivas de la química en el siglo XXI
El siglo XX fue una era de rápido progreso científico. Como una de las disciplinas básicas de las ciencias naturales, la química también ha experimentado 100 años deslumbrantes. La producción de sustancias basadas en procesos químicos ha avanzado a pasos agigantados, afectando profundamente todos los aspectos de nuestra aldea global. La avanzada civilización material actual es inseparable de la química. Sin embargo, cuando los químicos recuerdan con orgullo la gloria de este siglo, cada vez menos personas en la sociedad tienen miedo de los productos químicos y eligen la química como carrera. Algunos científicos de otros campos creen que la ciencia química ya está bien desarrollada, mientras que otros creen que la química se está desmembrando y que la química como ciencia independiente está muriendo.
Después de la década de 1980, cuando algunos químicos miraron hacia atrás y observaron el desarrollo de la química, comenzaron a sentir que los químicos estaban demasiado limitados a sus propios campos. Para desarrollar la ciencia química, los químicos deben salir de la química pura y entrar en la gran ciencia, desarrollada integralmente sobre la base de diversas disciplinas. Al mismo tiempo, la gran ciencia exige la química. Plantea muchos desafíos para la química desde las ciencias de la vida, la ciencia de los materiales, el medio ambiente, la energía e incluso la ciencia de la información. Requiere un nuevo desarrollo de la química y la participación cada vez más activa de los químicos para resolver sistemas complejos. , Muchos problemas nuevos, como condiciones extremas, estados mesoscópicos y de no equilibrio. Varios aspectos importantes del desarrollo de la química a principios del siglo XX pueden ser: cinética de reacciones químicas, reconocimiento molecular, interacciones intermoleculares débiles y química de agregación molecular, química de síntesis y ensamblaje, etc. La siguiente es una breve introducción a varios aspectos de las fronteras de la química moderna:
1. Nanoquímica y química de una sola molécula
Desde la perspectiva de la química y la física, las propiedades de las nanopartículas. Son inusuales, porque la proporción de átomos o moléculas en su superficie es inusualmente grande. La investigación sobre sus propiedades ópticas, eléctricas, catalíticas especiales y sus efectos cuánticos especiales siempre ha atraído la atención de la gente. Qian Xuesen, un famoso científico chino, predijo ya en 1991: Creo que las estructuras nanométricas y subnanométricas serán el foco del desarrollo en el próximo siglo, una revolución tecnológica y, por tanto, otra revolución industrial en el siglo XXI.
Por otro lado, con la ayuda de STM/AFM y la tecnología fotográfica, podemos observar muchos fenómenos nuevos y efectos especiales a nivel de una sola molécula. La revelación de estos nuevos fenómenos y efectos puede conducir a grandes avances. en algunas cuestiones científicas.
2. El origen y evolución de los elementos y del universo.
Los elementos son la base de todas las cosas y siempre han sido los principales objetos de la investigación química. Hoy en día, la comprensión que tiene la gente de los elementos y sus compuestos se ha vuelto cada vez más sistemática y teórica, pero el origen y la evolución de los elementos mismos sigue siendo un tema que vale la pena explorar. La cosmoquímica es el estudio de la química de planetas distintos de la Tierra. Gracias al desarrollo de la tecnología aeroespacial, la gente ha analizado y estudiado la Luna, Marte y otros materiales extraterrestres, lo que no sólo ayuda a estudiar el origen de los elementos y el origen del universo, sino que también ayuda a desarrollar planetas más allá de la Tierra.
3. El origen y evolución de la vida
Las ciencias de la vida han entrado en el nivel molecular, requiriendo la participación de la investigación química y sintética. Ya sea la comprensión y regulación de la transducción de señales o la regulación genética de los puntos calientes modernos, nos enfrentaremos a la síntesis de diversas macromoléculas y moléculas pequeñas biológicas. Por ejemplo, la "química de femtosegundos", que ganó el Premio Nobel de Química en 1999, no sólo permite a las personas comprender en detalle el mecanismo de las reacciones químicas, sino que también les permite observar los detalles de los movimientos de la vida y revelar la esencia de la vida.
Engels predijo una vez que "el origen de la vida debe lograrse por medios químicos". Grandes avances en química atestiguan la existencia de este enfoque. Se puede resumir como un proceso de "evolución química" a partir de átomos - moléculas inorgánicas - moléculas orgánicas - macromoléculas biológicas - vida primitiva. "Para los químicos, el mayor desafío del próximo siglo es crear vida". "Es posible desarrollar un sistema autorreplicante, autoorganizado e incluso biológico". el borde de crear vida no está aislado. Se ha convertido en una conclusión lógica e inevitable que la evolución química en todas partes debe transformarse en evolución biológica siempre que las condiciones sean adecuadas. Actualmente, los científicos están realizando investigaciones químicas sobre los procesos de la vida para revelar y dominar las leyes de las reacciones moleculares en la vida y lograr gradualmente el gran objetivo de sintetizar la vida.
4. Química de preparación sintética
Desde la perspectiva del desarrollo científico, la química sintética es el núcleo de la química y el medio más poderoso para que los futuros químicos transformen el mundo y creen riqueza social. La creación de nuevas reacciones sintéticas siempre ha sido un tema candente en el campo de la química. Se puede decir que el desarrollo de toda la ciencia y la tecnología del mundo es inseparable de la química sintética y preparativa, que les proporciona y garantiza la base material. Durante los últimos 200 años, los químicos no sólo han descubierto y sintetizado muchos compuestos naturales, sino que también han creado artificialmente una gran cantidad de compuestos no naturales. El número de todos los compuestos en la sociedad humana ha alcanzado los 22,3 millones (en febrero de 1999, 65438). Y su tasa de crecimiento ha aumentado de más de 600.000 especies por año antes de la década de 1990 a 10.000 especies en la actualidad. Con la llegada del siglo XXI y el rápido desarrollo de la alta tecnología, los químicos sintéticos se ven cada vez más obligados a proporcionar más compuestos con nuevas estructuras y nuevas funciones, y sobre esta base, diseñar y ensamblar agregados moleculares con diversas funciones, como interruptores moleculares, chips moleculares, etc. Al mismo tiempo, también se requiere urgentemente que los químicos sinteticen diversas sustancias químicas que aparecen en las aplicaciones actuales de una manera más específica, eficiente, económica y respetuosa con el medio ambiente.
El progreso de la ciencia de los materiales debe ser primero la síntesis y preparación de nuevos materiales. Por ejemplo, la preparación de cerámicas de óxido de itrio, bario y cobre ha provocado una revolución y un salto en la superconductividad de alta temperatura; los polímeros conductores mágicos (caracterizados por su peso ligero, buena flexibilidad, bajo precio y fuerte conductividad) permitirán fabricar televisores plegables y computadoras portátiles. Aparecieron el cuerpo, papeles pintados luminosos, células solares de película fina, etc. , y cambiará nuestro mundo. Por ello, el Premio Nobel de Química de 2000 fue concedido a los científicos estadounidenses Haig y McDiarmid y al científico japonés Hideki Shirakawa. Con la adquisición del C60, se empezó a reconocer un nuevo tipo de estructura molecular del carbono que proporcionó una nueva clase de compuestos materiales atractivos, incluidos los nanotubos. Y la investigación del polvo interestelar demuestra que el C60 puede ser la molécula más antigua del universo. Entonces, ¿cómo forman todo lo que hay en el mundo? ¡Se puede decir que las diversas asociaciones provocadas por C60 están inspirando a las personas a atacar picos científicos más altos! Por ello, el Premio Nobel de Química de 1996 fue otorgado al científico británico Cluto y a los científicos estadounidenses Smalley y Cole.
IV.Cuatro puntos de comprensión del aprendizaje de la química en la escuela secundaria
1. Captar los conceptos y profundizar en la connotación y la denotación.
La química es una ciencia que implica cambios en la materia y la energía. También es una ciencia que comprende y transforma directamente la materia. Estudia las leyes de cambio químico de diversas sustancias y muchas leyes se reflejan en la relación entre conceptos. Por tanto, dominar los conceptos es la clave para aprender bien la química. Para un concepto, incluye objetos, premisas o suposiciones, expresiones y relaciones con otros conceptos. Por ejemplo, el concepto de volumen molar de gas es para gases, siempre que en condiciones estándar, la expresión sea 22,4 litros/mol. El volumen molar de un gas multiplicado por su densidad en condiciones estándar es igual a la masa molar del gas, que es una de sus relaciones con otros conceptos. Al utilizar conceptos, asegúrese de que el objeto, la premisa y la expresión sean correctos, preste atención a sus condiciones y alcance de aplicación y analice la situación específica en detalle. Además, debemos entender la extensión y desarrollo del concepto.
2. Captar la esencia y captar las leyes del cambio cuantitativo.
Cualquier ley contiene relaciones cuantitativas. Sin relaciones cuantitativas no habría reglas. Si no comprendes la relación entre cantidades, realmente no podrás comprender las reglas. Los cálculos químicos suelen ser un dolor de cabeza o incluso un miedo para los estudiantes.
De hecho, la dificultad de los cálculos químicos no radica en los cálculos, sino en el análisis y la comprensión de los conceptos químicos y la naturaleza de los cambios químicos. En cualquier reacción química, los reactivos y productos proceden según una determinada relación cuantitativa. La esencia de una reacción química es que las partículas (átomos e iones) que forman los reactivos se recombinan para formar nuevas sustancias. Durante este proceso, el tipo y número de átomos no cambiarán (ley de conservación de la masa). Entonces, siempre que la reacción química se analice claramente, ¿cuántas partículas efectivas se encuentran durante la reacción? ¿De dónde vinieron? ¿dónde has estado? Utilice una serie de cantidades físicas y conceptos relacionados centrados en la cantidad de materia para resolver de forma rápida y precisa problemas de cálculo químico.
3. Aprenda a asociar y cultivar habilidades de pensamiento
La química se basa en la física, la biología y otras materias relacionadas, y no comienza hasta el tercer grado de la escuela secundaria. En el estudio y la investigación de la química, a menudo es necesario comprender las sustancias y sus leyes cambiantes con la ayuda del análisis de diversos fenómenos, el juicio de composición y el razonamiento de la estructura. Cada parte del conocimiento químico está estrechamente relacionada. Los nuevos conocimientos se desarrollan sobre la base de los conocimientos antiguos, y los nuevos conocimientos sólo pueden comprenderse en profundidad basándose en los conocimientos antiguos. Además, la química está en todas partes de la vida. Por lo tanto, al aprender, debemos aprender a encontrar el "punto de crecimiento" del conocimiento, aprender a utilizar asociaciones similares, asociaciones relacionadas, asociaciones analógicas, asociaciones de oposición, asociaciones subordinadas y extender las alas de la asociación al máximo, para que podamos aprender de las fortalezas de los demás y complementar las debilidades de los demás, e integrar los conocimientos aprendidos de forma sistematizada, estructurada y en red. Al mismo tiempo, en el proceso de aprender conocimientos químicos y resolver problemas específicos, se cultiva y mejora la capacidad de pensamiento.
4. Experimentos prácticos para mejorar la capacidad práctica
La química es una ciencia basada en experimentos. Si observamos a muchos químicos famosos en la historia de la química, la razón por la que pueden hacer grandes contribuciones a la humanidad no solo radica en su coraje para practicar y su buena práctica, sino también en su coraje para innovar y su espíritu diligente. Los conocimientos químicos y las habilidades experimentales que los estudiantes de secundaria aprenden en la escuela son la preciosa cristalización de la experiencia práctica de generaciones anteriores. Es diferente de los experimentos científicos realizados por científicos. Pero desde los aspectos de diseñar experimentos, practicar personalmente, observar fenómenos, acumular hechos y experiencias, analizar y sintetizar hechos existentes, abstraer y resumir para sacar conclusiones científicas, cultivar la capacidad de analizar y resolver problemas, cultivar y mejorar las actitudes científicas y la alfabetización científica. , etc. Tiene muchas similitudes con los experimentos científicos realizados por científicos. Por lo tanto, en el aprendizaje de la química, debemos conceder gran importancia a los experimentos químicos. De acuerdo con las características de varios experimentos, bajo la premisa de objetivos claros, practique paso a paso, domine los principios de reacción relevantes, las características del dispositivo y los procedimientos operativos, domine el uso de instrumentos y reactivos de uso común, observe y registre fenómenos experimentales y analice Habilidades de datos experimentales, como procesamiento y dibujo simple de diagramas esquemáticos de equipos experimentales. Es necesario establecer firmemente una perspectiva basada en experimentos y conectar el conocimiento de los compuestos elementales con el aprendizaje de conocimientos teóricos básicos a través de experimentos, de modo que los experimentos químicos no solo proporcionen medios intuitivos de comprensión perceptiva, sino que también estimulen el interés en aprender química, cultivar Actitudes científicas y espíritu de innovación, métodos científicos de formación y formas y métodos eficaces para mejorar las capacidades prácticas.