台湾高中化学教材印象
时间:2014-06-30 18:30 来源:未知 作者:黄元 点击:次 所属专题: 化学教材
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台湾高中化学教材印象(一)
台湾同行朋友给我寄来一套现行高中化学教材(其实是教师用书),五册,“龙腾文化公司”出版。三册为“基础化学”,成功大学化学系黄得时教授主编,供高一和高二使用,两册为“选修化学”,台湾大学化学系张哲政教授主编,供高三(分流)用。
先摘录它的章节和主要内容吧。
基础化学(一)
Chapter1 物质的组成与性质
1 物质的分类
Chapter2 原子构造与元素周期表
1 原子结构
Chapter3 化学反应
1 化学式
Chapter4 常见的化学反应
1 化学反应的基本类型
基础化学(二)
Chapter1 物质的构造与特性
1 物质的形成与化学键
Chapter2 有机化合物
1 烷、烯、炔与环烷
Chapter3 化学与能源
1 化石燃料
Chapter4 化学与化工
1 生活中的化学
基础化学(三)
Chapter1 气体
1 气体性质
Chapter2 化学反应速率
1 反应速率定律
Chapter3 化学平衡
1 化学平衡
选修化学(上)
Chapter1 化学平衡
1 可逆反应与化学平衡 (可逆反应
Chapter2 水溶液中的平衡
1 盐类的溶解平衡 (溶度积常数
Chapter3 溶液的状态与性质
1 液体的蒸气压 (水的蒸发与凝结平衡、饱和蒸气压
Chapter4原子与分子
1 原子性质的周期性 (原子与离子的大小
Chapter5物质的形成及结构
1 分子间作用力
选修化学(下)
Chapter6 电池、电解、电镀
1 电化电池 (电化电池是一种自发性的氧化还原反应
Chapter7 有机化合物
1 有机化合物的组成与结构 (以定性、定量法决定有机化合物
Chapter8聚合物
1 聚合物的分类与一般性质 (单体、单体单元、聚合物的意义
台湾高中化学教材印象(二)
从黄得时教授主编的“基础化学(一)”来看,台湾教材对化学发展史有更厚重的解读。除古希腊德谟克利特、法国拉瓦锡、英国道耳顿、意大利阿佛加德罗、英国汤姆森等重要人物外,还专门介绍了波以耳等科学家的建树。
波以耳(爱尔兰人Robert Boyle)1661年出版“怀疑的科学家”一书,定义元素(单质)是不能以一般化学方法再分解的物质。教材称其为“化学之父”。
普鲁斯特(法国人Joseph Proust)1799年提出定比定律(low of definite proportion,又称定组成定律):无论化合物的来源如何,组成该化合物的各元素质量比是固定的。以氯化钠为例,不论是由海水分离出,或是由钠与氯元素直接反应而得,钠与氯的质量比皆为1:1.54。定比定律是原子说重要的基础之一。
19世纪初,道耳顿提出倍比定律(low of multiple proportions):当甲、乙两种元素可形成数种化合物时,在这些化合物中与等质量甲元素化合的乙元素,其质量比为一简单整数比。
吕萨克(法国人Joseph Louis Gay-Lussac)1808年提出“气体化合体积定律”:在同温同压下,气体发生反应时,气体反应物与生成物的体积比为一简单整数比。(阿佛伽德罗定律之前)
以上这些人物及事迹对原子、分子论的形成过程不可或缺,均为化学史的重要环节。
门得列夫1872年含63种元素的周期表也在课本中具体呈现,表中“-”表示该位置应有尚未发现的元素存在,“?”表示当时的原子量的数据可能有误。
而密立坎等人在原子结构发现史中所作贡献的重要性不在汤姆森、拉塞福之下,课本也不惜篇幅给以介绍。
1909年美国人密立坎(Robert Andrew Millikan)进行“油滴实验”,测定电子所带的电荷。喷雾器喷出的小油滴吸附由X射线照射气体所产生的气态阳离子及自由电子,使小油滴带正电荷或负电荷。所以当电极的两端加以电压,会影响小油滴所受的静电力,再以显微镜观察电场中小油滴的运动,并测量油滴的大小。调整电压大小,让作用于带电油滴所受的静电力与其所受的重力相等,使油滴静止在空中;从油滴的大小可推算油滴所受的重力,进而可计算油滴所带的电量。密立坎做了数千次实验,前后历经11年,发现油滴上所带电量均为1.602×10-19库仑的正整数倍,故推论电子的电量为油滴所带电量的最大公因数,即为1.602×10-19库仑,后人将此电量称为基本电荷。
1913年英国人莫斯利(Henry G.J.Moseley)利用高能量电子撞击各种不同的金属,观察由元素所放出X射线的特有频率,认为元素性质与原子序有更大的关联性,故提出以原子序代替原子量来排列周期表。
质子和中子的发现——新西兰人拉塞福(Ernest Rutherford)发现原子核后,科学家接着要探究的就是原子核的组成。1919年,拉塞福由α粒子(利用镭放射)撞击氮原子核的实验发现质子:4He+14N→17O+1H
1932年英国人查兑克(James Chadwick)利用α粒子撞击铍原子核而发现中子4He+9Be→12C+1n
重视科学史,其实是重视科学形成的过程与方法,让学生体验科学的艰辛,同时加强对学科本源的热爱和敬畏。
台湾高中化学教材印象(三)——不尽相同的内容
“龙腾文化”的“基础化学(一)”中有不少内容与大陆课本不尽相同,一些概念我们没有。
物质分类。首先将物质分为均匀物质和不匀物质两类。若物质的各部分组成相同,看似单一成分者(物质内部各个部位并无界面存在),称为均匀物质,例如水、空气或合金等。均匀物质可能是纯物质(纯净物),也可能是均匀的混合物,而均匀的混合物称溶液。又若组成物质的各成分并非处于同一相中,而是以其原来的形态相互混合,由外观即能判别含有不同成分者,称为不匀物质,例如花岗岩、珍珠奶茶等。
相——为对不匀物质的说明有更深入的了解,学生需有相与界面的概念。一般而言,物质的状态又称为相(phase),常见有固、液、气三相。当系统中两相不相溶或溶解已达饱和时,其接触面即称为界面。界面可存在于不同相态之间,例如水与砂石间、冰与水间、水与空气间等。或者存在于相同的相态间,例如水与油之间。
物质分离与纯化的物理手段除过滤、蒸馏、层析、萃取、再结晶、分馏外,还介绍倾析、离心。过滤除重力过滤外还有真空过滤(抽滤)。
滤纸层析法——将少量待分离的试样点于滤纸上,当溶剂藉毛细作用向上移动时,与溶剂作用力较大(或与滤纸作用力较小)的色素,在滤纸上移动距离较远,反之则较近。其中滤纸称为固定相,溶剂则称为移动相(也称为展开液),移动相带着试样在固定相上移动的过程称为冲提。
倾析——对组成成分比重不同且不相溶的物质的分离。如水与油的分离、淘米、溶液与沉淀物的分离。
离心——利用离心力使比重不同的各成分快速分离。倾析、过滤、离心均用于不均物质的分离。
萃取则引入分配系数概念:K=C/Cs,C为有机物在有机层中的溶解度,Cs为有机物在水层中的溶解度。V为水溶液的体积,Vs为所用萃取剂(有机层)的体积,W0为原溶于水中的有机物质量,Wn为n次萃取后残留于水中的有机物质量。
能阶的概念——科学家由一连串的原子光谱实验证实电子在原子核外依能量大小分布在不同的壳层(shell)。壳层起初由内而外被命名为A、B、C、D……,但科学家想预留空位给尚未发现的壳层,所以改由K开始命名。每一壳层皆有其特定的能量,称为能阶(energy level)。电子从低能阶跃迁至高能阶时须吸收能量,从较高能阶跃迁至较低能阶时则以辐射的形式放出能量。若辐射的波长在大约380—780纳米的范围则为可见光,如氖灯就是氖原子中的电子先吸收能量跃迁至高能阶,然后电子从高能阶跃迁至低能阶时辐射出红色光的例子。电子跃迁的能阶变化类似棒球沿着阶梯升降,可能停在任意阶梯上,但不能停在阶梯之间。
元素分类——除金属和非金属(包括惰性气体)外,还有类金属(metalloids),又称半金属(semimetals),包括硼、硅、锗、砷、锑、碲,属于周期表中金属和非金属的交界。类金属的导电性介于金属和非金属之间,导电性随温度的升高而增加,是制造半导体的材料。我们的零族台湾叫8A族。硅还是叫矽。
莫耳生成热(molar heat of formation)——一莫耳物质由其最稳定之成分元素(单质)反应生成时的热含量变化。标准状态下的莫耳生成热称为标准莫耳生成热,以ΔH0f表示。标准状态下,元素的莫耳生成热定为零,如H2(g)、Br2(l)、Na(s)的莫耳生成热为零。若某元素有多种同素异形体时则将最稳定者的生成热定为零,如石墨、斜方硫(S8)及氧气(O2)等物质的莫耳生成热为零;而其对应的同素异形体如钻石、单斜硫及臭氧的莫耳生成热则不等于零。
反应热的速算公式:ΔH=生成物的生成热总和-反应物的生成热总和
莫耳燃烧热(molar heat of combustion)——一莫耳物质与氧作用,完全燃烧所放出的热量。标准状态下的莫耳燃烧热称为标准莫耳燃烧热,以ΔH0c表示。
赫斯定律——1840年,俄国化学家赫斯(Germain Henri Hess)提出化学反应热为固定值,与其反应途径无关。换句话说,一反应的反应式能以数个其它反应式的代数和表示时,其反应热亦等于此数个反应式之反应热的代数和。此叙述称为赫斯定律(Hess’law),又称为反应热加成性定律(the law of additivity of reaction heats)。依据能量守恒定律,能量既不能被创造,亦不能被毁灭,只能从一种形式转化为另一种形式,而总能量保持不变,所以赫斯定律是建立在能量守恒定律的基础上。
能量守恒是自然界最基本的规律之一,赫斯定律是其在化学中的基本体现,台湾教材对此不离不弃,可见编者的内行。
氧化还原滴定——例如,过锰酸钾易溶于水形成紫色溶液,常应用在化学分析的滴定法中,用以定量某些还原剂(如亚铁盐、草酸盐等)。
元素——一种含义等同我们说的单质,为最简单的物质,无法再分离出其它成分。第二种含义是“具有相同质子数的一类原子的总称”。对元素含义的这种理解,可能台湾与西方一致,英语单词中单质和元素使用的就是一个单词,element。而我们是不允许将元素和单质混为一谈的,单质是元素的游离态。
原子量、分子量,简洁的汉字名称,台湾未将其人为复杂化为相对原子质量、相对分子质量。
台湾高中课本中不给学生物质的量概念:12克12C所含之原子个数为1莫耳(摩尔)。物质的量被称为莫耳数。比如:8.0克硫酸铜中所含氧原子的莫耳数为何?物质的量在该书附录(物理量)中被叫做“物量”。我赞成这个翻译,象一个单词而不是短语。
实验式(empirical formula)——即我们所说的最简式。不仅有机物用实验式,课本还说明实验式常用来表示金属、离子化合物及共价网状晶体,因为这些物质是由极大数目之原子堆积而成的巨大结构,只能以实验式表示。
示性式(rational formula)——将结构式适当简化,用来表示分子中含有何种特殊的原子团或官能团,以彰显其化学特性的化学式。
置换反应在台湾称作取代反应。
电解质的定义——常温常压下无法导电,但在熔融状态下或溶于水后可以导电的物质称为电解质;反之,有些物质即使溶于水后仍无法导电,称为非电解质。该定义中没有强调电解质是化合物,但“常温常压下无法导电”的限制已将石墨、金属等单质排除在外。
台湾高中化学教材印象(四)
“龙腾文化”“基础化学(一)”就“生活中的化学”列举了不少实例,有趣,也基础,也现代,也到位,不突兀,匠心可鉴。
热敷袋——热敷袋中盛装过饱和溶液(如醋酸钠溶液),使用时压按金属片诱导结晶产生。结晶生成过程为放热反应,故可作为热敷袋。使用后放在沸水中数分钟,待晶体全部溶解后使其冷却,便又成为过饱和溶液,可重复使用。
暖暖包——搓揉暖暖包,包内的铁粉与空气中的氧和水气在食盐的催化作用下快速作用,产生热量。
随手冷敷包——利用硝酸铵溶于水时吸收热量达到快速降温的效果。
红油制作——利用热油萃取辣椒的成分。
层析法(chromatography)——为快速又简单的分离技术,仅需少量试样即可做物质的分离与鉴定。其原理类似于河水冲刷河道带走砂石,大小不等的砂石借着水流而移动,因重力作用不同而沉降在河床的不同区段。以滤纸层析法分离色素为例,待分离的色素就象上述大小不等的砂石一般,利用色素与滤纸及色素与溶剂间的作用不同,将各种色素在滤纸上一一展开,达到分离的目的。
问题:想要了解秋天枫叶变红的过程中,叶片内各种色素的变化情形,可取不同变色阶段的叶片进行何种分析法而得知?解:枫叶由绿转红是多种植物色素共同影响的结果,将不同变色阶段的叶片捣碎,取其叶汁,利用滤纸色层分析法将各种颜色一一分离,即可观察其变化。
低钠血症——指的是血浆中Na+浓度低于135毫莫耳/升,也就是血浆中的水分比例高于正常值。持续性的低钠血会使太多水分流入脑部,造成脑水肿。曾有马拉松选手在赛后因补充过量水分而死于此症。
金汞齐与鎏金——“齐”为合金的意思,水银形成的合金称为“汞齐”,早年牙科补牙所用的银粉即为汞齐,其成分为银、锡、铜与汞的合金,现因对健康的疑虑,有部分国家已经不使用了。若将黄金溶于水银中即成为金汞齐,金汞齐为鎏金所使用的材料。鎏金是将物体表面镀上黄金的古老技术,将金汞齐(泥状)涂在物体的表面,再加热水银使其蒸发后,黄金便留在物体表面不会脱落,经过多次鎏金后,物体表面便镀上一层闪亮且贵气的黄金。铜器、银器都可以鎏金,故宫的珍藏品中即有数件明清时代的鎏金器,另外,宫殿建筑的鎏金玻 璃瓦、西方教堂的黄金圆顶也是鎏金技术的表现。
蛀牙的形成——氢氧磷酸钙(Ca5(PO4)3OH)为构成牙齿珐琅质的成分之一,它在水中的溶解度很小,但是当齿间有食物残留,使唾液酸性增加,将会导致部分珐琅质被溶解,造成蛀牙。
阴极射线管——在玻璃管两端置入金属电极,连接一高压直流电源,管内含有浓度极低的气体。阴极射线管(cathode ray tube,CRT)是英国科学家克鲁克斯(William Crookes,1832-1919)为研究气体放电现象所设计的真空放电管。霓虹灯管、日光灯管和电视机的映像管均依类似的原理制造。
同位素比值变动用于地震监测——在地壳的变动过程中常引发储气层气体逸窜至地表的现象,使该地区大气中特定元素的同位素含量比值在地震发生前后有明显的差异,所以同位素含量比值的分析也被应用于监测地震活动的工作上。由于氦的同位素(3He、4He)的含量比值变动性大,所以较其它元素更广泛被使用。
绚烂夺目的高空烟火秀——烟火是一系列高温与复杂化学反应的现象。高温烟火包含两组火药,第一组黑火药负责将烟火推上夜空,第二组黑火药等烟火到达高空后才引燃,使藏于其中的药球爆炸、燃烧而放出不同色光,造成各种烟火效果。每个火球内主要装有燃烧剂、氧化剂、发光剂及发色剂。烟火在急剧燃烧时,因短时间内需要大量的氧气,空气中的氧气不敷所需,故须有氧化剂提供大量的氧气助燃,最常用的氧化剂是过氯酸钾及氯酸钾。发光剂是铝粉或镁粉,这些金属粉末剧烈燃烧时产生令人眩目的白色闪光。发色剂则为金属盐类,烟火的五光十色就来自金属化合物在高温下所产生的色光。如钡盐产生绿色光、钠盐产生黄色光、铜盐产生蓝色光、锶盐产生红色光、钙盐产生橘色光、铁盐产生金黄色光等。燃料与氧化剂反应所产生的能量,激发金属原子核外的电子从低能阶跃迁到高能阶,此时原子并不安定,因此将多出的能量以辐射的形式释放出来,电子就从较高能阶回到较低能阶,原子则回复到稳定基态,若辐射波长在可见光的范围,就形成烟火五颜六色的绚丽色彩。至于烟火炸开时形成的各种图案是如何办到的呢?只要调整药球在烟火弹壳中的排列方式,就可让每颗药球皆朝着指定方向射出,在漆黑的夜空中显现预先设定的花样。
食品中的蛋白质含量可藉测定其氮元素含量来间接推算,不肖厂商在奶粉中添加三聚氰胺(C3H6N6)以造成蛋白质含量较高的假象。
可燃冰——天然气水合物,主要是甲烷在低温高压(0℃、26大气压或10℃、76大气压)的环境下,被笼状架构的水分子包含而形成类似冰晶的白色固体,广泛分布在极区的永冻层及大陆边缘的深水海域地层中。常温常压下,1体积甲烷水合物通常可分解产生150—170体积的甲烷和0.8体积的水,一旦遇到火源就可以持续燃烧,形成冰火共存的特异现象,因而俗称“可燃冰”或“甲烷冰”。全球天然气水合物的甲烷总量大约为两万兆立方米,其中所含的有机碳总量达到十兆吨,约为目前已知全球化石燃料能源中有机碳总储量的两倍。由于天然气水合物具有分布广,储量大及洁净等优势,被视为21世纪最有潜力的替代能源。但可燃冰埋藏在海底的岩石中,不易开采与运输,一旦开采不慎,极可能造成海岸线海底边坡的流失,导致海床崩塌或滑移等地质灾害,甚至可能产生海啸,大量释出的甲烷逸出海面进入大气层,所造成的温室效应将比二氧化碳更加严重。
安全气囊——汽车常装有安全气囊,当强烈碰撞时,气囊中的雷管发生爆炸,瞬间引起下列反应:2NaN3→2Na+3N2,所产生的气体快速充满气囊,可达到保护车内人员安全的目的。
水管通畅剂——市售的“通乐”等水管通畅剂,其作用原理是利用金属与强碱溶液间的氧化还原反应。原料可用小铝片(或粉末)与氢氧化钠固体小颗粒制成,只要保持干燥,两者不易自行起反应。使用时,只要在水管口倒入适量通畅剂并加入适量的水,便可使反应迅速进行,过程中会产生大量氢气并伴随释放热量。反应式如下:2Al(s)+2NaOH(s)+6H2O(l)→2Na+(aq)+2Al(OH)4-(aq)+3H2(g)
钡剂X光摄影术——基本原理是利用钡有较大的原子量,可以吸收较多的X光,使其难以穿透,便可在X光片上得到更清楚的显影,专业的医师据肠道外形可更清楚地判断是否有溃疡或肿块。但溶液中的钡离子对人体有毒,即使难溶的硫酸钡在水中只会产生很少量的钡离子。为了降低不必要的风险,可服用过量的硫酸钠。
台湾高中化学教材印象(五)
据教材编写者说明,高一基础化学为必修课程,内容以通识为主,教材与生活结合,期能引起兴趣,获得一个现代人的基本科学素养。高二化学内容则以探索学生性向为目标,以观察性及归纳性化学题材为主,以激发学生继续选修的兴趣,并能鉴别其性向。高三则进入分流阶段,教材内容以基本概念与理论为主。
这种将一门高中课程分割为通识与分流两段的做法或许是对的,理由是大部分学生学理论属于浪费,而大部分学生不学化学又不现代。这也与大陆上海等地如出一辙。由此产生的矛盾却很尖锐。一是在通识阶段,会有大量(甚至多数)学生将化学(或物理等)提前放弃,索性不学(连糨糊都不捣),因为“反正以后不考化学”,因为那点通识其实不用教,少数内容真有用时看报纸或上网都能略知一二。有关部门为此设立“会考”,逼学生通识,结果吃苦头比学生更甚的是教师,得求着那些实在不愿学的学生好歹捣捣糨糊去考个及格。二是高三阶段,选修化学的学生立马感觉到两段间的台阶实在太高太突兀,理论门坎很难跨越。上海一些学校应对该难题的办法是违规提前分科,高二就将学生分编为物理班、化学班、历史班等。更多的学校则在高二加设选修课,一门课通识两节,走班选修三节或更多,实际上也是提前分科。
从教材看不出台湾怎么解决这个矛盾。访台期间观察到台湾的补习学校非常普及,大量学生(三分之一或更多)要通过长期补习才能考入理想的大学,窃以为这种现象与理想主义的两段分割密切相关。
比如台湾高三选修化学中有弱酸与弱碱的滴定(包括多元弱酸的滴定),其当量点(等当点)是个缓冲溶液,于是教材中又介绍缓冲溶液及其pH的计算。可是在它的基础化学中甚至连Ka、Kb的表述都没有,能跨上这个台阶的学生应该属于少数精英了。
稀溶液的依数性是很经典也很基本的化学知识,是溶液中定量化学的基础,台湾选修化学中有专门的一章学习它,说明编写者是真懂化学的。可惜不知道学生怎么理解饱和蒸气压、渗透压、三相图、依数性等概念,它们在基础化学中完全没有踪影。
如果基础化学中连电子云都没有解释,怎么学习混成轨域(杂化轨道)及其与分子形状间的关系呢?
氧化还原反应是化学反应中最重要的一类,对该类反应最本质的剖析是半电池反应及其电极电位,所以台湾高中选修教材讲述了标准电极与电池的电动势(包括氧化电位与还原电位、参考电极、由半电池的反应与电位求得组成电池的反应与电位等),但看来学生之前完全没有这方面的初级知识准备。突兀的例子还有金属晶体的结构(体心立方、面心立方及六方最密堆积三种最主要金属晶形),它们都象一座座高山,海边的孩子连3000米的拉萨都没见过,直接要去爬8000米,真挺为难的。
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