浅谈科学探究与中学化学教学.ppt

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1、浅谈科学探究与中学化学教学浅谈科学探究与中学化学教学南师大化学与环境科学学院南师大化学与环境科学学院 周志华周志华相关内容 1.科学的本质科学的本质 2.认识科学问题研究的复杂性认识科学问题研究的复杂性 一个多变量的复杂体系一个多变量的复杂体系3.为什么要加强科学探究为什么要加强科学探究 4.我国的高考与素质教育我国的高考与素质教育5.深化基础教育化学课程改革的一些建议深化基础教育化学课程改革的一些建议一、科学的本质一、科学的本质 科学本质的阐述一般为：科学本质的阐述一般为：科学本质的阐述一般为：科学本质的阐述一般为：科学知识是可信的，同科学知识是可信的，同科学知识是可信的，同科学知识是可信的

2、，同时又是试探性的；科学知识非常（不是完全）依赖于时又是试探性的；科学知识非常（不是完全）依赖于时又是试探性的；科学知识非常（不是完全）依赖于时又是试探性的；科学知识非常（不是完全）依赖于观察、实验证据、理性的辩论和质疑；不存在一种做观察、实验证据、理性的辩论和质疑；不存在一种做观察、实验证据、理性的辩论和质疑；不存在一种做观察、实验证据、理性的辩论和质疑；不存在一种做科学的唯一方法科学的唯一方法科学的唯一方法科学的唯一方法；科学试图解释自然现象；定律和理科学试图解释自然现象；定律和理科学试图解释自然现象；定律和理科学试图解释自然现象；定律和理论在科学中具有不同的角色；所有文化背景的人都对论在

3、科学中具有不同的角色；所有文化背景的人都对论在科学中具有不同的角色；所有文化背景的人都对论在科学中具有不同的角色；所有文化背景的人都对科学有贡献；应清楚地、开放地报告新知识；科学有贡献；应清楚地、开放地报告新知识；科学有贡献；应清楚地、开放地报告新知识；科学有贡献；应清楚地、开放地报告新知识；科学家科学家科学家科学家需要精确的记录保存、同事评议，科学结果有可重复需要精确的记录保存、同事评议，科学结果有可重复需要精确的记录保存、同事评议，科学结果有可重复需要精确的记录保存、同事评议，科学结果有可重复性；观察建立在理论的基础上性；观察建立在理论的基础上性；观察建立在理论的基础上性；观察建立在理论的

4、基础上；科学家是创造性的人；科学家是创造性的人；科学家是创造性的人；科学家是创造性的人；科学的历史既是进化的，又具有革命性；科学的历史既是进化的，又具有革命性；科学的历史既是进化的，又具有革命性；科学的历史既是进化的，又具有革命性；科学是社会科学是社会科学是社会科学是社会和文化传统的一部分和文化传统的一部分和文化传统的一部分和文化传统的一部分；科学和技术相互作用；科学观科学和技术相互作用；科学观科学和技术相互作用；科学观科学和技术相互作用；科学观点受社会和历史背景的影响。点受社会和历史背景的影响。点受社会和历史背景的影响。点受社会和历史背景的影响。1.1.科学反映自然界事物的内在联系，具有解科

5、学反映自然界事物的内在联系，具有解释和预见的功能，有相对的稳定性释和预见的功能，有相对的稳定性 科学的研究对象科学的研究对象科学的研究对象科学的研究对象自然界是客观的，科学自然界是客观的，科学自然界是客观的，科学自然界是客观的，科学家依照一定的科学方法提出科学的假说，然后运家依照一定的科学方法提出科学的假说，然后运家依照一定的科学方法提出科学的假说，然后运家依照一定的科学方法提出科学的假说，然后运用事实证据进行验证，并运用已有的理论加以解用事实证据进行验证，并运用已有的理论加以解用事实证据进行验证，并运用已有的理论加以解用事实证据进行验证，并运用已有的理论加以解释，建立一定的理论。这些被人们公

6、认的科学理释，建立一定的理论。这些被人们公认的科学理释，建立一定的理论。这些被人们公认的科学理释，建立一定的理论。这些被人们公认的科学理论总结和描述了客观事物的内在联系，能够解释论总结和描述了客观事物的内在联系，能够解释论总结和描述了客观事物的内在联系，能够解释论总结和描述了客观事物的内在联系，能够解释客观规律并预见其未来的发展。客观规律并预见其未来的发展。客观规律并预见其未来的发展。客观规律并预见其未来的发展。随着新的实验事实的随着新的实验事实的随着新的实验事实的随着新的实验事实的不断发现，一些模型和理论也在变化发展着。不断发现，一些模型和理论也在变化发展着。不断发现，一些模型和理论也在变化

7、发展着。不断发现，一些模型和理论也在变化发展着。2.2.科学理论必须接受实践的检验。科学理论必须接受实践的检验。科学不相信权威，没有一个科学家有权利判科学不相信权威，没有一个科学家有权利判科学不相信权威，没有一个科学家有权利判科学不相信权威，没有一个科学家有权利判决谁的理论更正确或更接近真理，无论他多么著决谁的理论更正确或更接近真理，无论他多么著决谁的理论更正确或更接近真理，无论他多么著决谁的理论更正确或更接近真理，无论他多么著名或多么受人尊敬。任何科学成果都应当是可以名或多么受人尊敬。任何科学成果都应当是可以名或多么受人尊敬。任何科学成果都应当是可以名或多么受人尊敬。任何科学成果都应当是可以

8、重复的，并最终能接受实践的检验。检验的证据重复的，并最终能接受实践的检验。检验的证据重复的，并最终能接受实践的检验。检验的证据重复的，并最终能接受实践的检验。检验的证据来自于在自然或者实验室环境中对现象的观察和来自于在自然或者实验室环境中对现象的观察和来自于在自然或者实验室环境中对现象的观察和来自于在自然或者实验室环境中对现象的观察和测量。由于观察和实验不可能绝对客观，因此要测量。由于观察和实验不可能绝对客观，因此要测量。由于观察和实验不可能绝对客观，因此要测量。由于观察和实验不可能绝对客观，因此要努力分析偏见的可能来源，并尽量避免和减少偏努力分析偏见的可能来源，并尽量避免和减少偏努力分析偏见

9、的可能来源，并尽量避免和减少偏努力分析偏见的可能来源，并尽量避免和减少偏见的存在及其影响。见的存在及其影响。见的存在及其影响。见的存在及其影响。20202020世纪物理学世纪物理学世纪物理学世纪物理学得到了长足得到了长足得到了长足得到了长足的发展，的发展，的发展，的发展，这个过这个过这个过这个过程程程程被李政道称之为被李政道称之为被李政道称之为被李政道称之为”简化归纳简化归纳简化归纳简化归纳”，或称之为，或称之为，或称之为，或称之为”还原论还原论还原论还原论”。认为：物质是由原子组成，原子是。认为：物质是由原子组成，原子是。认为：物质是由原子组成，原子是。认为：物质是由原子组成，原子是由电子与

10、原子核组成，原子核是由中子、质子由电子与原子核组成，原子核是由中子、质子由电子与原子核组成，原子核是由中子、质子由电子与原子核组成，原子核是由中子、质子组成，中子、质子是由基本粒子组成。于是关组成，中子、质子是由基本粒子组成。于是关组成，中子、质子是由基本粒子组成。于是关组成，中子、质子是由基本粒子组成。于是关注于基本粒子的类型、行为与性质。就是这样注于基本粒子的类型、行为与性质。就是这样注于基本粒子的类型、行为与性质。就是这样注于基本粒子的类型、行为与性质。就是这样由大到小的探索。因为人们相信，只有了解了由大到小的探索。因为人们相信，只有了解了由大到小的探索。因为人们相信，只有了解了由大到小

11、的探索。因为人们相信，只有了解了基本粒子，才有可能进一步了解丰富多彩的宇基本粒子，才有可能进一步了解丰富多彩的宇基本粒子，才有可能进一步了解丰富多彩的宇基本粒子，才有可能进一步了解丰富多彩的宇宙万物。宙万物。宙万物。宙万物。现在我们知道一切物质都是由现在我们知道一切物质都是由现在我们知道一切物质都是由现在我们知道一切物质都是由12121212种基本粒子组种基本粒子组种基本粒子组种基本粒子组成。它们分成夸克和轻子两类。夸克有成。它们分成夸克和轻子两类。夸克有成。它们分成夸克和轻子两类。夸克有成。它们分成夸克和轻子两类。夸克有6 6 6 6种，它们组种，它们组种，它们组种，它们组成了质子成了质子成

12、了质子成了质子(uuduuduuduud)和中子和中子和中子和中子(uddudduddudd)。轻子也分轻子也分轻子也分轻子也分6 6 6 6种。种。种。种。夸克包括下、上、奇异、粲、底、顶种夸克包括下、上、奇异、粲、底、顶种夸克包括下、上、奇异、粲、底、顶种夸克包括下、上、奇异、粲、底、顶种 轻子则包括电子、电子中微子、轻子则包括电子、电子中微子、轻子则包括电子、电子中微子、轻子则包括电子、电子中微子、子（缪子）、子（缪子）、子（缪子）、子（缪子）、子中微子中微子中微子中微子、子、子、子、子（陶子）和子（陶子）和子（陶子）和子（陶子）和 子中微子子中微子子中微子子中微子 物质间的相互作用有三

13、种，物质间的相互作用有三种，物质间的相互作用有三种，物质间的相互作用有三种，即强相互作用、电即强相互作用、电即强相互作用、电即强相互作用、电的的的的弱相互作用和引力相互作用弱相互作用和引力相互作用弱相互作用和引力相互作用弱相互作用和引力相互作用.于是复杂的宇宙万物由于是复杂的宇宙万物由于是复杂的宇宙万物由于是复杂的宇宙万物由12121212种基本粒子通过三大相种基本粒子通过三大相种基本粒子通过三大相种基本粒子通过三大相互作用构成。这是互作用构成。这是互作用构成。这是互作用构成。这是20202020世纪的世纪的世纪的世纪的“简单归纳简单归纳简单归纳简单归纳”或或或或“还原论还原论还原论还原论”取

14、得的成就。取得的成就。取得的成就。取得的成就。人类真的了解世界了吗？人类真的了解世界了吗？暗能量暗能量 2003/12/232003/12/23的的的的ScienceScience，将，将，将，将暗能量的发现暗能量的发现暗能量的发现暗能量的发现评为该年评为该年评为该年评为该年度最重大的科学突破。度最重大的科学突破。度最重大的科学突破。度最重大的科学突破。通过观测发现，宇宙正在膨胀，而且正在通过观测发现，宇宙正在膨胀，而且正在通过观测发现，宇宙正在膨胀，而且正在通过观测发现，宇宙正在膨胀，而且正在加速膨加速膨加速膨加速膨胀胀胀胀。宇宙大爆炸引起宇宙膨胀是可以理解的，但。宇宙大爆炸引起宇宙膨胀是可

15、以理解的，但。宇宙大爆炸引起宇宙膨胀是可以理解的，但。宇宙大爆炸引起宇宙膨胀是可以理解的，但由于由于由于由于万有引力，宇宙的膨胀速度应愈来愈小，可是事实正万有引力，宇宙的膨胀速度应愈来愈小，可是事实正万有引力，宇宙的膨胀速度应愈来愈小，可是事实正万有引力，宇宙的膨胀速度应愈来愈小，可是事实正好相反。好相反。好相反。好相反。于是，得出了宇宙中还有一种不为人知的能于是，得出了宇宙中还有一种不为人知的能于是，得出了宇宙中还有一种不为人知的能于是，得出了宇宙中还有一种不为人知的能量存在，被称为暗能量。量存在，被称为暗能量。量存在，被称为暗能量。量存在，被称为暗能量。暗能量是促使宇宙加速膨胀的动力。暗能

16、量是促使宇宙加速膨胀的动力。暗能量是促使宇宙加速膨胀的动力。暗能量是促使宇宙加速膨胀的动力。暗能量暗能量暗能量暗能量是是是是19981998年提出的，并被一系列的观测结果所证实，年提出的，并被一系列的观测结果所证实，年提出的，并被一系列的观测结果所证实，年提出的，并被一系列的观测结果所证实，特别是特别是特别是特别是近年来绕地球运行的威尔金森微波各向异近年来绕地球运行的威尔金森微波各向异近年来绕地球运行的威尔金森微波各向异近年来绕地球运行的威尔金森微波各向异性探测器性探测器性探测器性探测器(WMAP)(WMAP)及斯隆数字天文台的观测结果。及斯隆数字天文台的观测结果。及斯隆数字天文台的观测结果。

17、及斯隆数字天文台的观测结果。这些结果不仅证实了加速膨胀的结论这些结果不仅证实了加速膨胀的结论这些结果不仅证实了加速膨胀的结论这些结果不仅证实了加速膨胀的结论。而且还解。而且还解。而且还解。而且还解决了关于宇宙年龄、膨胀速度、宇宙组成等的长决了关于宇宙年龄、膨胀速度、宇宙组成等的长决了关于宇宙年龄、膨胀速度、宇宙组成等的长决了关于宇宙年龄、膨胀速度、宇宙组成等的长期争论。天文学家现在相信宇宙年龄是期争论。天文学家现在相信宇宙年龄是期争论。天文学家现在相信宇宙年龄是期争论。天文学家现在相信宇宙年龄是137137亿年。亿年。亿年。亿年。暗物质暗物质 根据天文观察结果，并通过万有引力可以估根据天文观察

18、结果，并通过万有引力可以估根据天文观察结果，并通过万有引力可以估根据天文观察结果，并通过万有引力可以估计星系质量，实际上所有星系都表现出具有更大的计星系质量，实际上所有星系都表现出具有更大的计星系质量，实际上所有星系都表现出具有更大的计星系质量，实际上所有星系都表现出具有更大的质量。于是就提出了暗物质的假设。质量。于是就提出了暗物质的假设。质量。于是就提出了暗物质的假设。质量。于是就提出了暗物质的假设。星系的直径通星系的直径通星系的直径通星系的直径通常是几千到几万光年。星系之外，很少有物质，偶常是几千到几万光年。星系之外，很少有物质，偶常是几千到几万光年。星系之外，很少有物质，偶常是几千到几万

19、光年。星系之外，很少有物质，偶尔有星或气云。这些星或气云被星系的万有引力所尔有星或气云。这些星或气云被星系的万有引力所尔有星或气云。这些星或气云被星系的万有引力所尔有星或气云。这些星或气云被星系的万有引力所吸引，都围绕星系旋转。旋转产生的离心力与星系吸引，都围绕星系旋转。旋转产生的离心力与星系吸引，都围绕星系旋转。旋转产生的离心力与星系吸引，都围绕星系旋转。旋转产生的离心力与星系与该星的万有引力相等，故有与该星的万有引力相等，故有与该星的万有引力相等，故有与该星的万有引力相等，故有v2=GM/rv2=GM/r，这就是说，这就是说，这就是说，这就是说，星距离星系愈远，其转速愈小。星距离星系愈远，

20、其转速愈小。星距离星系愈远，其转速愈小。星距离星系愈远，其转速愈小。而对而对而对而对NGC3192NGC3192星系及其他星系及其他星系及其他星系及其他4545个星系的测量结果个星系的测量结果个星系的测量结果个星系的测量结果表明，表明，表明，表明，远离星系的星，其转速不是减小，且无一例远离星系的星，其转速不是减小，且无一例远离星系的星，其转速不是减小，且无一例远离星系的星，其转速不是减小，且无一例外的增加，包恬我们的银河系。外的增加，包恬我们的银河系。外的增加，包恬我们的银河系。外的增加，包恬我们的银河系。这些观测结果证明这些观测结果证明这些观测结果证明这些观测结果证明暗物质的存在。并且可以推

21、算暗物质的质量。暗物质的存在。并且可以推算暗物质的质量。暗物质的存在。并且可以推算暗物质的质量。暗物质的存在。并且可以推算暗物质的质量。我们我们我们我们可以通过辐射和引力感知物质的存在，但我们只能可以通过辐射和引力感知物质的存在，但我们只能可以通过辐射和引力感知物质的存在，但我们只能可以通过辐射和引力感知物质的存在，但我们只能通过引力感知暗物质的存在。通过引力感知暗物质的存在。通过引力感知暗物质的存在。通过引力感知暗物质的存在。这可以作为这可以作为21世纪面临的世纪面临的科技挑战之一科技挑战之一 迄今人类只认识宇宙的迄今人类只认识宇宙的5%5%，占宇，占宇宙宙30%30%的暗物质、占的暗物质、

22、占65%65%的暗能量最近的暗能量最近被发现，但对其一无所知，这对人类被发现，但对其一无所知，这对人类当代科学提出了严重挑战。当代科学提出了严重挑战。根据当前人们的估计，根据当前人们的估计，根据当前人们的估计，根据当前人们的估计，30%30%的宇宙是暗物质，的宇宙是暗物质，的宇宙是暗物质，的宇宙是暗物质，65%65%的宇宙是暗能量。通过望远镜观察到的近的宇宙是暗能量。通过望远镜观察到的近的宇宙是暗能量。通过望远镜观察到的近的宇宙是暗能量。通过望远镜观察到的近20002000亿个星系，每个星系中又有亿个星系，每个星系中又有亿个星系，每个星系中又有亿个星系，每个星系中又有20002000亿个星球，

23、亿个星球，亿个星球，亿个星球，再加上弥漫太空中的氢、氦、中微子等，而这些再加上弥漫太空中的氢、氦、中微子等，而这些再加上弥漫太空中的氢、氦、中微子等，而这些再加上弥漫太空中的氢、氦、中微子等，而这些总加起来，仅占宇宙的总加起来，仅占宇宙的总加起来，仅占宇宙的总加起来，仅占宇宙的5%5%。我们原来认识的由电我们原来认识的由电我们原来认识的由电我们原来认识的由电子、质子、中子构成的物质世界，仅占宇宙的子、质子、中子构成的物质世界，仅占宇宙的子、质子、中子构成的物质世界，仅占宇宙的子、质子、中子构成的物质世界，仅占宇宙的5%5%，还有还有还有还有95%95%的宇宙是未知的，这对人类而言，是的宇宙是未

24、知的，这对人类而言，是的宇宙是未知的，这对人类而言，是的宇宙是未知的，这对人类而言，是多么大的挑战！多么大的挑战！多么大的挑战！多么大的挑战！宇宙的组成宇宙的组成 挑战之二：挑战之二：挑战之二：挑战之二：人类基因组计划的完成，标志着进入揭示生命人类基因组计划的完成，标志着进入揭示生命人类基因组计划的完成，标志着进入揭示生命人类基因组计划的完成，标志着进入揭示生命奥秘的新起点奥秘的新起点奥秘的新起点奥秘的新起点从定量化和从定量化和从定量化和从定量化和“整体统一整体统一整体统一整体统一”的角度的角度的角度的角度去研究生命现象。去研究生命现象。去研究生命现象。去研究生命现象。(分子分子分子分子细胞细

25、胞细胞细胞组织组织组织组织器官器官器官器官生生生生物体）物体）物体）物体）挑战之三：挑战之三：挑战之三：挑战之三：信息量的爆炸性增长，微电子技术的发展逼近信息量的爆炸性增长，微电子技术的发展逼近信息量的爆炸性增长，微电子技术的发展逼近信息量的爆炸性增长，微电子技术的发展逼近极限。最近英特公司宣告，极限。最近英特公司宣告，极限。最近英特公司宣告，极限。最近英特公司宣告，20192019年后，线度将达年后，线度将达年后，线度将达年后，线度将达1616纳米，由于量子效应和热耗散，无法用传统方式调纳米，由于量子效应和热耗散，无法用传统方式调纳米，由于量子效应和热耗散，无法用传统方式调纳米，由于量子效应

26、和热耗散，无法用传统方式调控电子，将表明莫尔时代的终结。控电子，将表明莫尔时代的终结。控电子，将表明莫尔时代的终结。控电子，将表明莫尔时代的终结。1964年年Intel公司的莫尔公司的莫尔(G E Moore)提出，芯片的集成提出，芯片的集成度度(芯片上的元件数芯片上的元件数)每每18个月翻一翻，相应的线宽每个月翻一翻，相应的线宽每18个月缩小个月缩小1.41倍，这在后来被称为莫尔定律倍，这在后来被称为莫尔定律.最近英特公司宣告，最近英特公司宣告，2019年后，线度达年后，线度达16纳米，由纳米，由于量子效应和热耗散，微电子技术逼近极限，这表于量子效应和热耗散，微电子技术逼近极限，这表明莫尔时

27、代的终结。明莫尔时代的终结。下一代技术是什么？下一代技术是什么？分子电子学分子电子学!挑战之四：挑战之四：挑战之四：挑战之四：纳米纳米纳米纳米(N Nanoano),),生物生物生物生物(B Bio),io),信息信息信息信息(I Info),nfo),认知认知认知认知(C Cogniogni)(NBIC)(NBIC)四大领域汇聚，将引发人类整体能力的飞跃。四大领域汇聚，将引发人类整体能力的飞跃。四大领域汇聚，将引发人类整体能力的飞跃。四大领域汇聚，将引发人类整体能力的飞跃。Converging Technologies for Improving Human Converging Techn

28、ologies for Improving Human Performance Performance Nanotechnology,Biotechnology,Information Nanotechnology,Biotechnology,Information Technology and Cognitive ScienceTechnology and Cognitive Science2 2，随随随随着着着着新新新新的的的的实实实实验验验验事事事事实实实实的的的的不不不不断断断断发发发发现现现现，一一一一些些些些概概概概念念念念也也也也在变化发展着，例如在变化发展着，例如在变化发展着，

29、例如在变化发展着，例如氢键概念的不断拓展氢键概念的不断拓展氢键概念的不断拓展氢键概念的不断拓展：氢的新键型氢的新键型氢的新键型氢的新键型共共共共价价价价键键键键、离离离离子子子子键键键键、金金金金属属属属键键键键、氢氢氢氢键键键键、氢氢氢氢分分分分子子子子配配配配键键键键、缺电子多中心桥键、缺电子多中心桥键、缺电子多中心桥键、缺电子多中心桥键、HH-配键、配键、配键、配键、C-H-MC-H-M桥键桥键桥键桥键氢键：氢键：氢键：氢键：X-HYX-HY质子给体质子给体质子给体质子给体 O-HO-H，N-HN-H质子受体（带有孤对电子的质子受体（带有孤对电子的质子受体（带有孤对电子的质子受体（带有孤

30、对电子的OO、N N等）等）等）等）X X、Y Y可以是可以是可以是可以是F F、OO、N N、ClCl 或或或或C C等电负性高的原子等电负性高的原子等电负性高的原子等电负性高的原子 X-HX-H氢键氢键氢键氢键 芳香氢键芳香氢键芳香氢键芳香氢键 多肽结构多肽结构多肽结构多肽结构 生物体内部生物体内部生物体内部生物体内部 X-HMX-HM氢键氢键氢键氢键 X-HH-YX-HH-Y二氢键二氢键二氢键二氢键X-HX-H氢键氢键氢键氢键 芳香氢键芳香氢键芳香氢键芳香氢键 多肽结构多肽结构多肽结构多肽结构 生物体内部生物体内部生物体内部生物体内部X-HM氢键氢键 X-HH-Y二氢键二氢键DNA结构结

31、构蛋白质的螺旋状结构蛋白质的螺旋状结构氢键对化合物性质的影响氢键对化合物性质的影响（1 1）对沸点和熔点的影响）对沸点和熔点的影响 分子间氢键使物质的熔点和沸点升高；分子间氢键使物质的熔点和沸点升高；分子内氢键一般使化合物的熔点和沸点分子内氢键一般使化合物的熔点和沸点降低。降低。例例如如：硝硝基基苯苯酚酚的的三三个个异异构构体体，其其中中邻邻硝硝基基苯苯酚酚生生成成分分子子内内氢氢键键，不不能能再再与与其其它它邻邻硝硝基基苯苯酚酚分分子子和和水水分分子子生生成成分分子子间间氢氢键键，因因此此邻邻硝硝基基苯苯酚酚容容易易挥挥发发且且不不溶溶于于水水，间间和和对对硝硝基基苯苯酚酚不不仅仅分分子子之

32、之间间能能生生成成氢氢键键，且且与与水水分分子子之之间间也也能能生生成成氢氢键键。由由于于分分子子间间氢氢键键能能够够降降低低物物质质的的蒸蒸气气压压，利利用用它它们们的的这这种种差差别别，可可用用水水蒸蒸汽汽蒸蒸馏馏方方法将邻位异构体与间、对位异构体分开。法将邻位异构体与间、对位异构体分开。（2 2）对溶解度的影响）对溶解度的影响 在极性溶剂中，若溶质分子与溶剂分子在极性溶剂中，若溶质分子与溶剂分子形成氢键，则使溶质的溶解度增大；若溶形成氢键，则使溶质的溶解度增大；若溶质分子内有氢键存在，则在极性溶剂中溶质分子内有氢键存在，则在极性溶剂中溶解度减小，而在非极性溶剂中溶解度增加。解度减小，而在

33、非极性溶剂中溶解度增加。例题例题1 1 氯氯仿仿在在苯苯中中的的溶溶解解度度明明显显比比1 1，1 1，1 1三三氯氯乙乙烷烷的的大大，请请给给出出一一种种可可能能的的原原因（含图示）。因（含图示）。解答：解答：CHCl3的氢原子与苯环的共軛电子形成氢的氢原子与苯环的共軛电子形成氢键。键。氢键的拓展：氢键的拓展：X-H 例题例题2 2 咖咖啡啡因因对对中中枢枢神神经经有有兴兴奋奋作作用用，其其结结构构式式如如下下。常常温温下下，咖咖啡啡因因在在水水中中的的溶溶解解度度为为2g/100g 2g/100g H H2 2O O，加加适适量量水水杨杨酸酸钠钠CC6 6H H4 4(OH)(COONa)

34、(OH)(COONa)，由由于于形形成成氢氢键键而而增增大大咖咖啡啡因因的的溶溶解解度度。请请在在附附图图上上添添加加水杨酸钠与咖啡因形成的氢键。水杨酸钠与咖啡因形成的氢键。例题例题3 3 丙丙 酮酮 在在 己己 烷烷 和和 三三 氟氟 甲甲 烷烷 中中 均均 易易 溶溶 解解，其其 中中 中溶解的热效应较大，因为中溶解的热效应较大，因为 。三氟甲烷分子结构中三氟甲烷分子结构中CFCF3 3是一个强吸电子是一个强吸电子基团，故基团，故C C原子上的原子上的H H也几乎成了裸露的质也几乎成了裸露的质子，这样，三氟甲烷与丙酮形成了氢键，从子，这样，三氟甲烷与丙酮形成了氢键，从而导致丙酮在三氟甲烷中

35、溶解时，产生的热而导致丙酮在三氟甲烷中溶解时，产生的热效应较大。效应较大。氢键对分子堆积方式的影响氢键对分子堆积方式的影响3.材料合成方法的不断发展材料合成方法的不断发展-金刚石合成的进展金刚石合成的进展金刚石的特性和应用 1、金刚石具有极其优异的力学性能，它是目前已知材料中硬度最高的材料 2、金刚石薄膜是优异的宽带隙半导体电子材料。3、金刚石是世界上所有物质中导热率最高的物质。用它作为传热，散热材料具有最好的性能 4、金刚石具有好的化学稳定性，能耐各种温度下的非氧化性酸。金刚石的成分是碳，无毒，对含有大量碳的人体不起排异反应，加上它的惰性，又与血液和其他流体不起反应人工合成金刚石的方法人工合

36、成金刚石的方法-如何使如何使 原来物质中的化学键断裂生成金刚石中的碳碳键原来物质中的化学键断裂生成金刚石中的碳碳键 1、高温高压法（HTHP法）2、化学气相沉积法（CVD法）3、炸药爆炸合成金刚石纳米粉 4、金属溶剂热解还原催化合成金刚石(一)HPHT法(由碳元素的单质石墨制成金刚石）模拟自然过程，让石墨在高温高压的环境下转变成金刚石。从热力学角度看,在室温常压下,石墨是碳的稳定相,金刚石是碳的不稳定相;而且金刚石与石墨之间存在着巨大的能量势垒(见图1),要将石墨转化为金刚石,必须克服这个能量势垒。图图1 金刚石与石墨之间的能量势垒示意图金刚石与石墨之间的能量势垒示意图从动力学分析石墨转化为金

37、刚石的速度H.Eyring等根据绝对反应速度理论推导出金刚石石墨过程中，T,P对转化速度的关系（也适合石墨金刚石）C金刚石 C*活化络合物 C石墨Log速度=常数 V*P RT式中V*=V*活化络合物 V金刚石从式中分析：压力P的增加，不利于反应速度 温度T的增加，有利于反应速度动力学要求：T 有利于石墨转变为金刚石的速度热力学要求：T 不利于金刚石的热力学稳定性，此时必须 要增加压力增高压力又不利于“转变”的反应速度。解决途径解决途径：在金刚石的热力学稳定区寻找合适条件，使在金刚石的热力学稳定区寻找合适条件，使反应在反应在 短时间内完成，使用合适的溶剂如短时间内完成，使用合适的溶剂如FeS、

38、Fe或或Ni等。等。装置：该设备可达装置：该设备可达 100,000大气压，大气压，2500C（估计可达估计可达7000K）选选择温度择温度 1650 C、95000大气压。大气压。反应样品：石墨与金属板或石墨与：石墨与金属板或石墨与Ni粉或石墨与粉或石墨与族金属组成，族金属组成，通通 过电阻加热直径为过电阻加热直径为40 mm的反应室圆筒，该设备寿命约的反应室圆筒，该设备寿命约 为为1001000次循环使用，冷却后，金刚石与金属可用酸次循环使用，冷却后，金刚石与金属可用酸 溶解金属分开，合成金刚石平均大小为溶解金属分开，合成金刚石平均大小为0.050.5mm。目目 前每年合成金刚石前每年合成

39、金刚石100吨作工业应用吨作工业应用。从图中我们可以看到在常温298K时，石墨转化成金刚石所需压力为13000大气压以上；在1200K时，石墨转化成金刚石所需压力为40,000大气压。通过添加金属催化剂如Fe、Co、Ni、Mn、Cr等可以使转化温度和压力从3,000K，150，000atm下降到1,600K，60,000atm。2.化学气相沉积（CVD法）-在低压下使气态含碳化合物中的化学键断裂，含碳基团沉积生成金刚石。化学气相沉积,是通过含有被生成薄膜所含元素的挥发性化合物与其它气相物质的化学反应产生非挥发性的固相物质并使之以原子态沉积在置于适当位置的衬底上,从而形成所要求的材料。化学气相沉

40、积过程包括反应气体的激发和活性物质的沉积两个步骤。图图3 CVD中反应气体激发示意图中反应气体激发示意图 图图4 CVD金刚石沉积过程示意图金刚石沉积过程示意图（1）反应气体的激发反应气体的选择（能提供碳元素）反应气体的选择（能提供碳元素）理论上理论上反应气可以是脂肪烃、芳香烃、醇以及酮。烃的化学性质是关键性的。常用的是将 CH4稀释在过量的氢气中,典型比例为1-2V%CH4和98%V的氢气。反应气体的裂化能使分子中反应气体的裂化能使分子中的化学键断裂）的化学键断裂）有加热方式(如热丝)、电子放电(如直流、射频或微波)、或燃烧火焰(如氧乙炔炬)。a.a.热丝热丝CVDCVD法法：该方法利用高温

41、(2000K左右)热丝(钨丝、钽丝)将CH4和H2的混合气体解离和激发，得到含碳活性基团和激发态的H原子。碳在基底上沉积形成金刚石薄膜。许多碳氢化合物如乙醇、丙酮等也都可以利用.相对较便宜,且容易操作,能以约1-110-1的速率沉积质量比较高的多晶金刚石。缺点：缺点：热丝对氧化性和腐蚀性气体极为敏感,这样限制了参与反应的气体种类；又因为热丝是金属材料,不可避免地会污染金刚石薄膜。如果金刚石薄膜仅仅用于机械领域,10-5级的金属不纯物并不是严重问题,但若应用于电子领域,这种不纯是无法接受的。而且,由于是靠热激发,使得等离子体密度不高,这也限制了通过施加偏压以提高生长速率和金刚石薄膜的取向生长。b

42、.b.微波等离子体微波等离子体()微波等离子体反应器的沉积环境基本与相似,尽管造价昂贵,但却是目前用于金刚石生长最为广泛的方法。最常用的反应器是型和型反应器。微波反应器较其它类型反应器的优势优势是能使用种类更为广泛的反应气体,包括高含量的氧,也能使用含氯或氟的气体;由于不含有热丝,使得比更加洁净,因而法成为用作电子应用金刚石膜的首选方法.“NIRIM Type”Microwave Reactor“ASTEX Type”Microwave reactorc.c.等离子体炬等离子体炬：在20世纪80年代中后期发明的等离子体炬,与传统的低压、相比也有一些优势。等离子体炬的气体流量非常高(以/为单位而

43、不是和系统的以/为单位)。最常用的等离子体炬是直流电弧喷射,它是用高而又非常稳定的电流来使流经的气体离子化。优点：优点：是生长金刚石膜的速率最高,达900-1,比和高出3个数量级。缺点：缺点：是高能量消耗、高设备损耗,且沉积面积取决于喷射弧的大小(一般为12),基片的冷却也很困难.因为在如此高能量系统中保持均匀一致的温度是很困难的,即使有非常好的冷却。但由于喷射弧的点燃与熄灭所带来的巨大热冲击,使得很多材料不能用作基片,如太脆,易在热冲击时碎裂,所以基片材料通常为金属钼,但即使用钼,当炬熄灭时基片的快速收缩会使得金刚石膜从钼基片上脱落而成为自支撑的金刚石片。如果是强调附着力的涂层,这个问题就十

44、分严重;另一方面,若是要制备自支撑的金刚石片,这种方法却又是十分合适的。其它一些生长金刚石薄膜的沉积方法也取得了一定的成功,包括：射频放电法、激光辅助D,脉冲激光沉积等。但就目前来看,法仍是高速率、高质量、大面积沉积金刚石薄膜的首选方法。成都理工大学金刚石薄膜实验室直流弧光放电等离子体CVD法金刚石镀膜设备金刚石薄膜基体材料的选择对于生长高质量的金刚石膜至关重要,选择合适的基体材料要从晶格匹配、热膨胀系数相近、基体与碳的作用类型等方面进行考虑。图7 硅上生长的不同织构的金刚石膜的SEM照片表皮表皮 细胞细胞 DNADNA（三）炸药爆炸合成纳米金刚石粉（三）炸药爆炸合成纳米金刚石粉这种金刚石粉的

45、制备方法与传统的石墨相变法不同,它是以负氧平衡的含碳炸药(如三硝基甲苯,TNT)为原料,在爆炸时由于炸药分子中的氧不足以将全部碳氧化成为CO或CO2,因此爆炸区内存在有游离碳,在爆炸区高压和高温的作用下,这种游离碳可以部分地转化为金刚石。实验表明只用TNT虽然可以生成游离碳,由于TNT的爆轰压力不高,因而还不能生成金刚石。用TNT与RDX(黑索金,Hexogen,1,3,5-trimethylene-2,4,6-trinitramine)的混合物就可以生成金刚石。影响金刚石性质和收率的主要因素：（1）炸药的组成，装药形状，质量和结构的影响 实验结果表明,TNTRDX为40606040混合炸药得

46、到的纳米金刚石收率最高（以炸药用量为基础）。而随着炸药中RDX含量的增加，纳米金刚石的颗粒尺度增大。装药形状选择圆柱形和药量大于0.5kg的结果较好。容积（2）炸药用量Q（kg）和炸药的体积V（m3）的关系以Q0.5V 为宜。（3）冷却介质对在爆轰区内生成的含金刚石固体爆轰产物起着很好的淬火的作用。作为惰性介质,开始时是采用一些气体。实验结果表明,用CO2的结果优于其它几种气体,而采用惰性气体(如氦、氩)时,几乎不生成金刚石。由此可以认识到,所用的惰性介质,除起到保护生成的金刚石不被氧化的作用外,还起到冷却爆炸产物的作用,因而其比热越大越好,可以使爆炸产物迅速冷却,使其中的金刚石粉不会发生石墨

47、化。从这种看法出发,人们开始使用液体物质作为惰性介质。一些文章和专利中开始报道用水作为惰性介质的实验结果。俄罗斯发表了在水流中进行爆炸的方法。我国科研人员开发了水下连续爆炸的方法,不但取得了较好的金刚石收率,而且大大简化了操作工艺。2.金刚石粉的生成机理已经用示踪原子的方法证实,当用TNT-RDX混合炸药为原料时,TNT是碳源,即TNT分子中的碳生成的游离碳才能转化为金刚石,而RDX只起着产生高压的作用,其分子中的碳对金刚石的生成没有贡献。对于金刚石的生成机理,一般认为:在足够高的压力和温度下,有机炸药分子可以完全解离成为碳原子或原子团,它们在高压下就可以相互结合成金刚石晶粒。由于爆轰产物的高

48、压持续时间很短(只有若干微秒),再加上物质在高压下扩散受到阻碍,因而金刚石晶粒无法长成大的完整晶粒。由于这种金刚石颗粒是由碳原子生成的,因而它们倾向于生成圆球形颗粒以保持较低的表面能。据估算,在这种条件下,5nm左右颗粒的表面能量最低,因此也最稳定。但是,这种纳米尺寸的颗粒很容易团聚在一起形成微米级的颗粒,而且由于金刚石微粒是随机地相互碰撞而粘结在一起,因而所生成的颗粒具有分形结构,形成疏松而多孔的颗粒。小结：小结：炸药爆炸法制备的纳米金刚石粉是由炸药中的碳在爆轰反应区中形成的，爆轰产物在冷却介质中淬火，在等熵膨胀区内被部分保存下来。通过改变炸药组成、初始装药度、装药尺寸核结构、猛炸药的颗粒尺

49、度、炸药中添加物的种类核数量，冷却介质的种类和状态、爆炸室的体积和结构等因素，可以改变反应区中游离碳的数量反应区宽度和反应时间、产物飞散过程等参数，这样就可以控制金刚石的收率、基本颗粒和团聚体的尺寸、表面结构和形貌等，以满足不同应用目标对金刚石性质的要求。（四）金属溶剂热解还原催化合成金刚石（四）金属溶剂热解还原催化合成金刚石在有机合成中利用传统的Wurtz反应R1X+R2X+2NaR1-R2+2NaX可以使烷烃链长增加，由此启示如果在适当的温度和压力下面将CCl4和Na反应，碳原子可以连接形成一个三维的网络，如果这样的一个三维网络是sp3杂化的形式的话，那么得到的就是金刚石。在这个反应中选择

50、CCl4作为碳源合成金刚石，Na是作为还原剂和熔剂，反应在700的条件下进行，需要金属作为催化剂。尽管产率只有2%，但是能够生成金刚石 金刚石的催化热解合成金刚石的催化热解合成Wurtz反应反应:(1855年年)R1XR2X2Na R1-R2-2NaX 1L.Finar,Organic Chemistry,Vol.1,p76.用金属钠还原用金属钠还原CCl4进行进行Wurtz反应：碳原子间将连成三维的反应：碳原子间将连成三维的sp3键结构键结构,即成金刚石。即成金刚石。1)形成的黑色粉末线将玛瑙研钵磨毛2)经过酸洗处理后无定形碳含量减少，XRD能呈现出金刚石三强峰3)Raman光谱测得金刚石1