大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)及化學(xué)史教育的探討

【摘 要】大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，以化學(xué)理論知識(shí)為依托，通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的規(guī)范操作，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)學(xué)科的重要作用。本文重點(diǎn)介紹了四個(gè)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證元素及化合物的性質(zhì)，了解許多元素離子的定性鑒定，掌握某些化合物的制備和提純方法，熟悉無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作。同時(shí)簡(jiǎn)要分析了化學(xué)科學(xué)的利與弊，闡述了化學(xué)學(xué)科的歷史現(xiàn)狀和發(fā)展前景。為化學(xué)教育工作者提供了一定的參考資料。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)史;無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)： O61-4;G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0114-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.054

1 淺談化學(xué)史

化學(xué)是一門古老的科學(xué)，是人類在長(zhǎng)期的社會(huì)實(shí)踐過(guò)程中逐漸形成的，它的發(fā)展歷史可以追溯到原始社會(huì)。化學(xué)史不僅是科學(xué)史的一個(gè)重要分支，同時(shí)也是化學(xué)學(xué)科的重要組成部分。可以說(shuō)化學(xué)史是化學(xué)歷史發(fā)展的高度概括和總結(jié)[1]。

原始人類擊石、鉆木取火，利用火寒夜取暖，烘烤食物，驅(qū)趕猛獸，充分利用燃燒時(shí)的發(fā)光發(fā)熱現(xiàn)象。人類使用火，便是最早的化學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。人類不僅可以使用工具，而且可以用工具來(lái)制造工具。工具的更新造就了人類文明的進(jìn)化，同時(shí)，人類文明的進(jìn)化也促進(jìn)了工具的更新。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，儀器就是科學(xué)家們的工具，它們同樣影響著人類文明的發(fā)展。[2]用黏土制造陶器、由礦石燒出金屬、用糧食釀造出酒、用天然染料給絲織物染色。在化學(xué)的萌芽時(shí)期，雖然沒(méi)有形成化學(xué)知識(shí)，但卻在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的直接啟發(fā)下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期摸索形成了最早的化學(xué)工藝。

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)也在一步步深入。古人曾根據(jù)物質(zhì)的某些性質(zhì)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分類，并企圖追溯其本原及其變化規(guī)律。公元前4世紀(jì)，中國(guó)提出了陰陽(yáng)五行學(xué)說(shuō)，認(rèn)為萬(wàn)物是由金、木、水、火、土五種基本物質(zhì)組合而成的，此說(shuō)法是樸素的唯物主義自然觀。幾乎與此同時(shí)，古希臘也提出了與五行學(xué)說(shuō)類似的火、風(fēng)、土、水四元素說(shuō)和古代原子論[3]。這些樸素的思想，即為物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變化理論的萌芽。燃素說(shuō)認(rèn)為可燃物能夠燃燒是因?yàn)樗腥妓兀紵^(guò)程就是可燃物中燃素放出的過(guò)程，盡管這個(gè)理論是錯(cuò)誤的，但它把大量的化學(xué)事實(shí)統(tǒng)一在一個(gè)概念之下，解釋了許多化學(xué)現(xiàn)象。1775年前后，拉瓦錫用定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了燃燒的氧化學(xué)說(shuō)，并用來(lái)解釋燃燒等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使化學(xué)從定性轉(zhuǎn)為定量，開創(chuàng)了定量化學(xué)時(shí)代，使化學(xué)沿著正確的軌道發(fā)展。

1803年，英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出了近代原子論，1811年，意大利科學(xué)家阿伏伽德羅提出分子學(xué)說(shuō)。自從用原子—分子論來(lái)研究化學(xué)，化學(xué)才真正被確立為一門科學(xué)。

化學(xué)是人類社會(huì)發(fā)展史上的一個(gè)偉大創(chuàng)舉。化學(xué)知識(shí)的形成、化學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的道路。它伴隨著人類社會(huì)的進(jìn)步而發(fā)展，是社會(huì)發(fā)展的必然結(jié)果。而它的發(fā)展又推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步。物理化學(xué)之父奧斯特瓦爾德曾說(shuō)過(guò)“啊，化學(xué)，美妙的化學(xué)！我奉獻(xiàn)出畢生的精力為你工作，而你也為我把嶄新的道路開拓。”

2 無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的簡(jiǎn)單介紹

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是指根據(jù)一定目的，運(yùn)用一定的儀器、設(shè)備等物質(zhì)手段，在人工控制的條件下，觀察、研究自然現(xiàn)象及其規(guī)律性的社會(huì)實(shí)踐形式。化學(xué)一直是自然科學(xué)中很重要的以實(shí)驗(yàn)為主的基礎(chǔ)學(xué)科。

大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4]包括氮族、氧硫、鹵素、堿金屬與堿土金屬、鉻錳、鐵鈷鎳、硫酸銅的制備與提純、硝酸鉀的溶解度測(cè)定、生物體內(nèi)幾種元素的定性分析等。以下選取幾個(gè)重要的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體分析。

2.1 鹵素：氟、氯、溴、碘、砹

鹵族元素指元素周期表中第ⅦA族元素，簡(jiǎn)稱鹵素。它們?cè)谧匀唤缍家缘湫偷柠}類存在，是成鹽元素。隨著分子量的增大，鹵素分子間的色散力逐漸增強(qiáng)，顏色變深，它們的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、密度、原子體積也依次遞增。氟是元素周期表中電負(fù)性最大的元素，是一種反應(yīng)性能極高的元素。氟化物具有強(qiáng)的腐蝕性，可以用氟化鈉進(jìn)行玻璃的刻畫。溴單質(zhì)在室溫下是紅棕色液體。溴灼傷處理辦法：用酒精水沖洗，再涂上甘油和燙傷軟膏。單質(zhì)碘是紫黑色晶體，易升華，有毒性和腐蝕性，碘單質(zhì)遇淀粉會(huì)變藍(lán)色。氯的四氯化碳溶液是黃綠色、溴的四氯化碳溶液是橙色，碘的四氯化碳溶液是紫黑色。

2.2 鉻、錳

鉻是銀白色金屬，與空氣接觸可以鈍化，生成綠色的Cr2O3，一旦去鈍化后，易溶解于幾乎所有的酸中。Cr2O72-（橙紅色）可以被還原為Cr3+（紫色），Cr2O72-（橙紅色）和CrO42-（黃色）在酸堿條件下可以相互轉(zhuǎn)化，CrO2-（亮綠色）可以被氧化為CrO42-（黃色）。錳是銀白色金屬，質(zhì)堅(jiān)而脆。在空氣中易氧化，生成褐色的氧化物覆蓋層。Mn2+較穩(wěn)定，不容易被氧化，也不容易被還原，在強(qiáng)酸溶液中可被強(qiáng)氧化劑如NaBiO3或PbO2等氧化為MnO4-，使溶液顯紫紅色。

2.3 硫酸銅的制備與提純

采用氧化銅與硫酸反應(yīng)制取硫酸銅，CuO+H2SO4=CuSO4+H2O。將制備得到的硫酸銅在水中結(jié)晶，即得到硫酸銅晶體，再將反應(yīng)產(chǎn)物中不溶性雜質(zhì)用過(guò)濾方法除去，可溶性雜質(zhì)用重結(jié)晶方法除去，將晶體置于表面皿上，用吸水紙吸干剩余水分、晾干、稱量，即可得到純度較高的硫酸銅晶體。通過(guò)硫酸銅的制備和提純實(shí)驗(yàn)，了解并掌握溶解、過(guò)濾、加熱、蒸發(fā)、重結(jié)晶等基本操作。

2.4 生物體內(nèi)幾種元素的定性分析

構(gòu)成人體的元素很多[5]，主要是由元素周期表中較輕的元素組成。有些元素在人體內(nèi)含量較多，如O、C、H、N、Ca、P、K、S、Na、Cl和Mg共11種元素，占人體體重的99%以上，屬于常量元素。其它元素在人體內(nèi)含量很少，不足體重的1%，屬于微量元素。實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)動(dòng)物骨頭、棉花、樹葉等原材料進(jìn)行處理，將幾種元素轉(zhuǎn)化為離子，然后將這些離子用其特效反應(yīng)一一鑒別出來(lái)。本定性實(shí)驗(yàn)檢出Ca、Fe、P等元素是維持生命的重要元素。Ca是動(dòng)物骨頭中羥基磷灰石的組成部分。Fe作為微量元素，存在于各種各樣的代謝活性分子中。P不僅是骨頭的重要成分，也是核酸的重要組成元素。這些元素不僅存在于動(dòng)物體內(nèi)，也存在于植物體中。

3 化學(xué)科學(xué)的利與弊

人類社會(huì)在化學(xué)的推動(dòng)下不斷發(fā)展，人類社會(huì)的進(jìn)步又推動(dòng)了化學(xué)的發(fā)展。早在古代中國(guó)，就發(fā)明了造紙術(shù)、印刷術(shù)、火藥、指南針。四大發(fā)明是中國(guó)古代勞動(dòng)人民的重要?jiǎng)?chuàng)造，極大地推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步。1869年，俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律，并編制出元素周期表，元素周期表能夠闡述各種元素的特性及其之間的關(guān)系，在化學(xué)及其他科學(xué)中得到廣泛使用。諾貝爾在前人反復(fù)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)明了以硅藻土為吸收劑的安全炸藥，這種安全炸藥，在火燒和錘擊下都很穩(wěn)定，促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。1903年，居里夫人獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1911年，又因在放射化學(xué)方面的成就獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。居里夫人發(fā)現(xiàn)了兩種新元素釙和鐳，開創(chuàng)了放射性理論，發(fā)明了分離放射性同位素的技術(shù)。在她的指導(dǎo)下，首次將放射性同位素用于癌癥的治療。

在人們充分享受化學(xué)科學(xué)與技術(shù)帶來(lái)的財(cái)富、舒適、便捷的同時(shí)，也對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了許多負(fù)面影響。化學(xué)既有改造自然、造福人類的一面，又有破壞自然、危害人類的一面，是一把雙刃劍。德國(guó)科學(xué)家哈伯用了五年時(shí)間，做了兩萬(wàn)多次試驗(yàn)，制作出了鐵——堿金屬作為合成氨的催化劑，成功的合成了氨氣，解決了糧食生產(chǎn)用肥問(wèn)題。但是在第一次世界大戰(zhàn)期間，德軍在哈伯的指導(dǎo)下研制生產(chǎn)了氯氣和芥子氣等毒氣，并組建了第一支毒氣部隊(duì)，使很多人喪于非命。工業(yè)革命以后，人們大量焚燒化石燃料，如石油，煤炭等，二氧化硫氣體的排出導(dǎo)致酸霧，二氧化碳的排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，許多污染物的排放嚴(yán)重影響了人類的生存環(huán)境。

4 化學(xué)科學(xué)前景展望

我們每一個(gè)人都要尊重科學(xué)，秉承一顆嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、求真務(wù)實(shí)的心，培養(yǎng)優(yōu)秀的科學(xué)素養(yǎng)。科學(xué)的發(fā)展是沒(méi)有止境的，化學(xué)的發(fā)展也決不會(huì)停滯不前。自從化學(xué)成為一門獨(dú)立的學(xué)科后，化學(xué)家們已經(jīng)創(chuàng)造出了許多自然界中不存在的新物質(zhì)。到21世紀(jì)初，人類發(fā)現(xiàn)和合成的物質(zhì)已超過(guò)3000萬(wàn)種。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)與其他學(xué)科也在相互滲透。新材料的制備、新能源的利用和化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化極大地豐富了人類的物質(zhì)生活。量子理論的發(fā)展，也使化學(xué)和物理學(xué)有了更多共同語(yǔ)言，解決了化學(xué)中許多尚未解決的問(wèn)題。2015年，屠呦呦獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，標(biāo)志著中醫(yī)藥學(xué)正式步入科學(xué)殿堂。化學(xué)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科方面的應(yīng)用，使過(guò)去很難解決的蛋白質(zhì)、酶等結(jié)構(gòu)問(wèn)題得到深入的研究，生物化學(xué)等學(xué)科得到快速的發(fā)展。近年來(lái)，綠色化學(xué)的實(shí)施，使更多的化學(xué)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品向著環(huán)境友好的方向發(fā)展，化學(xué)科學(xué)必將使世界變的更加豐富多彩.

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[5]李穎.人體內(nèi)的化學(xué)元素與人體健康[J].課程教育研究，2013（23）：167.作者簡(jiǎn)介：呂憶民（1971—），男，漢族，山東濱州人，山東理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)化工。