元素无机化学教学内容扩展

・　１Ｏ・　化学教育（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｏｒｇ）　２０１５年第４期　元素无机化学教学内容扩展　陈亚光　（东北师范大学化学学院长春１３００２４）　摘要　从拉近化学知识与其在人类生活中的应用的距离出发，提出扩展元素无机化学教学内　容的教学改革方法，即在适当章节加入化合物应用实例，从化合物的性质入手，说明其应用原理　及在生产生活中的作用和意义，加深学生对化学学科实用性及对改善人类生活的重要性的认识。　关键词　元素无机化学　教学内容　实用性　ＤＯＩ：１０．１３８８４／ｊ．１００３—３８Ｏ７ｈｘｊｙ．２０１３０６００７３　元素无机化学是化学学科的一个重要分支。在　我国，元素无机化学一直作为无机化学课程的一个　组成部分，在大学一年级开设，因此它肩负着为新　生学习后续化学课程和相关专业课程打下基础的重　任。随着无机化学研究领域的不断扩大，它与材　料、生物等学科的交叉渗透在不断加强，产生了许　多新的边缘学科，如有机金属化合物化学、生物无　机化学、固体无机化学、物理无机化学等。元素无　机化学的内容已成为科技人员知识结构中的重要组　成部分。　素无机化学的教学中通过引入化学史，引领学生理　解化学知识形成的过程，并在理解中仔细体会这一　知识得以产生的基础以及与其他知识的相互联系　等，可以使教学不只局限于现有知识的静态结论，　还可以追溯到它的来源和动态演变；不只局限于知　识本身，还可以揭示出其中的科学思想和科学方　法，真正实现“不仅授之以鱼，还要授之以渔”。　元素无机化学是一门专业基础课，但如果只注　重基础理论和基本概念的阐述，与实际联系不够，　１元素无机化学教学研究现状　元素无机化学主要介绍的是元素单质和重要化　合物的制备、性质及其变化规律和用途，涉及周期　表中除人工合成元素外的所有元素。因此元素无机　化学的内容很多，并且大多数是描述性的，这导致　学生在学习元素无机化学内容时，常感到乏味、杂　乱。因此有人说元素化学是看懂不难，掌握不易。　针对元素无机化学的以上特点，化学教育工作者们　就会使一些学生对元素无机化学产生一种距离感，　甚至失去学习兴趣。要培养学生对元素无机化学的　学习兴趣，首先要密切联系社会生活，让学生知道　所学知识并非距离现实很远，它们就在现实的生活　中。例如：讲到卤素时，可以讲讲各种消毒水、家　用漂白剂、玻璃器皿上刻的标记和花纹、毛玻璃和　灯泡的磨砂等。在教学中适当地插入生活中的化　学，不仅丰富了讲课内容，也使学生真正体会到化　为提高元素无机化学课堂教学的有效性进行了大量　研究［￣－ｌａ］。大多数研究是从教师的角度出发，提　学与人类生活的密切关系，并能鼓励学生留心收集　生活中的化学知识，培养他们获取信息的能力［６］。　化学知识的发展非常快速，短短几十年的时　出一些改变教学方式的方法，例如运用启发式教学　（讨论启发、比喻启发、实验演示启发等）以培养　学生的积极思维；将基础理论贯穿元素化学的教学　（理论指导作用），培养学生分析问题的能力；以及　针对元素无机化学的量大繁杂的特点注意知识的条　理性和系统性，进行归纳法教学。在考核方式方　面，采取有限开卷、独立完成的考试方式。另外，　将元素无机化学课堂教学与实验教学密切配合，会　对学生掌握元素无机化学的内容起到积极的作用。　一间，化学知识已渗透到我们生活的各个领域，而且　新成果的转化也非常及时。在教学中引人化学研究　的新成果可以激发学生的好奇心、想象力和创造　力，从而促进学生的学习。　２关于扩展元素无机化学教学内容的一些　想法　化学是研究物质的学科。物质只有用在生产和　生活中才能体现其价值。实际上化学物质的实用性　就是元素无机化学的最大魅力所在。前文提到的从　些研究强调从各个方面调动学生的积极性，启迪　学生的科研意识与创新意识、环保意识。例如在元　＊通信联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｙｇ１４６＠ｎｅｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　２０１５年第４期　化学教育（ｈｔｔｐ：／／　ｈｘｊｙ．ｏｒｇ）　学生熟悉的物质人手，可以拉近化学与生活的距　离，这在学生学习化学的初级阶段会非常有效，但　要注意的是，所选择素材的知识水平不能超过　要学习的内容太多。如果所介绍的内容过于深奥，　会使学生产生畏惧心理，甚至产生厌倦和逆反　心理。　在元素无机化学的学习过程中就显得有些微不足　道了。　在元素无机化学中，介绍了近千种单质和化合　物，但对它们的制备方法和应用仅仅是非常概要地　３应用实例　３．１无机相变储能材料　提及。这种叙述方法不能给学生留下深刻的印象，　不足以使学生认识到化学的实用性和对改善人类生　活的巨大意义。因此，在课堂教学中、在教科书中　适当的章节处恰当地引入应用实例会起到重要的作　用。例如，在碱金属、碱土金属一章中，介绍了水　合盐的概念和种类，这是碱金属、碱土金属化合物　的一个重要性质，但它们的应用只用一句话带过。　在此处加入碱金属、碱土金属水合盐作为相变储能　材料的具体物质和应用领域，会使学生对“性质决　定用途”的理论有更深刻的理解，同时深入了解水　合盐的用途。在硼族元素一章中，介绍了缺电子原　子、缺电子化合物和路易斯酸的概念。Ｂ　、　Ａ１Ｃ１。是典型的路易斯酸。ＢＦａ、Ａ１Ｃ１。、　Ａｌ２ｏ。　和硅铝酸盐（分子筛）都已作为酸催化剂应用在工　业生产中。在这部分就可以介绍路易斯酸催化的机　理和在工业上使用这些路易斯酸催化剂的典型催化　反应。在碳族元素一章中，碳酸盐和硅酸盐材料是　学生较熟悉的内容。在这里可以引入与传统硅酸盐　材料对应的现代陶瓷的知识，现代陶瓷的知识介绍　一方面可以扩展学生的知识范围，另一方面可以使　学生了解科学研究的成果对科技发展的作用。在经　过氧族、卤素２章的学习后，可以对无机常见消毒　剂、漂白剂进行一下总结。从化合物的应用领域出　发，对有同类作用的化合物进行归纳总结有助于学　生掌握化合物的性质和培养学生的归纳总结、系统　化的能力。过渡元素的特点之一是它们具有多种氧　化数。这一特点在实际生产生活中应用的实例之一　是近３０年研究开发的全钒氧化还原液流电池（ｖａ—　ｎａｄｉｕｍ　ｒｅｄｏｘ　ｂａｔｔｅｒｙ，ＶＲＢ）。钒元素有４种氧化　数：＋２，＋３，＋４，＋５。在全钒氧化还原液流电　池中，４种氧化数的物质构成２个电极，Ｖ（１１１）／　Ｖ（１Ｉ）电对作为电池的负极，Ｖ（Ｖ）／ｖ（Ⅳ）　电对作为电池的正极，石墨作为电极导电物质。全　钒氧化还原液流电池概括了钒元素在酸性溶液中的　化学。因此，对全钒氧化还原液流电池的介绍同时　起到３个方面的作用：学习了钒元素的化学；使学　生了解了元素化学的实用性；了解了科学技术的新　发展。　相变储能材料（ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ）［１　Ｉ１９］是利用其物相变化过程中，可以与　外界环境进行能量交换（从外界环境吸收热量或向　外界环境放出热量），从而达到能量利用和控制环　境温度目的的一类物质。例如：　Ａ　ＣａＣ１２・６Ｈ２　Ｏ（固态）　ＣａＣ１２（液态）　△Ｈ称为相变潜热。　相变材料可按组成分为有机相变材料和无机相　变材料；按物质的状态分为固一液相变材料和气一液　相变材料；按相变温度分为高温相变材料和中低温　相变材料。无机类固一液相变材料有结晶水合盐类、　熔融盐类、金属（包括合金）和其他无机类相变材　料（如水）。　表１　结晶水合盐中低温相变储能材料的物理性质　Ｔａｂｌｅ　１　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｈｙｄｒａｔｅ　ｓａｌｔｓｆｏｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　材料　相变温度／℃　相变焓／（ｋＪ・ｔｏｏｌ　）　Ｎａ２ＳＯ４・ｌＯＨａ０（芒硝）　３２．４　７７．Ｏ６　ＣａＣ１２・６Ｈ２Ｏ　２９　４２．２８　Ｎａ２ＨＰＯ４・１２ＨｚＯ　３７　７８．７９　Ｂａ（ＯＨ）２・８ＨｚＯ　７８　８３．８２　作为相变材料必须满足以下条件：（１）热性　能：有合适的相变温度，较大的相变潜热，合适的　导热性能（一般宜大）。（２）化学性能：在相变过　程中不应发生熔析现象，以免导致相变介质化学成　分的变化；相变的可逆性要好，过冷度应尽量小，　性能稳定；无毒、无腐蚀、无污染；使用安全，不　易燃、易爆或氧化变质；较快的结晶速度和晶体生　长速度。（３）物理性能：低蒸气压；体积膨胀率要　小；密度较大。（４）经济性能：原料易购，价格便　宜。相变材料是由多组分构成的，包括主储热剂、　相变点调整剂、防过冷剂、防相分离剂、相变促进　剂等组分。　相变储能材料的应用领域主要涉及：在太阳能　利用方面用于航空航天、采暖和空调、蓄热建筑、　太阳能路灯、农业温室大棚；在保温方面用于通信　领域的电子设备散热、冷藏车保温仓、生物医药制　・　１２・　化学教育（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｏｒｇ）　２０１５年第４期　品及食品的冷藏和运输、物理医疗（热疗）、运动　员降温（保暖）服饰、特殊控温服装、军事红外伪　装；在能量存储方面用于电力调峰应用、工业余热　一　盯　耋　㈣Ｈ　储存利用、风能发电机组。　３．２路易斯酸催化剂　催化剂是一种能够改变一个化学反应的速度，　却不能改变化学反应热力学平衡位置，本身在化学　反应中不被明显地消耗的化学物质。催化剂分为　酸、碱型催化剂和氧化还原型催化剂。第三主族元　素的化合物是路易斯酸型催化剂［２。。。一些化合物　如ＢＦ。、Ａ１Ｃ１。、ｙ－Ａ１。Ｏ。和硅铝酸盐（分子筛）都　已作为酸催化剂应用在工业生产中。例如以三卤化　物为催化剂生产的食品级聚异丁烯（ＰＩＢ）的生产　工艺在多家企业得到应用。　异丁烯（ＩＢ）聚合是典型的阳离子聚合反应，　包括链引发、链增长及链终止并伴随着链转移的发　生，聚合引发剂为Ｌｅｗｉｓ酸，如ＢＦ。、Ａ１Ｃ１。、　Ａ１Ｅｔ　Ｃ１、ＴｉＣ１　等。这些酸的特点是没有质子，　本身不能引发单体聚合，需加入微量助催化剂如　水、醇、卤代烷、酸等与之进行反应生成络合物而　释放出Ｈ＋（水、醇）或碳正离子ＲＣ＋（卤代烷）进　而引发单体聚合。ＢＦ。催化体系引发ＩＢ聚合的反　（１）链引发：首先ＢＦ。与助催化剂（ＲｏＨ）　形成配酸，然后配酸的质子向单体分子（ＩＢ）转　移，形成活性中心一一带正电的叔丁基碳正离子，　叔丁基碳正离子引发聚合反应。　Ｈ’［ＢＦ３ｏｒ］。＋ＣＨ２—ｃ－—ｃＨ３—＿＋ｃＨ］—　’［ＢＦ，ＯＲ］　Ｉ　ＣＨ３１　Ｃ　Ｈ～３　式中Ｒ为氢、烷基、芳基、乙酰基、三氯乙　酰基或其他能引起质子酸作用的基团。　（２）链增长：单体ＩＢ分子依次加成在离子对　上，并将电荷转移到增长链的末端，从而形成大分　子活性链。　Ｈ，　ｃＨ　ｃＨ，　ＢＣＨ　Ｆ　刚　ｃＨ。一ｆＣＨ，　　—　—　Ｃ‘Ｈ．［Ｂ　（）Ｒ］　，　（３）链转移：增长的ＩＢ碳正离子会向单体、　溶剂、杂质等发生链转移过程。　（４）链终止：链末端的碳正离子经分子内重排　而使活性链终止，同时再生出能重新引发ＩＢ聚合　２０１５年第４期　化学教育（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｏｒｇ）　物，使其达到无害化要求的制剂，它不同于抗生　素，它在防病中的主要作用是将病原微生物消灭于　用寿命长、成本低、容量可调整、功率可调整、自　放电很小、可瞬间再充电。这些特性使它也可用于　电力牵引，作为公交客车、潜艇等的动力电池。结　构简单，材料价格便宜，更换和维修费用低廉，对　环境友好，因此钒电池是一种新型绿色的二次　电池。　人体之外，切断传染病的传播途径，达到控制传染　病的目的。人们也常称消毒剂为“化学消毒剂”。　３常生活中常用的无机消毒剂主要是含氯消毒剂　１（利用它们的氧化性），其成分主要为无机氯化合　物，如次氯酸钠、次氯酸钙、二氧化氯等以及过氧　化氢、臭氧。　在利用风力发电、太阳能发电时，由于受到气　候变化、风力大小等自然条件的影响，电能输出是　次氯酸钠（ＮａＣｌＯ）消毒液俗称８４消毒液，　不稳定的和间断性的，因而造成机械功率的大幅变　可由电解ＮａＣ１稀溶液直接制备。有效氯含量为　１．１　～１．３　，可杀灭肠道致病菌、化脓性球菌和　细菌芽孢。适用于一般物体表面、白色衣物、医院　污染物品的消毒。　二氧化氯（ＣｌＯ　）可由氯酸钠与硫酸和甲醇　作用或由氯酸钠与二氧化硫作用而制得。二氧化氯　作为漂白剂和消毒剂，已被广泛应用于纸浆的漂　白、食品加工领域的杀菌消毒及水净化处理等领　域，充分显示出其所具有的强漂白和杀菌消毒能　力。常用于饮用水、空气、厨房用具、食品机械设　备以及医疗领域的杀菌消毒。如二氧化氯用于口腔　含漱，可有效控制牙龈炎、牙斑菌和口臭。目前，　二氧化氯也被国际上公认为安全、无毒的绿色消　毒剂。　３．５全钒氧化还原液流电池　全钒氧化还原液流电池＿２。］（ｖａｎａｄｉｕｍ　ｒｅｄｏｘ　ｂａｔｔｅｒｙ，ＶＲＢ）是将具有不同价态的钒离子硫酸　溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在　各自的电解液储罐中。在电池的充、放电过程中，　电解液通过泵的作用，由外部贮液罐分别循环流经　电池的正极室和负极室，并在石墨电极表面发生氧　化和还原反应，实现对电池的充放电。　Ｆｉｇ．１　Ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＶＲＢ　图１全钒氧化还原液流电池工作原理示意图　正极：ＶＯ　＋２Ｈ＋＋ｅ一　ＶＯ２＋＋Ｈ２Ｏ　负极：Ｖ２＋苹＝＝　Ｖ。＋＋ｅ一　钒电池的工作原理见图１。钒电池的特点是使　化，发电机输出的有功功率和无功功率产生波动，　而且使电网的电能质量下降，同时造成电能浪费。　钒电池与目前市场中的铅酸蓄电池、镍氢电池相　比，具有大功率、长寿命、支持频繁大电流充放　电、绿色无污染等明显技术优势，主要应用于再生　能源并网发电、城市电网储能、远程供电、ＵＰＳ　系统、海岛应用等领域。钒电池已在美国、加拿　大、德国、丹麦、意大利、南非、日本等十几个国　家和地区得到实际应用。在我国，２００６年中科院　大连物理化学研究所研制成功１Ｏ　ｋｗ的全钒液流　电池模块，并通过国家科技部验收。相关的研究和　应用正在推进中。　在科学研究、生产、生活中这样的应用实例有　很多。例如在材料方面，为了减轻运输器（飞机、　汽车等）的自重、节约能源，发展了轻质合金和工　程塑料；为了利用太阳能，发展了硅、砷化镓等半　导体材料，用作太阳能电池；在工、农业生产中，　为提高产率，研制了各种催化剂、农药和化肥。总　之，元素化学与人类的生活息息相关，它的发展极　大地影响着人类的生活质量。因此，在元素化学学　习中，除了掌握化合物的性质，还应多了解化合物　的实际应用以及应用研究、新的研究成果对科技发　展和改善人类生活质量的作用与意义，唤起化学专　业学生为人类造福的使命感和责任感。　参考文献　张泽会，刘冰，黄涛，等．广东化工，２０１２（１３）：１５３，１５７　张俊力．科技信息，２０１２（２６）：１２１　苏芳，王静霞．济宁学院学报，２０１１（３）：２９—３２　乔雁，高之清，徐林，等．广州化工，２０１０（６）：２５８－－２６０　黄涛，刘浩文，杨汉民，等．中国科教创新导刊，２００９　（４）：１０８　董岩，王新芳．广西教育，２００９（１２）：４Ｏ一４１　吴季怀，吴志坚．化学教育，２００８，２９（６）：３７—３８，５２　廖海达，钟莲云．广西教育学院学报，２００７（６）：５４—５７　李夏．首都师范大学学报：自然科学版，２００７（Ｓ１）：１１１　—１１　２　・　１４・　ｎ　ｎ口　口Ｉ＝１　口口口　阳　化Ｉ＝Ｊ　刀　学教育（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｏｒｇ）　社，２００９　２０１５年第４期　张力军．内蒙古石油化工，２００６（５）：３３—３４　文君．贵州教育学院学报：自然科学，２００５（２）：５９～６Ｏ　田静．大同职业技术学院学报，２００５（４）：７２—７３，９２　［１８］　黄其明，张开凌．中国校外教育，２０１０（１８）：１２８－－１２９　［１９］　北京石油化工学院环境材料研究中心．中国高校科技与产　业化，２００６（４）：３５　何洁，许卉．高等职业教育（天津职业大学学报），２００４　（３）：２７—２８　Ｅ２ｏ３　王宏革，崔华，董德，等．弹性体，２００７（１）：７８—８３　Ｅ２１］　曲远方．现代陶瓷材料及技术．上海：华东理工大学出版　社，２００８　申泮文，车云霞．大学化学，２００２（４）：９，１８　潘成岭．考试周刊，２０１２（１）：１５２，１５３　李哲，韩灵翠，谢鲜梅．太原理工大学学报：社会科学版，　２００１（１）：４７—４９　［２２３　Ｌｉｕｙｏｎｇ．钒电池发展状况、工作原理及主要优势ＥＥＢ／　ＯＬ］．Ｅ２ｏ１２—０５—１７］．ｈｔｔｐｔ｝｜　ｎ　．ｅｓｃｎ．ｃｏｒｎ．ｃｎ　张仁元．相变材料与相变储能技术．北京：科学出版　Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ＣＨＥＮ　Ｙａ－Ｇｕａｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２４。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａ　ｎｅｗ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ　ｗａｓ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｔａｋｅｎ　ｆｒｏｍ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｒ　ｄａｉｌｙ　ｌｉｆｅ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｈｕｍａｎｓ　ｌｉｆｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｆｏｒ　ｆｒｅｓｈｍｅｎ　ｔｏ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｌｉｆｅ　ｂｅｔｔｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ；ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｃｏｎｔｅｎｔ；ｕｔｉｌｉｔｙ