课程四选修模块的学科问题第二讲下

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1、课程四选修模块的学科问题第二讲下 主持人：高中化学新课程远程研修项目组核心成员、北师大化学教育研究所博士陈颖嘉宾：高中化学课程标准组组长之一、北京师范大学化学教育研究所所长 王磊教授结构化学专家、北京师范大学化学学院李宗和教授北京市第35中学 支瑶老师北京市汇文中学  岳波老师 上一集我们对有机化学基础选修模块的学科问题进行了探讨，这一集我们将对物质结构与性质选修模块的学科问题进行讨论。一、《物质的结构与性质》模块的设置意义及结构化学的核心概念主持人：李老师，现在的高中化学新课程已经把物质结构与性质作为一个单独的模块进行了设置，很多老师有这样的疑问，为什么要单独设置物质结构与性质

2、这样一个模块？您能否从学科专家的角度来讲一讲您自己的看法。李宗和：化学的主要任务之一是为了人类的生存与发展，要发现和制造为人类有用的一些新物质，而这些新物质的发现应该是难以预测的，新物质的制造需要经历一个非常漫长的时期。在解决这个问题的时候，有几个非常关键的问题需要解决，一是新物质的性能和结构，二是如何选择一条最好的路线合成新物质，三是按照这条路线合成的新物质的产率究竟有多大。这些就是现代化学主要研究的任务之一，这个工作从国际上讲，80年代就已经开始了，比如研究新的药物、研究新的材料、人工模拟蛋白质、还有人工模拟一些东西都需要这样做。首先得要知道它们的结构，再知道合成路线，最后才

3、开始合成。所以我觉得现代化学的发展需要一些新的理论来贯彻，而这个新的理论就是结构化学，结构化学在现代化学中担当了一个非常重要的角色。我想对于中学生，他们已经进入了一个新的时代，他们应该对这方面的知识要有所了解，不管以后是从事化学还是从事其它方面的工作，这方面的知识的了解对他们以后的发展是非常有意义的。主持人：实际上结构化学也是和实际的生产生活现象结合非常紧密的，李老师您能不能接着给我们谈一下，新课程中物质结构与性质这样一个模块设置之后，要帮助学生建立的最核心观念是什么？李宗和：结构化学与现实生活是紧密联系在一起的，而且它关系到人类的生存与发展。在现代化学中最关键的观念，我认为有两

4、个：一个是轨道，一个是量子。我们常把原子中的单电子运动状态或者分子中的单电子运动状态称为轨道。轨道这个概念已经不是原来意义上的一条直线或一条曲线，在这里的概念是相当广泛的。它表示着粒子或者电子或者原子核一系列的连续的运动状态，这样的运动状态表示了粒子的真实存在。对于粒子来说，它的运动状态主要从一些物理量来描述，例如它的能量、角动量等等。比如就像一个人，跑步的时候总得给一些量（指这个人跑的速度快、跑的速度慢），用一些物理量来进行描述。在原子、分子和原子核中，电子的运动的物理量是靠能量、角动量等来进行标志的，它的运动跟平常的宏观物体运动不一样，宏观物体运动的物理量变化是一点一点的、连

5、续不断的变化。比如人跑不可能一下子就能跑到每秒十米，是一点一点加速起来的。如果在原子和分子当中就不一样，运动状态从一种能量进入到另外一种能量，物理量的变化是不连续的、间断的。就像人下台阶似的，从这个台阶下到第二个台阶，中间就不能动，只能是这样一个状态。所以我们就把原子和分子当中这种不连续变化的物理量的单位叫做量子。在这种特定的情况下，在原子和分子的物理世界中，特殊的、与一般宏观世界不一样的地方就是运动的变化是不连续的、量子化的。这就是两个在现代化学当中最基本的概念。主持人：那么，四个量子数和您说的量子是一种什么样的关系？李宗和：要想学习化学，首先要了解原子、了解分子，一步一步的把

6、它展开。描述在原子当中单电子的运动状态，我们就叫原子轨道。标志单电子的运动状态的物理量——能量、角动量用什么来标志呢?就是靠量子数来标志的。能量的变化是不连续的，就用相应的量子数表示，角动量的变化是不连续的，也用相应的量子数来表示。比如在氢原子当中，我们引进了四个量子数：一个是N（主量子数）；一个是L（角量子数）；一个是M（磁量子数）；一个是Ms（自旋量子数），这四个量子数表示什么呢？它表示氢原子当中电子的能量如何、总角动量如何、总角动量在磁场上的分量如何、自旋的角动量如何。实际上量子数是用来描述电子运动状态的。这些量子数中，除了自旋量子数Ms以外，其它量子数都首先是从量子力学的

7、方程解出来的，但是这些量子数后来都被实验一一所证实。氢原子的光谱实验就证实了这些，氢原子光谱是线状光谱就证明在原子世界中物理量的变化是不连续的、量子化的，每一条谱线标志一定的能量，这些能量就检验了量子数N的正确性。电子在跃迁的时候，总要遵循一项规则，电子跃迁的规则实际上就表示了L量子数的变化，在外磁场下同一条线可以分裂成多条谱线，多条谱线的分裂是由于M量子数的存在而造成的。如果我们用非常精细的高级光谱还可以看到更细致的分裂，而更细致的分裂是由于自旋量子数造成的。所以量子数N、L、