量子化学和量子力学的关系
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量子化学和量子力学的关系范文第1篇
论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。
量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。
一、 在材料科学中的应用
（一）在建筑材料方面的应用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。
钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1 ，2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca 钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致，而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr，Ba 原子键级与Sr-O，Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级，由此认为，含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。
将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。
（二） 在金属及合金材料方面的应用
过渡金属(Fe 、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。
量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。
二、在能源研究中的应用
（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用
煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。
量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子， 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。 转贴于
（二）在锂离子电池研究中的应用
锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。
锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li + 离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago 等[8] 用半经验分子轨道法以C32 H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li - C 和具有共价性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。
随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。
三、 在生物大分子体系研究中的应用
生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用，甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘， 进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。
综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。
参考文献：
[1]程新. [ 学位论文] .武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院，1994
[2]程新，冯修吉.武汉工业大学学报，1995，17 (4) :12
[3]李北星，程新.建筑材料学报，1999，2(2):147
[4]闵新民，沈尔忠， 江元生等.化学学报，1990，48(10): 973
[5]程新，陈亚明.山东建材学院学报，1994，8(2):1
[6]闵新民.化学学报，1992，50(5):449
[7]王宝俊，张玉贵，秦育红等.煤炭转化，2003，26(1):1
[8]Ago H ，Nagata K， Yoshizaw A K， et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.，1997，70:1717
[9]Ago H ，Kato M，Yahara A K. et al. Journal of the Electrochemical Society， 1999， 146(4):1262
量子化学和量子力学的关系范文第2篇
1什么叫“原子轨道”原子轨道，这是量子化学、结构化学中一个非常重要的概念，在研究微观粒子运动时经常要与其打交道。“这里所说的原子轨道与宏观物体的运动轨迹不同，它是指量子力学描述电子在原子核外空间运动的主要区域。”［1］这是一个明显的错误解释，原子轨道怎么会是一个运动区域呢？这正是想用经典力学的观点解释量子力学（量子化学）的现象，显然不行。那什么叫原子轨道呢？在量子化学中，处理一个多电子体系（包括多电子原子或多原子分子），我们往往采取的近似解法是轨道近似方法（或称单电子近似和电子独立运动模型）。在运用这种方法时，我们需要求解任意一个单电子的波函数ψi，即求解它的Schrdinger方程：此时，我们把原子中单电子的波函数ψi称为原子轨道。同理我们可以把分子中单电子的波函数ψj称为分子轨道［2～4］。因此即使对中学生，我们也应该把原子轨道粗略地解释为描述原子中电子运动状态的函数（波函数），它可用来描述电子在核外空间一定区域内出现的几率，而不能解释成电子活动的区域。
2电子云图
关于用小黑点描绘的电子云图（图1）。“用小黑点代表电子在核外空间区域内出现的机会，小黑点的疏密与电子在该区域内出现的机会大小成正比。”［1］这是一种很不准确的解释。其关键问题是没有分清楚几率密度与几率的概念。试问若区域A比区域B大，但区域B内小黑点排列得紧密些，那电子在A区出现的机会大还是在B区出现的机会大呢？上述的解释是没有分清楚几率密度和几率这2个重要概念的含义和关系。在某一微体积内，2者关系如下：其中｜ψ｜2代表几率密度，｜ψ｜2dτ代表电子在体积元dτ内出现的几率。对中学生可以采取如下近似解释：小黑点密度大的地方表示电子在那里出现的几率密度大，稀则表示几率密度小［5，6］。在电子云图上取2个面积相等的区域A和B来观察，若为立体图形，则取2个体积相等的区域来观察，则小黑点密度大的区域电子出现的几率大。对电子云图，这样的解释比较准确———单位体积内小黑点的疏密程度表示电子在原子核外单位体积内出现概率的大小。点密集的地方，表示在那里电子在单位体积内出现的概率大……［7］。
3关于Moeller记忆图［8］在讨论多电子原子结构时，涉及到核外电子的填充顺序，很多结构化学的教科书都给出了图2。国外教材称之为Moeller记忆图［9］，国内教材一般称为构造原理图［10，11］。而称之为“原子核外电子排布的轨道能量顺序”［1］，这是一个很不准确的称呼。因为电子填充顺序的经验表达式1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，……并不能真实地、准确地代表在各个原子中原子轨道的能量，它只能近似预测原子基态的电子构型及定性地解释周期表中原子的电子排布［12］。对不同的原子来说（其核电荷当然不同），原子轨道能量的顺序不一定相同，比如原子轨道能量与原子序数的关系如图3［13～15］：由图3也可以看出，原子序数不同的原子，有的是E4s＞E3d，有的是E4s＜E3d。尤其是多电子体系，原子轨道能量次序还和电子填充情况有关。例如，同为第四周期元素的K和Ni，K无d电子填充，E3d＝－0．64eV，E4s＝－4．00eV，即E3d＞E4s；而Ni有d电子填充，E3d＝－18．7eV，E4s＝－7．53eV，即E3d＜E4s；类似情况在第五、六周期元素还有［16］。
4晶体结构结晶化学是化学科学中内容极其丰富的一门学科。但迄今为止，学术界对结晶化学中的某些基本概念，如晶胞、晶系，布拉威格子等都还存在着一些不同解释和描述［17～20］，但对大多数基本概念、基础知识，学术界还是有共识的。
4．1密堆积中空隙种类在等径圆球的密堆积中把空隙分成2种类型［1］，如图4［21］。这种分类法不准确。一般把晶体中的空隙分为三角形空隙、四面体空隙、八面体空隙、立方体空隙等［22～24］。在一个密置层中只有一种空隙———三角形空隙。只能说如考虑其空间取向，有2种情况。否则的话，怎么讨论在立方ZnS中空隙的种类和个数呢？在立方ZnS（晶胞）中，可视S原子（或S2－）作立方最密堆积，形成2类空隙———四面体空隙（8个）和八面体空隙（4个），而Zn原子（或Zn2＋）填入其中4个四面体空隙（见图5），另外4个四面体空隙（未填微粒）与前面4个四面体空隙空间取向不同，但这8个空隙只能算一类———四面体空隙，故才会得出空隙填充率等于50％的结论。
4．2关于小球堆积方式的概念在描述堆积方式时用了一个模糊概念———立方堆积［1］。与立方晶胞有关的堆积方式一般说有3种：立方最密堆积（可抽面心立方晶胞），立方密堆积（可抽体心立方晶胞），简单立方堆积（可抽简单立方晶胞）。教材的表述应改为“简单立方堆积。”
4．3密堆积和晶格型式（或晶胞类型）间的关系“在称为干冰的二氧化碳分子晶体中，作为线型分子的二氧化碳在空间是以A1型密堆积方式形成晶体的”［7］。这段描述与其给出的干冰的晶胞的示意图［7］是矛盾的。关于CO2（干冰）的晶格形式有2种表述：CO2为线型分子，若晶胞中4个CO2分子的空间取向相同，则晶格型式为面心立方。且可认为CO2是以立方最密堆积（A1型）方式形成晶体的。但是，若晶胞中4个CO2分子的空间取向不同，则4个CO2分子各属于一套不同的等同点，故晶格型式应为简单立方晶胞，此时可认为CO2是以简单立方堆积方式形成晶体的。正如金刚石晶胞中有8个C原子，但分属于2套不同的等同点（因其空间环境不同），其中顶点和面心的4个碳属于一套等同点，而晶胞体内4个碳属于另一套等同点。我们只需取某一套等同点（如顶点和面心那一套）就能确定金刚石中碳原子的堆积方式和晶格型式（晶胞类型）———立方最密堆积（A1型）和面心立方晶胞，见图7。那么在不能确定干冰晶胞中，CO2空间取向是否相同时应怎么描述呢？潘道皑等采取了这种说法“形成了以分子的中心作立方密堆积排列；同时，CO2分子的轴平行于立方体体对角线。”立方体有4条对角线，即CO2分子属于4套等同点。其实质是在不考虑空间取向时，干冰可视为A1型密堆积，但实际上4个CO2分子的空间取向不同，只能视为简单立方晶胞。
量子化学和量子力学的关系范文第3篇
一、物理化学课程在课程体系中的地位
物理化学在两阶段工科化学(化工类)课程体系中处于枢纽地位。第一阶段由化学原理(基础物理化学)、无机化学、有机化学、分析化学等课程组成。化学原理作为理论教学内容,在对中学化学知识总结提炼上升到理性认识高度的基础上,对后继无机化学、有机化学作为应用教学内容提供理论基础。第二阶段由物理化学加后继专业或专业基础课程、选修课程组成。物理化学作为理论教学内容,既将先前所学无机化学、有机化学等知识从理性上加以认识提高,又为后继课程提供理论基础。[2]在专业教育的范畴内,物理化学是工科,尤其是化工、冶金、轻工等各专业必备的化学理论基础,它衔接基础理论和相关的专业课程,是一门专业基础课程。
二、物理化学课程的教学内容
物理化学提供应用于所有化学以及相关领域的基本概念和原理,严格和详细地阐释化学中普适的核心概念,以数学模型提供定量的预测。因此,物理化学是分析化学、无机化学、有机化学和生物化学课程,以及其他相关前沿课题的概念的理论基础。总体而言,物理化学理论课程可能涉及的教学内容如下:[3]
1.热力学与平衡
标准热力学函数(焓、熵、吉氏函数等)及其应用。熵的微观解释。化学势在化学和相平衡中的应用。非理想系统、标准状态、活度、德拜-休克尔极限公式。吉布斯相律、相平衡、相图。电化学池的热力学。
2.气体分子运动学说
麦克斯韦-玻耳兹曼分布。碰撞频率、隙流速度。能量均分定律、热容。传递过程、扩散系数、黏度。
3.化学动力学
反应速率的微分和积分表达式。弛豫过程。微观可逆性。反应机理与速率方程。稳定态近似。碰撞理论、绝对速率理论、过渡状态理论。同位素效应。分子反应动力学含分子束、反应轨迹和激光。
4.量子力学
薛定谔方程的假定和导出。算符和矩阵元素。势箱中的粒子。简谐振子。刚性转子、角动量。氢原子、类氢离子波函数。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氢分子离子、氢分子、双原子分子。LCAO方法。计算化学。量子化学应用。
5.光谱
光-物质相互作用、偶极选律。线型分子的转动光谱。振动光谱。光谱项。原子和分子的电子光谱。磁共振谱。拉曼光谱、多光子选律。激光。
6.统计热力学
系综。配分函数表示的标准热力学函数。原子、刚性转子、谐振子的配分函数。爱因斯坦晶体、德拜晶体。
7.跨学科的应用
生物物理化学、材料化学、环境化学、药学、大气化学等。物理化学实验课程培养学生用物理化学原理联系定量模型与观察到的化学现象的能力,深化学生对模型定性假设和局限的理解,锻炼他们采用模型定量预测化学现象的基本技能。
学生应能记录正确的测量值,估算原始数据的误差。学生需要理解电子仪器的原理和使用方法,操作现代仪器测量物理性质和化学变化,积累用这些仪器解决实验问题的经验。物理化学实验应含有结合若干实验方法和理论概念的综合实验教学内容。适用于工科化学(化工类)课程体系的物理化学实验教学内容大体如下:
1.热化学实验
计算机联用测定无机盐溶解热。计算机联用测定有机物燃烧热。温度滴定法测定弱酸离解热。差热分析。
2.相平衡化学平衡实验
不同外压下液体沸点的测定。环己烷-乙醇恒压气液平衡相图绘制。液-固平衡相图绘制。凝固点下降法测定物质摩尔质量。沸点升高法测定物质摩尔质量。热重分析。氨基甲酸铵分解平衡常数的测定。
3.表面化学实验
溶液表面张力测定。沉降法测定粒度分布。BET容量法测定固体比表面积。
4.化学动力学实验
量气法测定过氧化氢催化分解反应速率系数。蔗糖转化反应速率系数测定。酯皂化反应动力学。一氧化碳催化氧化反应动力学。甲酸液相氧化反应动力学方程式的建立。可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限的测定。计算机联用研究BZ化学振荡反应。
5.电化学实验
强电解质溶液无限稀释摩尔电导的测定。离子迁移数测定。原电池反应电动势及其温度系数的测定。金属钝化曲线测定。
6.结构化学实验
磁化率测定。分子介电常数和偶极矩的测定。
三、面向专业的物理化学教学内容建设
当然,一个工科类专业的物理化学教学不可能也不必要包含上列的所有内容。因此,各学科专业教学指导委员会根据专业的培养目标和规格,在已经或即将公布的各学科专业的指导性专业规范中,制订了包括物理化学在内的化学课程教学基本内容作为最低要求。如化学工程与工艺专业的规范(研究型)中规定:物理化学可分为两部分,物理化学(I)主要内容为化学热力学和反应动力学等,作为化工主干课的基础,应注意与化工热力学课程和化学反应工程课程的衔接和分界(一些内容可在化工热力学课程和化学反应工程课程中展开,以加强工程背景);物理化学(II)主要内容为溶液理论、统计力学、量子力学等方面的概要以及近展等。各专业的物理化学教学基本内容充分体现了本专业的学科特点,是在保障人才培养质量的前提下,兼顾国内各相关学校的教学条件提出的基本要求。因此,它体现的是该专业人才的知识体系的共性。由于各校的学科背景和教学条件的优势不同,要培养具有特色的专业人才,需要在教学中研究如何在满足各专业的教学基本内容要求的基础上开展物理化学教学。我们认为在教学内容建设中应坚持贯彻下列原则,才能切实发挥物理化学这一门专业基础课程的作用。[4]
1.承前启后,发挥枢纽作用。了解授课对象的先修和后继课程与物理化学的联系,深化化学原理课程中的物理化学理论,介绍其在后继专业课程中的应用,以开阔视野并兼顾系统性和趣味性。
2.少而精和博而通。传统的基础内容要突出重点,讲深讲透,体现学科框架;选择介绍相关前沿的内容以扩大知识面。
3.提倡内容侧重的多样化。针对不同专业时要不拘一格,倡导内容侧重的多样化;即便面对同一专业,内容侧重亦应有宽松的选择余地。
4.体现工科特色,强调应用性和实践性。引入研究型实践项目,使学生加深对理论的理解,提高应用水平。
四、建设物理化学教学内容的措施
华东理工大学物理化学教研室在国家精品课程和国家级教学团队建设过程中,以提高专业人才的教育质量为目标,采取了一系列措施,提高物理化学课程的教学水平和质量,促进相关专业的课程体系建设。
1.根据授课专业的先修、后继课程,研读相关教材,如化学工程与工艺专业的现代基础化学、化工热力学、化工原理、化学反应工程、化工过程分析与合成教材,了解其改革动向和内容变革,并且请有关学科的学术带头人做物理化学在学科领域应用介绍的报告,提出教学内容改革建议。这样做的结果一方面可以避免教学内容上不必要的重复,另一方面可以合理地选择教学内容侧重,实现化学基础课程与专业课程的合理衔接。
2.编写教材和教学参考书,保障教学基本内容的教学质量,介绍物理化学学科发展、在交叉领域的应用;介绍溶液模型、线性自由能关系等半经验方法,以衔接后继课程。近年来编写或修订出版了《物理化学参考》、《物理化学》(第五版)、《物理化学导读》、《物理化学释疑》、《物理化学教学与学习指南》。开展教学研讨,提高教师队伍的学识水平和在教学中贯彻少而精、博而通教学思想的能力。
3.制作相关前沿课题和理论应用实例,如“正、负离子混合表面活性剂双水相系统及其微观结构”、“温室气体CO2的捕集和封存(CCS)技术”、“复杂材料的微相平衡和结构演化的数学模拟”、“离子液体的合成、性质和应用”等教学素材,进行教学资源的储备。
4.由科学研究项目提炼研究型教学实验,如“界面上聚乳酸PLA膜的结构特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS测定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各类研究性课题,如“生物柴油的制备及性能检测”、“Gem-ini表面活性剂连接基团对合成硅基介孔材料结构的影响”等。
量子化学和量子力学的关系范文第4篇
一、化合价概念的历史演变
化合价概念从提出到现在,已经一个半世纪,随着人们对分子及分子结构的认识越来越深入,早期那种认为可用整数定量量度化学元素性质的化合价概念已经过时,化学家的注意力已转向用分子轨道理论来讨论化学键的本质。从历史发展的角度来看,化合价概念的演变与发展经历了四个重要阶段:化合价的提出、化合价概念的发展、化合价的电子理论阶段和分子轨道理论阶段。
1.化合价概念的提出
1852年,英国化学家弗兰克兰在研究金属有机化合物时提出了化合价的思想,认为金属或其他元素的每一个原子在化合时具有一种特殊的性质——化合力,即任何一个原子都有和一定数目的其他原子结合的性质。“化合力”概念的提出揭示了元素化合力与基团化合力之间的联系,“化合力”后来被德国化学家凯库勒翻译为“价”,得到欧洲各国的普遍认可;我国早期使用的术语是“原子价”,1991年公布的《化学名词》中译为化合价,并给出定义:一定数目的一种元素的原子只能跟一定数目的其他元素的原子化合,这种性质叫做化合价。
2.“化合价”概念的发展
化合价的概念提出后,在较长的时间内并没有相应的理论去解释原子间结合的原因,直到化学家们把研究重点从化合价的本质转移到原子结合的数量关系上。21世纪,原子结构理论的建立为揭示化合价的本质奠定了基础。1861年,俄国有机化学家特列洛夫首先提出“化学架构”的概念,并指出物质的化学性质决定于它的化学结构,通过化学性质的研究可以推测化学结构,反之,根据化学结构又可预见物质的化学性质。随着有关分子结构理论的不断充实,原子间结合为分子的空间取向等问题逐步被解释了,但是人们无法回答分子间作用力的实质问题,1916年美国化学家路易斯在《原子和分子》中阐释了化合价的电子理论,解释了分子间作用力的实质,提出:原子失去或获得电子后形成稳定的电子结构,金属原子易失电子,非金属原子易得电子形成负离子,正、负离子间的静电库伦力是离子间形成化合价的本质。
3.电子理论的发展
1927年,英国化学家海特勒和德国化学家伦敦把量子力学理论应用到分子结构中来,后来又经过美国化学家鲍林等人的发展,建立了现代价键理论(简称VB法,又叫电子配对法),1931年,由鲍林和斯莱托创立了杂化轨道理论。价键理论和杂化轨道理论都认为,原子的化合价与原子核外电子层中未配对的电子数目相等。因为有几个未配对电子,就可以借电子对的形式来形成几个共价键,从而生成具有一定稳定结构的分子。例如:H、F、O、N、He、Ne基态时原子核外未配对电子数分别是1、1、2、3、0、O,所以它们的化合价也分别为1、1、2、3、0、0。
4.分子轨道理论阶段
化合价的电子理论虽然对解释化学键的本质起了重要作用,但是它无法解释后来逐步发现的缺电子分子、夹心面包型分子或分子片等实验事实。
1931年鲍林提出了杂化轨道理论和电价配键、共价键的配合物价键理论,1932年美国化学家密立根和德国化学家洪特等人创立了分子轨道理论(简称MO理论),以及随后提出的单电子键、三电子键和缺电子键等概念,使化学家们对原子间相互化合的形式、结构、性质等的认识进一步深化和发展,同时也使化合价的传统概念暴露出来这样那样的缺陷。1938年,鲍林出版了《化学键本质》一书,宣告了用整数定量量度化学元素性质的化合价的消亡,并引导化学家们将注意力转到探索化学键的本质上来。至此,人们开始清醒地认识到用化学键数目来计算原子的化合价的方法是行不通的,至少在有些类型的化合物中是无法应用的。这类化合物中的化学键及化合价需要用量子化学理论来讨论,在这些分子中原子的化合价不再是整数,而可能是分数或小数。
二、化合价的学习困难分析
通过对化合价概念的演变与发展的历史回顾,我们可以看到,在第一阶段的化合价概念仅仅回答了原子间相互化合的数量关系。第二阶段则将化合价的数值与共价键数目或原子中未配对电子数目画上等号,从而使化合价这一起初比较抽象的概念变得具体起来。第三阶段,化合价的分子轨道理论为揭示化学键的本质提供了理论基础,同时说明用整数定量度量原子化合价的概念已经过时,对于奇数电子的分子、缺电子分子和夹心面包型分子中原子的化合价,必须用分子轨道理论来阐述才能得到满意的解释。这不断变化的含义,让化合价披上了一层神秘的面纱,也导致了学生化合价学习的困难。
首先,从化合价的发展历程可以看出,化合价这一概念的含义不断在发生变化,而并不是我们现在教材中给出的化合价的含义,所以这就导致了学生学习了化合价概念之后,按照所学的化合价知识去判断其他物质中元素的化合价时,常常会遇到解释不通的时候,比如说四氧化三铁中铁的化合价、过氧化氢中氧的化合价。这样就导致学生难以理解化合价这个概念。
初三学生在学习化合价之前头脑中没有与“化合价”相连接的先行组织者,化合价知识很难与学生的已有知识经验相连接,学生只能靠死记硬背老师教给的口诀,这样学到的知识在练习应用中又频频出错,这对学生来说更是雪上加霜,化合价的学习更加困难。
其次,化合价如此复杂的发展史,对于很多的初中教师也是陌生的,教师在理解化合价时都不能给出其确切的含义,如果要传授给学生,讲到什么程度、怎样讲合适,这对教师来说本身就是一个挑战,所以很多教师则干脆不讲,直接告诉学生一个“化合价记忆口诀”,学生们只会记住这些口诀,而对于化合价什么含义、怎么用,则是一塌糊涂。
三、解决化合价学习困难的教学建议
以上从化合价发展史的角度分析了初中化合价难学的主要原因,在教学中为帮助学生理解化合价的概念,教师要注意以下两个方面:
1.深入挖掘教材内容,注重化合价本质的理解
化合价的内容理论性较强,需要学生的逻辑思维和抽象思维能力强。鲁教版初中化学教科书很好地利用了化合价发展史,教材中在化合价之前先安排原子的构成、元素等章节,让学生先了解了原子的构成、分子的形成以及原子的八电子稳定结构等知识,学生初步具有了从微观的视角来分析问题的能力。然后在“物质组成的表示”一节中提出了“化合价”概念。从教科书内容来看,教科书给出的“化合价”的解释处在了“化合价”历史发展的第二个阶段:在元素化合物中,元素的化合价是由这种元素的一个原子得到或失去电子的数目决定的。这样的编写顺序便于学生理解。
教师应充分利用教科书,对于化合价的教学可以从原子结构等微观入手,利用学生已知的“原子的稳定结构是最外层八个电子”,而大部分的原子的最外层都没有达到八个电子稳定结构,所以在相互化合时元素原子为了达到稳定结构,必然要得到或失去电子,所以元素的化合价与原子的最外层电子数有关,是由原子的结构决定的,是元素的一种属性。学生在理解化合价本质的基础上可以更好的理解化合价的定义。
