大學無機化學實驗及化學史教育的探討

【摘 要】大學無機化學實驗是一門基礎化學實驗課程，以化學理論知識為依托，通過對無機化學實驗的規(guī)范操作，體現了實驗學科的重要作用。本文重點介紹了四個無機化學實驗，驗證元素及化合物的性質，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，熟悉無機化學實驗的基本操作。同時簡要分析了化學科學的利與弊，闡述了化學學科的歷史現狀和發(fā)展前景。為化學教育工作者提供了一定的參考資料。

【關鍵詞】化學史;無機化學實驗

中圖分類號： O61-4;G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0114-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.054

1 淺談化學史

化學是一門古老的科學，是人類在長期的社會實踐過程中逐漸形成的，它的發(fā)展歷史可以追溯到原始社會。化學史不僅是科學史的一個重要分支，同時也是化學學科的重要組成部分。可以說化學史是化學歷史發(fā)展的高度概括和總結[1]。

原始人類擊石、鉆木取火，利用火寒夜取暖，烘烤食物，驅趕猛獸，充分利用燃燒時的發(fā)光發(fā)熱現象。人類使用火，便是最早的化學實踐活動。人類不僅可以使用工具，而且可以用工具來制造工具。工具的更新造就了人類文明的進化，同時，人類文明的進化也促進了工具的更新。在科學實驗中，儀器就是科學家們的工具，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。在化學的萌芽時期，雖然沒有形成化學知識，但卻在實踐經驗的直接啟發(fā)下，經過長期摸索形成了最早的化學工藝。

隨著人類社會的發(fā)展，人們對物質的認識也在一步步深入。古人曾根據物質的某些性質對物質進行分類，并企圖追溯其本原及其變化規(guī)律。公元前4世紀，中國提出了陰陽五行學說，認為萬物是由金、木、水、火、土五種基本物質組合而成的，此說法是樸素的唯物主義自然觀。幾乎與此同時，古希臘也提出了與五行學說類似的火、風、土、水四元素說和古代原子論[3]。這些樸素的思想，即為物質結構及其變化理論的萌芽。燃素說認為可燃物能夠燃燒是因為它含有燃素，燃燒過程就是可燃物中燃素放出的過程，盡管這個理論是錯誤的，但它把大量的化學事實統一在一個概念之下，解釋了許多化學現象。1775年前后，拉瓦錫用定量化學實驗發(fā)現了燃燒的氧化學說，并用來解釋燃燒等實驗現象，使化學從定性轉為定量，開創(chuàng)了定量化學時代，使化學沿著正確的軌道發(fā)展。

1803年，英國化學家道爾頓提出了近代原子論，1811年，意大利科學家阿伏伽德羅提出分子學說。自從用原子—分子論來研究化學，化學才真正被確立為一門科學。

化學是人類社會發(fā)展史上的一個偉大創(chuàng)舉?；瘜W知識的形成、化學的發(fā)展經歷了漫長的道路。它伴隨著人類社會的進步而發(fā)展，是社會發(fā)展的必然結果。而它的發(fā)展又推動了人類社會的進步。物理化學之父奧斯特瓦爾德曾說過“啊，化學，美妙的化學！我奉獻出畢生的精力為你工作，而你也為我把嶄新的道路開拓?！?/p>

2 無機化學實驗項目的簡單介紹

實踐是檢驗真理的唯一標準?？茖W實驗，是指根據一定目的，運用一定的儀器、設備等物質手段，在人工控制的條件下，觀察、研究自然現象及其規(guī)律性的社會實踐形式。化學一直是自然科學中很重要的以實驗為主的基礎學科。

大學無機化學實驗項目[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、硝酸鉀的溶解度測定、生物體內幾種元素的定性分析等。以下選取幾個重要的無機化學實驗進行具體分析。

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，簡稱鹵素。它們在自然界都以典型的鹽類存在，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，顏色變深，它們的熔點、沸點、密度、原子體積也依次遞增。氟是元素周期表中電負性最大的元素，是一種反應性能極高的元素。氟化物具有強的腐蝕性，可以用氟化鈉進行玻璃的刻畫。溴單質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。單質碘是紫黑色晶體，易升華，有毒性和腐蝕性，碘單質遇淀粉會變藍色。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化，CrO2-（亮綠色）可以被氧化為CrO42-（黃色）。錳是銀白色金屬，質堅而脆。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，在強酸溶液中可被強氧化劑如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制取硫酸銅，CuO+H2SO4=CuSO4+H2O。將制備得到的硫酸銅在水中結晶，即得到硫酸銅晶體，再將反應產物中不溶性雜質用過濾方法除去，可溶性雜質用重結晶方法除去，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。通過硫酸銅的制備和提純實驗，了解并掌握溶解、過濾、加熱、蒸發(fā)、重結晶等基本操作。

2.4 生物體內幾種元素的定性分析

構成人體的元素很多[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。其它元素在人體內含量很少，不足體重的1%，屬于微量元素。實驗通過對動物骨頭、棉花、樹葉等原材料進行處理，將幾種元素轉化為離子，然后將這些離子用其特效反應一一鑒別出來。本定性實驗檢出Ca、Fe、P等元素是維持生命的重要元素。Ca是動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物體內，也存在于植物體中。

3 化學科學的利與弊

人類社會在化學的推動下不斷發(fā)展，人類社會的進步又推動了化學的發(fā)展。早在古代中國，就發(fā)明了造紙術、印刷術、火藥、指南針。四大發(fā)明是中國古代勞動人民的重要創(chuàng)造，極大地推動了社會的進步。1869年，俄國化學家門捷列夫發(fā)現了元素周期律，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系，在化學及其他科學中得到廣泛使用。諾貝爾在前人反復研究的基礎上，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，促進了化學工業(yè)的發(fā)展。1903年，居里夫人獲得諾貝爾物理學獎。1911年，又因在放射化學方面的成就獲得諾貝爾化學獎。居里夫人發(fā)現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。在她的指導下，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科學與技術帶來的財富、舒適、便捷的同時，也對人類社會產生了許多負面影響?；瘜W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。德國科學家哈伯用了五年時間，做了兩萬多次試驗，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，解決了糧食生產用肥問題。但是在第一次世界大戰(zhàn)期間，德軍在哈伯的指導下研制生產了氯氣和芥子氣等毒氣，并組建了第一支毒氣部隊，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致酸霧，二氧化碳的排放導致溫室效應。隨著化學工業(yè)的發(fā)展，許多污染物的排放嚴重影響了人類的生存環(huán)境。

4 化學科學前景展望

我們每一個人都要尊重科學，秉承一顆嚴謹細致、求真務實的心，培養(yǎng)優(yōu)秀的科學素養(yǎng)?？茖W的發(fā)展是沒有止境的，化學的發(fā)展也決不會停滯不前。自從化學成為一門獨立的學科后，化學家們已經創(chuàng)造出了許多自然界中不存在的新物質。到21世紀初，人類發(fā)現和合成的物質已超過3000萬種。隨著科學技術的發(fā)展，化學與其他學科也在相互滲透。新材料的制備、新能源的利用和化學工業(yè)生產的自動化極大地豐富了人類的物質生活。量子理論的發(fā)展，也使化學和物理學有了更多共同語言，解決了化學中許多尚未解決的問題。2015年，屠呦呦獲得諾貝爾醫(yī)學獎，標志著中醫(yī)藥學正式步入科學殿堂?；瘜W在生物學、醫(yī)學等學科方面的應用，使過去很難解決的蛋白質、酶等結構問題得到深入的研究，生物化學等學科得到快速的發(fā)展。近年來，綠色化學的實施，使更多的化學生產工藝和產品向著環(huán)境友好的方向發(fā)展，化學科學必將使世界變的更加豐富多彩.

【參考文獻】

[1]熊曉君，張月梅.化學教學中化學史的應用價值及策略[J].廣州化工，2018，46（23）：171-172.

[2]朱曉溪.早期化學儀器與化學學科發(fā)展的關系研究[D].上海師范大學，2011.

[3]謝良鐸，伍雄武.原子論的發(fā)展及其方法論問題[J].昆明師范學院學報（哲學社會科學版），1982（03）：3-9.

[4]李月云，張慧，王平.無機化學實驗[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[5]李穎.人體內的化學元素與人體健康[J].課程教育研究，2013（23）：167.作者簡介：呂憶民（1971—），男，漢族，山東濱州人，山東理工大學化學化工學院，高級實驗師，工學碩士，研究方向為化學化工。