由物理公式解決化學(xué)問題淺談學(xué)科間聯(lián)系

許俊生

摘要：本文利用庫侖力公式來幫助學(xué)生理解化學(xué)選修3中離子鍵強(qiáng)弱、金屬鍵強(qiáng)弱、氫鍵形成及強(qiáng)弱判斷等基本概念，以及利用物理和化學(xué)基本公式推導(dǎo)物質(zhì)的量的濃度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系公式，讓學(xué)生認(rèn)識到學(xué)科間的互通性，并由此聯(lián)想到化學(xué)與其他科目之間的聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：庫侖力公式 離子鍵 金屬鍵 氫鍵 互通思想

在解決化學(xué)問題的時候，我們通常會用到其他學(xué)科的知識，這是因?yàn)閷W(xué)科間是相互關(guān)聯(lián)的。如果我們在教學(xué)中能結(jié)合應(yīng)用，那將對學(xué)生各科的學(xué)習(xí)都有幫助，學(xué)習(xí)效果會更好。

一、用庫侖力公式理解離子鍵、金屬鍵鍵能強(qiáng)弱以及氫鍵形成

（一）用庫侖力公式理解離子鍵、金屬鍵強(qiáng)弱

化學(xué)選修3化學(xué)鍵部分介紹了三種化學(xué)鍵，其中共價鍵的鍵能可以直接由鍵長來判斷。而像離子鍵、金屬鍵鍵能如何判斷呢？能否用學(xué)過的物理知識來幫助理解相關(guān)內(nèi)容呢？

大多數(shù)學(xué)生通過背誦來記憶“離子所帶電荷越多、離子半徑越小，離子鍵越強(qiáng)”，金屬鍵類似只是將陰離子換成自由電子，但是并不理解為什么是這樣。其實(shí)在高二學(xué)習(xí)選修3《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》的時候，物理科目的電磁場相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)學(xué)習(xí)過了，這個時候可以結(jié)合物理知識來理解這一部分內(nèi)容。物理電場中的庫侖力公式可以很好地幫助我們理解這一部分內(nèi)容。庫侖力公式：F=kQ1×Q2r2（k=8.9880×109N·m2C2）。其中F就是庫侖力大小，K是常數(shù)，Q1和Q2分別表示離子化合物的陰陽離子所帶電荷多少或者金屬晶體陽離子和自由電子所帶電荷，而r表示陰陽離子中心距離，對金屬晶體來說r的數(shù)值主要取決于陽離子半徑的大小，這樣就比較容易理解為什么“離子所帶電荷越多（相當(dāng)于公式中Q1和Q2數(shù)值大），離子半徑越小（相當(dāng)于公式中r數(shù)值?。?，形成離子鍵越強(qiáng)（公式中F值大）”，也就比較容易理解為什么第一主族從Li到Rb金屬的熔沸點(diǎn)會降低（因?yàn)樽杂呻娮酉嗤瑝A金屬離子都帶一個單位正電荷，而同主族從上往下，離子半徑增大會使得公式中r增大從而F減小，金屬鍵減弱，破壞起來更容易）。

（二）利用庫侖力公式理解氫鍵的形成

利用庫侖力公式不僅可以解釋離子鍵和金屬鍵強(qiáng)弱，還可以理解氫鍵形成與強(qiáng)弱。氫鍵的形成簡單理解是，當(dāng)一種電負(fù)性很強(qiáng)的元素原子與氫元素原子之間形成共價鍵時，共用電子對會偏向于電負(fù)性強(qiáng)的原子而偏離于氫，這樣會使得很多時刻氫的質(zhì)子暴露出來，相當(dāng)于帶正電，而電負(fù)性強(qiáng)的原子相當(dāng)于帶負(fù)電，然后相鄰分子間產(chǎn)生較弱的靜電作用從而形成氫鍵。這樣我們也可以根據(jù)庫侖力公式來理解氫鍵形成和強(qiáng)弱：（1）要想形成氫鍵，首先要求另一個元素電負(fù)性值比較大，否則不會出現(xiàn)共用電子對明顯地偏離于氫而使得兩個原子形成公式中的Q1和Q2。（2）由于氫鍵不是化學(xué)鍵，作用力比較微弱，作用范圍也較小，因此公式中r要比較小，和氫形成共用電子對的元素原子半徑要比較小。

根據(jù)上述要求，能滿足條件的只有N、O、F三種元素（其他元素，如C的電負(fù)性較小，不能形成明顯的Q1和Q2，而Cl的半徑r值大，F(xiàn)值?。?，而且我們根據(jù)公式中r大小可以判斷出單個氫鍵強(qiáng)弱：H…F>H…O>H…N

以上就是利用物理庫侖力公式來理解《化學(xué)》選修3中離子鍵、金屬鍵、氫鍵的相關(guān)知識。有了庫侖公式，我們就不用死記硬背相關(guān)定義，能夠從根本上理解離子鍵、金屬鍵強(qiáng)弱及氫鍵形成和強(qiáng)弱，知識點(diǎn)掌握得更牢固。

二、物質(zhì)的量的計(jì)算中物理公式的應(yīng)用

物質(zhì)的量及其相關(guān)計(jì)算在高中化學(xué)知識中屬于需要重點(diǎn)掌握的內(nèi)容，其中很多公式與推導(dǎo)都需要應(yīng)用物理的基本公式。例如：常用的物質(zhì)的量濃度（c）與質(zhì)量分?jǐn)?shù)（ω）、密度（ρ）之間關(guān)系的公式：c=ρωM，我們就可以用化學(xué)及物理相關(guān)的基本公式進(jìn)行推導(dǎo)。首先，物質(zhì)的量濃度c=nV，又根據(jù)物質(zhì)的量與質(zhì)量的關(guān)系n=m質(zhì)M及物理公式中溶液體積與質(zhì)量、密度的關(guān)系V=m液ρ，可推導(dǎo)得c=m質(zhì)/Mm液/ρ，再根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)公式ω=m質(zhì)m液推導(dǎo)得c=ρωM。

學(xué)生會應(yīng)用基本化學(xué)及物理公式推導(dǎo)常用公式，既可以加深對公式的理解，又能注意到公式細(xì)節(jié)的變化，公式掌握得更加牢固。常見的其他一些基本物理公式如理想氣體狀態(tài)方程：pV=nRT，電量和電流、時間公式：Q=It 等公式在化學(xué)中也有著廣泛應(yīng)用，可以幫助我們理解和推導(dǎo)相關(guān)化學(xué)公式。

三、由物理公式解決化學(xué)問題看化學(xué)與其他學(xué)科間的聯(lián)系

大家都知道高考改革的一個重點(diǎn)就是文理不再分科，很多學(xué)生一開始很茫然，不知道高考改革后應(yīng)該怎么對待選考科目。其實(shí)我們在學(xué)習(xí)中應(yīng)該認(rèn)真地對待每一門學(xué)科，因?yàn)閷W(xué)科間的相關(guān)性是很強(qiáng)的，如果能融會貫通，那對自己的學(xué)習(xí)會有很大的幫助。以化學(xué)科目為例：

語文學(xué)科可謂是所有學(xué)科的基礎(chǔ)，就化學(xué)學(xué)科而言，化學(xué)知識點(diǎn)的閱讀、化學(xué)用語的使用，甚至化學(xué)用品的命名都離不開堅(jiān)實(shí)的語文基礎(chǔ)。我們要重視語文學(xué)習(xí)，提升自身的閱讀和寫作能力，這樣不僅可以提高語文成績，對其他各科包括化學(xué)在內(nèi)都是大有助益的。

數(shù)學(xué)學(xué)科對大部分學(xué)科來說都屬于“工兵”學(xué)科?；瘜W(xué)課堂教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的過程中，有很多化學(xué)問題需要依靠數(shù)學(xué)知識來解決，一般的化學(xué)計(jì)算中常用到的有列方程式或方程組;而像濃度變化與時間關(guān)系，化學(xué)反應(yīng)速率與時間變化關(guān)系，化學(xué)反應(yīng)的能量變化與過程關(guān)系通常都要應(yīng)用函數(shù)圖像來表示;選修3《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中晶體部分知識要用到立體幾何的相關(guān)知識。學(xué)生利用相關(guān)數(shù)學(xué)知識來解決具體的化學(xué)問題是非常方便的，同時對學(xué)生來說，解決以上問題是學(xué)科間聯(lián)系的一個重要體現(xiàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科綜合能力。

英語和語文一樣是語言學(xué)科，用于閱讀和交流。學(xué)好英語對于其他學(xué)科的學(xué)習(xí)有著很大幫助，例如化學(xué)學(xué)科，如果英語水平高，對于元素符號，各種簡寫的理解和掌握就將更加容易。就學(xué)習(xí)持續(xù)性來講，進(jìn)入大學(xué)后，我們不僅要閱讀中文文獻(xiàn)，而且需要閱讀相關(guān)的英文文獻(xiàn)，這時學(xué)生的英語閱讀能力將起到非常大的作用。

本文一開始探討物理公式是如何解決化學(xué)問題的，化學(xué)與物理之間是有密切聯(lián)系的，學(xué)好物理對于學(xué)習(xí)化學(xué)有極大的幫助，而且今后進(jìn)入大學(xué)更能體現(xiàn)這一點(diǎn)。老師在教學(xué)過程中要引導(dǎo)學(xué)生注意這種學(xué)科間的相互聯(lián)系，有助于學(xué)生建立綜合的學(xué)習(xí)觀念，讓他們感受到在化學(xué)中借用物理的思維及方法往往能收到非常好的效果。

21世紀(jì)是生化的世紀(jì)，生物科學(xué)和化學(xué)科學(xué)之間更是形影不離。如溶液的pH變化與植物根毛區(qū)的離子交換、化學(xué)變化與沼氣發(fā)酵池中的生物知識、食物腐敗中的氧化還原反應(yīng)與微生物的關(guān)系等，化學(xué)和生物兩科學(xué)習(xí)有很多相互關(guān)聯(lián)和知識互補(bǔ)，學(xué)習(xí)時建立兩科相關(guān)知識點(diǎn)聯(lián)系對兩科學(xué)習(xí)都有很大的益處。

綜上所述，高中階段各個學(xué)科之間有著密切的聯(lián)系，教師在教學(xué)過程中要注意引導(dǎo)學(xué)生通過化學(xué)知識點(diǎn)建立與其他學(xué)科知識點(diǎn)的聯(lián)系，相互滲透、交叉和綜合，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識分析和解決問題的能力。學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中也應(yīng)該注意和其他學(xué)科相結(jié)合，幫助化學(xué)以及其他學(xué)科的學(xué)習(xí)，有時在解題時用到其他學(xué)科思想有可能收到意想不到的效果，讓自己能更快速、更準(zhǔn)確地解決相應(yīng)的題目，對知識的理解能更上一層樓，更容易實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，這樣也正好符合新高考的理念。

參考文獻(xiàn)：

熊云貴.培養(yǎng)學(xué)生理科綜合能力的探索[J].化學(xué)教育，2002（3）.