人教版高中化學(xué)教科書中的幾個化學(xué)常用符號溯源

宋悅 裴波

摘要：在化學(xué)學(xué)科中，有一些專用或者借用其他學(xué)科的語言或符號。在實際教學(xué)中，如果中學(xué)生不能對一些化學(xué)常用符號進行準確理解，就會出現(xiàn)原則性錯誤，不利于化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)。作者對化學(xué)常用符號進行了分類，介紹了幾個典型的化學(xué)常用符號的歷史，希望能給一線化學(xué)教師提供一些參考。

關(guān)鍵詞：化學(xué)常用符號；分類；溯源；教科書

文章編號：1008-0546（2023）09-0075-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.015

一、問題的提出

化學(xué)常用符號在化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)中有著非常重要的地位，它穿插于整個化學(xué)學(xué)習(xí)的過程中。學(xué)生如果想在化學(xué)學(xué)科中取得良好的成績，掌握和可以自如地運用化學(xué)常用符號是必要的條件。大多數(shù)化學(xué)常用符號的學(xué)習(xí)對學(xué)生來說是一個新的開始，學(xué)生通常是首次接觸一些化學(xué)常用符號。若想自如地運用化學(xué)常用符號，首先要理解符號本身的含義，而各個符號的歷史則是學(xué)生理解符號含義的重要媒介。

二、化學(xué)常用符號的分類

根據(jù)化學(xué)常用符號自身的類型和特點，結(jié)合已有的相關(guān)概念和物理學(xué)知識，筆者將化學(xué)常用符號分為物理量和其他化學(xué)符號兩類。

1．物理量

物理量是指物理學(xué)中所描述的現(xiàn)象、物體或物質(zhì)可定性區(qū)別和定量確定的屬性，一般情況下都是用數(shù)字和單位組合表達。物理量的最大特點就是可以通過方法對它進行測量，最終結(jié)果可以用數(shù)值和單位表達。

人教版高中化學(xué)教科書中的常用物理量的名稱、表示符號、單位名稱（國際標準）及單位符號見表1。

2．其他化學(xué)符號

一些符號既不屬于化學(xué)用語，又不屬于物理量，所以將其歸類在其他符號中，依據(jù)這些化學(xué)常用符號的特點將它們分類為計算類和縮寫類兩種，見表2。

計算類符號意指可以通過計算其數(shù)值得到物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)等的符號，其中除了化學(xué)反應(yīng)速率可以通過數(shù)字和單位的方式表示計算結(jié)果，其他符號都沒有與之對應(yīng)的單位；縮寫類符號意指通過對一些固定化學(xué)名稱進行簡寫來方便書寫和記憶的符號。

三、幾個典型化學(xué)常用符號溯源

筆者選取了幾個典型的化學(xué)常用符號，對它們的含義和從發(fā)現(xiàn)到發(fā)展到成型作簡單的說明。

1．相對原子質(zhì)量

1803年，道爾頓提出了原子論時首次提出了“同種元素的原子性質(zhì)和質(zhì)量都相同，不同元素的性質(zhì)和質(zhì)量各不相同，原子質(zhì)量是元素基本特征之一”的觀點，這也是人們研究原子質(zhì)量的起點。同年，道爾頓用氫的原子量為基準公布了6種元素的相對原子質(zhì)量。在接下來的幾年中，道爾頓用他沒有實驗數(shù)據(jù)支撐的方法確定了37種元素的相對原子質(zhì)量，然而都與正確數(shù)值相差甚遠。

基于道爾頓的理論，許多化學(xué)家都進行了相對原子質(zhì)量的測定。瑞典的貝采里烏斯基于實驗給出了49種元素的相對原子質(zhì)量，[1，2]相較于道爾頓，他的數(shù)值更加準確；而比利時的斯達和美國的理查茲則利用嚴密的實驗手段和高精準的儀器使相對原子質(zhì)量的測定更加精確，得出的實驗數(shù)據(jù)甚至可以達到小數(shù)點后4位。

值得注意的是，雖然在實驗中獲得的是原子的相對質(zhì)量，但此時仍然稱其為“原子量”而非“相對原子質(zhì)量”。

1929年，伴隨著同位素的發(fā)現(xiàn)，相對原子質(zhì)量的基準選擇成為了新的問題。直至1959年，馬陶赫將以12C=12為基準的方案報告給國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會并被予以接受和采用后，一個可以被世界認可的相對原子質(zhì)量的基準產(chǎn)生了。

由此，相對原子質(zhì)量也有了對應(yīng)的物理量符號—Ar。相對原子質(zhì)量的英文全稱為“Relative atomicmass”，物理量符號中的“A"表示原子（atom），“r"表示相對（ relative）。

為了紀念道爾頓對測定相對原子質(zhì)量作出的貢獻，“道爾頓”這個名詞被人為賦值為12C的1/12，是可以用來衡量原子或分子質(zhì)量的單位。

2．阿伏伽德羅常數(shù)

1811年，意大利化學(xué)家阿莫迪歐·阿伏伽德羅首次提出了分子假說——“同體積的氣體，在相同的溫度和壓力時含有相同數(shù)量的分子”。而“阿伏伽德羅常數(shù)”則是這個假說的衍生。阿伏伽德羅提出這個假說之后并沒有給這個常量命名，在1909年，法國的讓·佩蘭建議把此常量命名為“阿伏伽德羅常量”。

真正得出阿伏伽德羅常量的具體數(shù)值是在1865年，由奧地利的約翰·約瑟夫·洛施米特通過計算某個固定體積的氣體中所包含的分子數(shù)量（即理想氣體的數(shù)量密度），此常數(shù)與阿伏伽德羅常量大約可成正比例得出的。

1910年，因為羅布特·密立根測量出了一個電子所帶的電荷，結(jié)合麥可·法拉第于1834年提出的“阿伏伽德羅常量可由一摩爾電子的電荷除以單個電子的電荷得出”的觀點，人們可以更加精準地計算出阿伏伽德羅常量的數(shù)值。

讓·佩蘭最早提出“阿伏伽德羅常量”這個名稱時以符號“Ⅳ”來代表它，直至1971年，第14屆國際計量大會將摩爾列為國際單位制基本單位之后，物質(zhì)的量成為了一個獨立的物理量，阿伏伽德羅常量也成為了熱學(xué)常量。2018年，國際計量大會將1摩爾進行了準確的定義及說明。為了將阿伏伽德羅常量表示符號與粒子數(shù)表示符號作區(qū)分，同時也為了紀念阿伏伽德羅，阿伏伽德羅常量也由符號“Ⅳ”改成了現(xiàn)行課本中的“NA”。

3．相對分子質(zhì)量

首個明確提出“分子”這個概念的是意大利的阿伏伽德羅，他在仔細分析蓋·呂薩克和道爾頓的分歧時發(fā)現(xiàn)僅用原子理論去解釋氣體實驗是完全行不通的，必須用新的理論來解決道爾頓的原子理論與實驗事實之間的矛盾。在這個背景下，阿伏伽德羅提出了他的分子假說。然而在他提出假說之后直至去世，阿伏伽德羅的分子假說都沒有被學(xué)術(shù)界正視和接受。這種對于分子、原子之間的模糊認知最終在1860年的國際化學(xué)家代表大會上，在意大利的斯坦尼斯勞·康尼查羅的努力下結(jié)束了，他在會議上再次提出了阿伏伽德羅的分子假說，并給分子和原子下了準確的定義。經(jīng)歷過長時間關(guān)于分子和原子的混亂的科學(xué)家們經(jīng)過分析和討論，最終確定了分子假說的正確性。1959年，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會確定了相對原子質(zhì)量的基準后，相對分子質(zhì)量也隨之有了國際公認的標準。

相對分子質(zhì)量的英文全稱為“Relative molecularmass"，簡稱為M，其中“M”表示分子（molecule），“r”表示相對（ relative）。

4．氫離子濃度指數(shù)和氫氧根離子濃度指數(shù)

氫離子濃度指數(shù)英文全稱為hydrogen ion concen—tration，簡稱為“pH"。其中“p"是德語“Potenz"的縮寫，“Potenz"意思是“濃度”，“H"是氫離子（ hydrogenion）的簡化。[3]

氫氧根離子濃度指數(shù)英文全稱為hydroxyl ionconcentration，簡稱為“pOH"。其中OH代表氫氧根離子（ hydroxyl ion）。

對酸與堿的探討在歷史中具有相當(dāng)長時間的跨度和難度。首個對酸進行定義的是英國的羅伯特·波義爾，他認為能讓藍色石蕊色素變成紅色的液體都是酸或酸的水溶液。接下來，學(xué)術(shù)界對酸中的哪種元素能夠使物質(zhì)呈現(xiàn)酸性進行了探討，1799年，拉瓦錫提出這種元素是氧元素；在1808年，英國的漢弗萊·戴維指出氫元素才是致使物質(zhì)呈現(xiàn)酸性的元素。1887年，瑞典的思萬特·奧古斯特·阿倫尼烏斯重新對酸和堿進行了定義，他認為溶于水后產(chǎn)生氫離子的物質(zhì)是酸，而溶于水后產(chǎn)生氫氧根離子的物質(zhì)是堿。1 923年，丹麥的約翰尼斯·布朗斯特德和英國的馬丁·洛瑞分別獨立地對酸和堿進行了定義，他們認為能給予其他物質(zhì)氫離子的物質(zhì)是酸，能從其他物質(zhì)處獲得氫離子的物質(zhì)是堿。

當(dāng)然，僅對酸和堿下定義或是判斷物質(zhì)的酸性或堿性是不夠的。德國的弗里德里?！た茽杽谑┰跍y定水溶液的導(dǎo)電性時發(fā)現(xiàn)水的導(dǎo)電性永遠不可能為O。于是，科爾勞施在常溫下測定了1L水中的氫離子濃度和氫氧根離子的濃度，他發(fā)現(xiàn)氫離子濃度和氫氧根離子的濃度均為10-7mol，也就是說，水中的水分子中的一部分會分解成氫離子和氫氧根離子。在科爾勞施研究的基礎(chǔ)上，丹麥的索倫·索倫森為了對表示氫離子和氫氧根離子的濃度作出簡化，提出可以用“1 0的負多少次方”中的“多少次”來表示氫離子或氫氧根離子的濃度，這就是氫離子濃度指數(shù)（pH）和氫氧根離子濃度指數(shù)（pOH）的由來。

5．溶度積

溶度積，即沉淀的溶解平衡常數(shù)，英文全稱為sol—ubility product，簡稱為Ksp，其中“K"的意思是化學(xué)平衡常數(shù)（equilibrium constant），“s"代表溶解度（solubili—ty），“p"代表乘積（product）。

溶度積的大小可以從數(shù)據(jù)上反映難溶電解質(zhì)的在水作為溶劑時的溶解能力，是研究沉淀平衡的重要依據(jù)。人們對沉淀的研究有著上千年的實踐歷史，公元260年，羅馬的勞地齊亞市是最早發(fā)明并利用沉降水庫來給城市供給相對清澄的水的城市之一。而最早應(yīng)用混凝劑來促進沉淀更好地產(chǎn)生的國家則是中國，早在17世紀末，中國人就已經(jīng)掌握了利用明礬讓黃河水變得清澈的方法。

最早提出溶度積這個概念的是德國的能斯特，能斯特在電化學(xué)領(lǐng)域貢獻突出，最卓越的成就是提出了可以解釋電極電位和溶液濃度之間關(guān)系的能斯特方程。同時，能斯特在溶解度的研究方面也有著卓越貢獻。1888年，他在《物理化學(xué)雜志》上發(fā)表了一篇關(guān)于溶解度的論文，在其中提出了溶度積這個概念并以此為基礎(chǔ)對化學(xué)變化中的沉淀反應(yīng)作出了說明。在1890年，能斯特在他研究的基礎(chǔ)上又提出了兩種不同溶劑中被溶解的溶質(zhì)的分配定律。

6．電離平衡常數(shù)

1834年，法拉第在《關(guān)于電的實驗研究》中首次提出了“電解質(zhì)”這一概念，他經(jīng)過對溶液的定量電解實驗得出了“電流通過電解質(zhì)溶液時電解質(zhì)發(fā)生分解，即先通電流，后有離子”的結(jié)論。[4]

而在1883年，瑞典的阿倫尼烏斯在他的博士論文中基于實驗測量和計算提出了“電解質(zhì)分子在溶液中自動電離，不是因為通電才發(fā)生離解”這一觀點。緊接著阿倫尼烏斯在范霍夫滲透壓方程的基礎(chǔ)上對電離理論進行了進一步的研究，并于1887年發(fā)表了《關(guān)于溶質(zhì)在水中的離解》這篇文章，他在實驗的基礎(chǔ)上對水溶液中物質(zhì)形態(tài)的理論進行了總結(jié)，自此電離理論正式確立。同年，阿倫尼烏斯基于電離理論提出了關(guān)于酸堿的本質(zhì)觀點——酸堿電離理論。

阿倫尼烏斯的電離理論引發(fā)了約15年的爭論，他在此期間也發(fā)表了八篇論文證實自己的觀點，并在研究中給出了45種電解質(zhì)的電導(dǎo)數(shù)據(jù)。1900年，在國際物理學(xué)會議上，阿倫尼烏斯對電離理論進行了系統(tǒng)的論述，自此關(guān)于電離理論的爭論結(jié)束了。

由于阿倫尼烏斯的電離理論是在弱電解質(zhì)模型下得出的，所以僅適用于弱電解質(zhì)的電離，不適用于強電解質(zhì)的電離。20世紀20年代，P．德拜和L．昂薩格等研究了強電解質(zhì)稀溶液的靜電理論，豐富了電離理論。

電離平衡常數(shù)的大小說明了弱電解質(zhì)的電離能力，分為弱酸的電離平衡常數(shù)（K）和弱堿的電離平衡常數(shù)（Kb），其中“K"表示化學(xué)平衡常數(shù)，“a"代表酸（acid），“b”代表堿（base）。

四、結(jié)語

作為教師，應(yīng)該在對教科書中的知識進行全面、深入理解的基礎(chǔ)上，用發(fā)展的眼光看待科學(xué)的進程。教學(xué)中，更應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有生活生產(chǎn)中的真實問題對教科書進行二次加工，設(shè)置情境進行教學(xué)。

1．以歷史發(fā)展為主線進行化學(xué)史教育

傳統(tǒng)教學(xué)模式主要以邏輯方法為主，而基于化學(xué)史的教學(xué)設(shè)計則以化學(xué)知識的歷史發(fā)展為主線，展現(xiàn)化學(xué)概念、原理的形成與發(fā)展過程，探尋知識的來源，使得化學(xué)知識不再是沒有生命力的冰冷事實的堆積。例如：在電解質(zhì)教學(xué)中，向?qū)W生呈現(xiàn)電解質(zhì)概念的由來，可讓學(xué)生從本質(zhì)上理解電解質(zhì)的概念；呈現(xiàn)阿倫尼烏斯電離理論的發(fā)展過程，可使學(xué)生在與科學(xué)家的思想交鋒中加深對電離的理解；酸堿理論的展現(xiàn)，則可使學(xué)生在對比中加深對酸堿概念的理解。

2．對化學(xué)史進行適當(dāng)加工

在利用化學(xué)史進行教學(xué)時，教師不可避免地會向?qū)W生呈現(xiàn)大量的化學(xué)史實，呈現(xiàn)給學(xué)生的化學(xué)史實一定是教師經(jīng)過篩選提煉重組的，這些化學(xué)史必須有利于學(xué)生對化學(xué)核心概念的理解。比如，電解質(zhì)部分的歷史材料非常豐富，限于教學(xué)的要求和學(xué)生的認知水平，只向?qū)W生呈現(xiàn)與電解質(zhì)和電離概念緊密相關(guān)的材料，而其他歷史資料學(xué)生有興趣可自行查閱。

參考文獻

[1] 張家治．化學(xué)史教程[M].太原：山西教育出版社，1987：263．

[2] 趙匡華，化學(xué)通史[M]．北京：高等教育出版社，1990：102，122，124．

[3] 李發(fā)美．分析化學(xué)（第五版）[M]．北京：人民衛(wèi)生出版社，1986：111．

[4] 吳偉麗．中外化學(xué)故事[M].鄭州：中州古籍出版社，2013：229-230.