正文 第五章 化學教學中思維與能力的培養(二)(3 / 3)

例如,在氯化鈉晶體中,屏幕上先出現1個鈉離子,然後在它的上、下、左、右、前、後各有1個氯離子,每個氯離子周圍又各吸引6個鈉離子,模擬展示出離子之間按照一定的規則排列形成麵心立方晶體的過程。

在氯化銫晶體中,排列的原理與氯化鈉是相同的,即1個陽離子周圍有多大的空間,就盡可能地吸附多個陰離子。因為銫離子比鈉離子半徑大,因此1個銫離子周圍可以吸附8個氯離子,同樣,1個氯離子周圍也有8個銫離子。

在金剛石晶體中,每個碳原子最外層有4個電子,因此每個碳原子可以與4個碳原子成鍵,處在一個小的正四麵體的中心上,這4條鍵是完全一樣的。計算機模擬出碳原子的成鍵過程:先是有1個碳原子,然後它的周圍有4個碳原子成鍵,每個碳原子再與周圍的4個碳原子成鍵,這種結構向空間延伸,得到金剛石的空間網狀結構。

在石墨晶體中,雖然也是由碳原子形成,但碳原子的結合方式不同:每個碳原子與3個碳原子形成3條共價鍵,處在一個小的正三角形的中心上,鍵角為120°;然後每個碳原子再與周圍的3個碳原子成鍵,這種結構在平麵上延伸,最終得到一種平麵的網狀結構。另外,從屏幕上還可以看出,每個碳原子的最外層還有1個電子沒參與成鍵,在這一層內自由移動,於是學生就理解了為什麼金剛石不能導電,而石墨可以導電,原因就在於它們的晶體中是否有能自由移動的電子。

我們還可以借助分解與組合的方法來討論晶體中微粒的歸屬問題。晶體中微粒的歸屬問題是近幾年考試中的一個熱點問題,解決這類問題要求學生具備較強的空間想象力。因此,在介紹這部分知識時,如果能夠在計算機演示的輔助下,就可以把難點分散,降低學習的難度。

小動物推出晶胞的過程,實際上也就是分解的過程。事實上,不僅在科學研究中采取分解、組合的方法,在我們的日常學習中也經常要運用這個方法。要知道,難題、綜合題並不可怕,它也是由若幹基本問題簡單組合或有機結合在一起的。讓我們來看一個例子。

例4、8都是芳香族化合物,1摩爾X水解得到1摩爾8和1摩爾醋酸。8的分子量都不超過200,完全燃燒都隻生成02和1120。且8分子中碳和氫元素總的質量百分含量為652%(即質量分數為0652)。人溶液具有酸性,不能使03溶液顯色。

可見,分解與組合不僅是化學研究中非常基本的觀點,還可應用它解決實際問題。

二、類比與聯想的思維能力

類比與聯想是在表象的分解、組合的基礎上的展開,與分解、組合緊密相連。

(一)什麼是類比

自然界中的事物在形態、運動方式、性質、功能等方麵存在許多相似之處。所謂相似,就是既有相同之處又有差別。例如構成物質的微粒有原子、分子和離子,但具體到不同的物質,則是由不同的微粒構成的,有些物質由分子構成,有些物質由原子直接構成,還有些物質是由離子構成的。事物發展過程中,會有許許多多的相同處與差別反映到我們的頭腦中,形成思維的方法氣我們稱之為類比。類比是一種特殊的思維方法,它運用事物間的相似性,通過比較同異,抓住事物的特征和本質屬性的方法。

這也是一種重要、常用的思維方法,是完成人們認識事物的兩個階段——從感性認識上升到理性認識、從理性認識到實踐的基本手段和途徑。

(二)類比的方法在科學發現中的作用

在科學研究中,很多新領域的探索都應用到類比的方法。例如,作為電化學實驗基礎的“伏打電池”的發現,竟然是受到一篇解剖學家論文的啟發。意大利的一位解剖學教授發現一個奇特的現象:有一隻已解剖的青蛙放在起電機旁,當用金屬的手術刀碰到蛙腳上外露的神經時,蛙腳就劇烈地抽搐。這位教授感到很奇怪,就變換方式又進行實驗,他發現隻要用兩種不同的金屬接觸蛙的肌肉,肌肉就會劇烈而持續地屈伸抽動。他把他的實驗結果寫成論文。意大利的物理學家伏打對此現象很感興趣,他將實驗稍做改進,親自參與來體會這個現象。他把一根由兩種金屬接起來的彎杆,一端與眼睛接觸,另一端放在嘴裏,在接觸的瞬間就產生光亮的感覺;當舌頭同時舔著金幣和銀幣時,一旦用導線連接兩個硬幣就會產生苦覺。從這一係列的實驗,伏打想到,這幾個試驗中本質上相同的是都有兩種不同的金屬的接觸。在此基礎上,他在兩種金屬片中間加鹽水或堿水,並用金屬線把它們連接起來,這時就有電流通過。實驗中的青蛙腿、伏打本人,不過是充當了靈敏的驗電器而已。這個裝置稍作改動,就是我們學過的銅、鋅原電池。

在伏打電池被發現後,化學家開始以電為武器,向物質發起新的進攻。人們在尋找新物質、新元素的過程中,發現有些金屬與氧結合得非常強烈,以至於用碳不能把它們置換出來,於是有些金屬氧化物一直被誤認為是單質。英國化學家戴維曾預言:如果化學親和力真像我大膽設想的那樣,具有電化學特性,那麼物質中的各元素無論其天然電力多強,但總不能沒有個限度;可是“人造發電器”的力量似乎能無限地增大,所以我們可以預期新的分解方法(電解)能使我們發現物質中真正的元素。

戴維試圖確定氫氧化鈉和氫氧化鉀的成分,首先電解了它們的水溶液,當接通電源後,從陽極得到的是氧氣,陰極得到的是氫氣,實質上就是水被電解了,溶質並沒有發生變化。戴維意識到水的存在幹擾了這個反應,便改用氫氧化鉀固體,將它熔化後,終於在陰極的表麵生成了鉀,但是鉀在空氣中很快就被氧氣氧化,發生燃燒。經過改進,在陰極的表麵看到了有金屬光澤、像水銀的珠子出現,這就是析出的金屬鉀。他用相同的方法製得了金屬鈉,還想用相同的方法製得金屬鈣。但是氫氧化鈣的熔點很高,超過了2000尤,所以這條路行不通。這時他受到瑞典化學大師貝采裏烏斯的啟發,把石灰和氧化汞按一定比例放在白金皿中電解,終於製得了鈣(貝采裏烏斯曾用這種方法製得鋇汞齊)。

在足球烯分子的發現過程中,也應用到類比的思維方法。科學家們研究發現,在約25億年以前,一個長912千米的小行星或彗星曾經撞擊地球,消滅了地球上的海洋生物和地麵上的脊椎動物。物理學家們在研究星際塵埃中長鏈碳分子的形成和光譜的工作中意外地發現了一種籠狀的分子,經過實驗測定:每個分子中含6070個碳原子數,在強烈的激光脈衝輻照下產生的碳團簇中,具有超常的穩定性。人們對碳化學的研究是否揭開了新的篇章呢?科學家們嚐試各種方法,試圖在實驗室中製備出。最後他們采用了類比的方法,在實驗室中模擬太空中小行星撞擊地球的條件,在高溫、高壓的條件下,通人惰性氣體,用激光照射石墨表麵,釋放出來的由碳原子構成的碎片經氣相的熱碰撞反應,成為新的碳原子簇,被氦氣流冷卻,就得到了碳原子簇。實驗室中製得的實驗裝置在探索生命起源的過程中,非常關鍵的一步就是從無機物到有機物的轉化。這個反應在自然界需要幾億年的時間,科學家在實驗室中,模擬原始大氣的條件下,可以在較短的時間內再現這個反應。美國的米勒教授用甲烷、氨氣、氫氣和水汽混合成一種與原始地球大氣基本相似的氣體,把它放進真空的玻璃儀器中並連續施行火花放電,以模擬地球大氣中的閃電。一個星期之後,他發現了混合物中出現了氰化氫和甲醛,進而又得到了5種構成蛋白質的重要氨基酸,有了氨基酸,氨基酸分子之間就可以在適當的條件下繼續起反應縮和成為二肽和多肽,進而得到核酸和蛋白質,最終發展成為生命。