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無(wú)機(jī)化學(xué)在地球化學(xué)的應(yīng)用論文
摘要：無(wú)機(jī)化學(xué)課程作為地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，是建立地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力水平的基石。在授課過(guò)程中，以扎實(shí)基礎(chǔ)理論、解決生活實(shí)際問(wèn)題和激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)興趣為目的，通過(guò)穿針引線(xiàn)、旁征博引和因勢(shì)利導(dǎo)的教學(xué)方式，使地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生能夠更好地掌握基礎(chǔ)理論，提高專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，進(jìn)而成長(zhǎng)為高水平的地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人才。
關(guān)鍵詞：地球化學(xué)；無(wú)機(jī)化學(xué)；教學(xué)
地球化學(xué)是地球科學(xué)的重要分支學(xué)科之一，顧名思義，地球化學(xué)就是地球的化學(xué)，它是研究地球（包括部分天體）的化學(xué)組成、化學(xué)作用及化學(xué)演化的學(xué)科，是地學(xué)和化學(xué)邊緣雜交的產(chǎn)物[1]，是建立地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力水平的基石。由于地球化學(xué)是地質(zhì)學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科，那么化學(xué)課程無(wú)疑是地球化學(xué)的基礎(chǔ)。化學(xué)相關(guān)課程作為石油、地質(zhì)類(lèi)院校地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，如何有效地教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其在學(xué)習(xí)這一專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的同時(shí)，對(duì)地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)有所了解，培養(yǎng)對(duì)本專(zhuān)業(yè)的忠誠(chéng)度，是值得探討的問(wèn)題。目前，長(zhǎng)江大學(xué)地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一為無(wú)機(jī)化學(xué)，下面談?wù)劚救嗽跓o(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中的一些嘗試和心得。
一、穿針引線(xiàn)，融會(huì)貫通，扎實(shí)基礎(chǔ)理論知識(shí)
無(wú)機(jī)化學(xué)涉及的知識(shí)面廣，內(nèi)容多，包括大量抽象理論、公式和原理。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，需要花大量時(shí)間掌握。實(shí)際上，很多知識(shí)之間存在著聯(lián)系。只要學(xué)生扎實(shí)掌握了基本概念和原理，教師在講課過(guò)程中起到穿針引線(xiàn)的作用，便可達(dá)到融會(huì)貫通的目的。以平衡常數(shù)K為例，第一次接觸這個(gè)概念是在化學(xué)平衡及其移動(dòng)部分：在一定條件下，任何一個(gè)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)各物質(zhì)的濃度（或分壓）以反應(yīng)方程式中化學(xué)計(jì)量數(shù)為指數(shù)的冪的乘積為一常數(shù)。由于該常數(shù)是由實(shí)驗(yàn)獲得的，故稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)平衡常數(shù)。將相對(duì)平衡濃度（相對(duì)平衡分壓）引入到實(shí)驗(yàn)平衡常數(shù)中，便得到常用的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)Kθ[2]。學(xué)生一旦在首次接觸平衡常數(shù)時(shí)就扎實(shí)掌握，那么對(duì)于后續(xù)章節(jié)，如酸堿平衡的解離常數(shù)（酸堿水溶液中解離的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)），沉淀—溶解平衡的溶度積常數(shù)（難溶電解質(zhì)在其飽和溶液中達(dá)到沉淀－溶解平衡的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)），配位化合物的穩(wěn)定常數(shù)（配位反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)）等便可以很好的理解和把握。通過(guò)這種學(xué)生打好基礎(chǔ)、教師穿針引線(xiàn)的方法，不但可以使學(xué)生將大量知識(shí)內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)，便于掌握，使內(nèi)容看起來(lái)沒(méi)有那么繁多，還可以節(jié)省大量時(shí)間和精力。
二、旁征博引，學(xué)以致用，解決生活實(shí)際問(wèn)題
在學(xué)習(xí)無(wú)機(jī)化學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)常感覺(jué)內(nèi)容枯燥，不易提起學(xué)習(xí)興趣。因而在講課過(guò)程中，由淺入深，理論聯(lián)系實(shí)際就尤為重要。將課本內(nèi)容與生活現(xiàn)象、社會(huì)時(shí)事和科學(xué)前沿結(jié)合起來(lái)，既可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，也可以達(dá)到學(xué)以致用的目的。介紹熵增原理時(shí)，可以將古語(yǔ)“由儉入奢易，由奢入儉難”作為引子，來(lái)闡述在沒(méi)有外力作用下，事物都有向混亂度增大（也就是熵增大）的方向變化的趨勢(shì)，儉樸的生活要自我約束才能做到。同樣，想把某個(gè)東西變得更好、更有序，就要對(duì)它做功。比如，要成就一番事業(yè)，就要加倍努力，付出多于常人；要保持好的身材，就要不斷地健身和控制飲食；要做個(gè)有修養(yǎng)、有氣度的人，就要時(shí)刻注意自己的言行，不斷地修為。以上都是不同形式的做功。拓展了這些內(nèi)容，使同學(xué)深刻理解知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，進(jìn)一步明白“只有付出，才會(huì)有收獲”這一道理。將教學(xué)內(nèi)容與社會(huì)熱點(diǎn)相結(jié)合，也可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。如目前霧霾已經(jīng)成為城市大氣污染的一個(gè)主要方面，霧霾作為一個(gè)分散系統(tǒng)，其組成成分、危害性、監(jiān)測(cè)方法和防治方法等，都可以引導(dǎo)同學(xué)關(guān)注。這些內(nèi)容的引入，使同學(xué)獲得相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，關(guān)注社會(huì)時(shí)事和熱點(diǎn)，不因在校學(xué)習(xí)而脫離社會(huì)，在一定程度上，也有助于培養(yǎng)大學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。同時(shí)，一些長(zhǎng)期以來(lái)懸而未決的化學(xué)問(wèn)題也是年輕大學(xué)生的興趣點(diǎn)，如姆佩巴效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及研究過(guò)程[3]，很多同學(xué)就非常好奇。該實(shí)驗(yàn)操作起來(lái)相對(duì)容易，同學(xué)們利用課余時(shí)間就可以自己動(dòng)手還原這一過(guò)程，可以用不同的物質(zhì)來(lái)驗(yàn)證姆佩巴效應(yīng)，在寓學(xué)于樂(lè)的過(guò)程中培養(yǎng)青年人的探索精神。另外，在講授玻爾理論時(shí)，正值諾貝爾獎(jiǎng)發(fā)布時(shí)間，借機(jī)向同學(xué)介紹諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)人及其成果，使同學(xué)在了解最新科學(xué)前沿的同時(shí)，對(duì)科學(xué)研究工作產(chǎn)生濃厚的興趣。
三、因勢(shì)利導(dǎo)，滲透專(zhuān)業(yè)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)興趣
地球化學(xué)是研究“地球的化學(xué)”的一門(mén)科學(xué)，從事地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)的實(shí)際工作和研究主要依賴(lài)于化學(xué)學(xué)科的理論和方法，溶解－沉淀反應(yīng)、酸堿理論、氧化－還原反應(yīng)、置換反應(yīng)、氣體、溶液、相體系等化學(xué)理論廣泛應(yīng)用于地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)的各個(gè)方向：如硫化物礦床的次生富集帶的研究涉及了置換反應(yīng)，流體包裹體的研究主要以理想氣體狀態(tài)方程、溶液、相體系等化學(xué)知識(shí)為理論基礎(chǔ)，巖石學(xué)的研究主要涉及元素性質(zhì)等方面的知識(shí)。因而，化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)尤為重要。而同學(xué)在學(xué)習(xí)化學(xué)課程的時(shí)候，并不清楚課程和專(zhuān)業(yè)之間的聯(lián)系，對(duì)專(zhuān)業(yè)的意義在哪里。這時(shí)，就需要老師在授課過(guò)程中，利用有利的時(shí)機(jī)，將化學(xué)知識(shí)與地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)聯(lián)系起來(lái)，向同學(xué)滲透專(zhuān)業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)用化學(xué)理論和方法解決地質(zhì)問(wèn)題的專(zhuān)業(yè)思維方式，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)熱情。具體來(lái)說(shuō)，在講到反應(yīng)速率這章中的一級(jí)反應(yīng)時(shí)，適當(dāng)滲透同位素地球化學(xué)中的年代學(xué)內(nèi)容。同位素地質(zhì)年代學(xué)是同位素地球化學(xué)的一個(gè)重要分支，它是根據(jù)放射性同位素衰變規(guī)律確定地質(zhì)體形成時(shí)間和地質(zhì)事件發(fā)生的時(shí)代，來(lái)研究地球和行星物質(zhì)的形成歷史和演化規(guī)律的。同位素地質(zhì)年代的測(cè)定基于元素放射性衰變定律，而衰變定律正是化學(xué)反應(yīng)速率中的一級(jí)反應(yīng)，換言之，一級(jí)反應(yīng)是同位素地質(zhì)年代學(xué)的理論基礎(chǔ)。因此，借講授一級(jí)反應(yīng)這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，將同位素測(cè)年的知識(shí)融入進(jìn)來(lái)，使所學(xué)知識(shí)用到實(shí)處，更能激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。
同時(shí)，年代學(xué)涉及的一級(jí)反應(yīng)得到的年齡結(jié)果大多是以百萬(wàn)年（Ma）計(jì)的，使同學(xué)了解地球的年齡、地質(zhì)事件發(fā)生的時(shí)間，從而意識(shí)到自然的偉大，人類(lèi)的渺小，對(duì)自然資源、環(huán)境要有敬畏之心，珍惜之意。酸堿平衡中溶液酸度的計(jì)算可以計(jì)算地表水的pH值。以石灰?guī)r發(fā)育地區(qū)為例：該地區(qū)地表水（H2O）的特點(diǎn)是與大氣（CO2）接觸并與石灰?guī)r（CaCO3）反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：CaCO3+H2O+CO2葑Ca2++2HCO3-，該反應(yīng)控制著地表方解石的溶解和沉淀，式中又暗含著P（CO2）的控制作用，這與體系所處的壓力有關(guān)。當(dāng)氫離子（H+）濃度增加時(shí)，平衡向右移動(dòng)，即石灰?guī)r（CaCO3）溶解，石灰?guī)r地區(qū)的溶蝕地形就是這樣形成的；相反，氫離子（H+）濃度降低時(shí)，即pH值增大，則平衡向左移動(dòng)，方解石沉淀，形成石筍、鐘乳石等。反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，經(jīng)溶液酸度的計(jì)算可得石灰?guī)r發(fā)育地區(qū)地表水（同時(shí)與大氣接觸）pH＝8.4，為堿性溶液[4]。氧化還原反應(yīng)是地殼中最常見(jiàn)的水－巖化學(xué)作用類(lèi)型之一。氧化反應(yīng)實(shí)際上是電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)。如鐵的硫化物發(fā)生氧化時(shí)，在水的參與下，二價(jià)鐵離子失去一個(gè)電子被氧化成三價(jià)鐵離子，氧接受電子由原子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)二價(jià)離子：3Fe2S+8.5O2+3H2O=2Fe3O4+3H2SO4。氧化反應(yīng)形成了硫酸，而酸的存在可以進(jìn)一步加速巖石的氧化。以上這些，都是將專(zhuān)業(yè)知識(shí)引入到化學(xué)課程的實(shí)例，使同學(xué)了解化學(xué)知識(shí)的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用，學(xué)習(xí)不再盲目，也有利于對(duì)地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)的了解。
總之，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為對(duì)于地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)的化學(xué)類(lèi)基礎(chǔ)課，無(wú)論是無(wú)機(jī)化學(xué)，還是其他基礎(chǔ)化學(xué)的教學(xué)，都應(yīng)本著扎實(shí)基礎(chǔ)、學(xué)以致用和結(jié)合專(zhuān)業(yè)的原則，使學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到這些基礎(chǔ)課程的現(xiàn)實(shí)作用和對(duì)后續(xù)課程的重要意義。在教師積極引導(dǎo)下，盡早了解自己所學(xué)專(zhuān)業(yè)，激發(fā)專(zhuān)業(yè)興趣，發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀(guān)能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的和諧統(tǒng)一，達(dá)到良好教學(xué)效果的同時(shí)，有利于提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，為將來(lái)的科研和實(shí)際生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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[2]大連理工大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室.無(wú)機(jī)化學(xué)(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2001.
[3]胡錫晟.“姆佩姆巴效應(yīng)”的啟示[J].發(fā)明與創(chuàng)新(綜合版),2009,(9):1.
[4]趙倫山,張本仁.地球化學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1988.
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