1  《化学1》(必修)
1.1第一章从实验学化学
本章是人教版高中《化学1》（必修）（以下简称“必修1”）的第一章，“从实验学化学”，关键词一个是“实验”，一个是“化学”。这一章，笔者将选择3个化学史人物进行介绍： 波义耳、诺贝尔、阿伏加德罗。
波义耳是化学史上的第一位伟人，是他把化学确立为科学，使化学这门学科从炼金术、医药学的从属地位中解放出来，规定了化学的研究任务。他重视实验，通过实验手段展开多方面的研究。对波义耳的介绍，旨在使学生了解化学这门学科的来历，认识化学实验是化学研究的重要手段。
诺贝尔奖是世界最高奖项，能够摘取诺贝尔奖是科学家们一生的追求。诺贝尔奖是怎么来的？炸药大王诺贝尔究竟有着怎样的传奇人生？关于诺贝尔的这段故事，可以使学生对诺贝尔及诺贝尔奖有一个系统、全面的了解。
化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的一门基础自然科学。在“原子-分子论”发展过程中，有一位十分低调的科学家作出了十分不寻常的工作，生前没有得到化学界的承认。他就是意大利化学家阿伏加德罗。展现那段历史，学生将体会到为什么“1mol物质所含的粒子数”以他的名字命名。
1.1.1把化学确立为科学的人——波义耳
化学发生和发展的历史，可以追溯到远古人类还处在蒙昧时代的用火时期。人类掌握钻木取火等用火方式以后，逐步开始了处于摸索状态的化学实验活动。在化学发展的早期——炼金术和炼丹术时期，我国创造了灿烂辉煌的科学文化。震惊世界的四大发明中，造纸术和火药就属于化学领域。




化学发展的近代时期是从17世纪末到20世纪初。1661年，不同寻常的一年！化学史家都把这一年作为近代化学的开始年代。


图1-1-1把化学确立为科学的

英国化学家波义耳

因为这一年有一本对化学发展产生重大影响的著作出版问世，这本书就是《怀疑派化学家》，它的作者是英国科学家罗伯特·波义耳（R.Boyle，1627—1691）（见图1-1-1）。
在人类经历了对“炼金术”的两千年盲目追求之后，是波义耳率先将化学带上了科学之路。他认为，化学不是依附于医药和炼金术的学科，而是研究元素及其化合物的科学，为近代化学的发展指明了方向。在《怀疑派化学家》一书中，波义耳对化学元素作出了科学定义： “它们应当是某种不由任何其他物质所构成的或是互相构成的、原始的和最简单的物质，是用一般化学方法不能再分解为更简单的某些实物。”波义耳的元素概念，一扫化学研究中的神秘主义，并结束了亚里士多德“四元素说”长达1000多年的统治。革命导师马克思、恩格斯给予他很高赞誉，称“波义耳把化学确立为科学”。所以说，波义耳是化学史上的第一个伟人。


化学实验不仅是解决化学问题的重要手段，而且还是科学探究的主要途径。波义耳读书时代就非常喜欢做实验。他最崇拜的人是英国大哲学家和科学家培根，他认为培根是一个脚踏实地的人。他把培根说的“知识就是力量”作为自己的座右铭，他主张： “空谈无济于事，实验决定一切。”出身于贵族家庭的他，利用祖上留下的家产，在自己家里装备了私人实验室，兴高采烈地做自己喜欢的实验，研究自己喜欢研究的问题。波义耳认为： “实验和观察才是形成科学思想的基础，化学必须要通过实验来确定自己的基本定律。”波义耳是一名出色的实验家，改进了许多当时常见的仪器。他一生做过的实验众多，并在论文中对实验方法及其结果进行了极其详尽的描述，这在同时代的科学家中是绝无仅有的。正是在这种严密而又科学的实验基础之上，波义耳卓有成效地在多个领域展开了研究： 对于气体及其性质的研究，关于产生火、热、光等现象的本质的探讨，对酸、碱指示剂的研究，对磷光现象及多种分析方法的研究。波义耳还做过燃烧反应的实验，在密闭的玻璃器皿里煅烧金属，得到了金属灰，发现它的重量比原来的金属重。波义耳认为，金属灰重量增加的原因是有一种“热素”在燃烧时从火焰转入了金属。后来的化学家罗蒙诺索夫、拉瓦锡等人都先后重复并发展了波义耳煅烧金属的实验，最终揭开了燃烧的奥秘，发现了质量守恒定律。
初中学过的酸和碱，是谁最先给下的定义？波义耳！在实验基础上他得出这样的结论： 水溶液能溶解某些金属，跟碱接触会失去原有特性，且能使石蕊试剂变红的物质是酸； 水溶液有苦涩味，能腐蚀皮肤，跟酸接触会失去原有特性，且能使石蕊试剂变蓝的物质是碱。酸碱指示剂是谁最先发现的？波义耳！热爱生活、酷爱鲜花的他在一次偶然的机会中发现了酸碱指示剂。
酸碱指示剂的发现

俗话说： “有心栽花花不开，无心插柳柳成荫”，这是酸碱指示剂发现过程的真实写照。波义耳平素非常喜爱鲜花，可是忙于学术研究的他却没有时间去逛花园。于是，

图1-1-2促使波义耳发现酸碱

指示剂的紫罗兰花

他只好在自己的房间里摆上几个花瓶，让园丁每天送些鲜花来以便观赏。1645年的一天，园丁送来几束紫罗兰（见图1-1-2）。正准备去实验室的波义耳立刻被那艳丽的花色和扑鼻的芳香吸引住了。他随手拿起一束紫罗兰，边欣赏边向实验室走去。进了实验室后，他把紫罗兰放在桌上，开始了他的化学实验。就在他向烧瓶中倾倒盐酸时，一不小心将酸液溅出了少许，而这酸液又恰巧溅到了紫罗兰的花瓣上，波义耳叹息之余立即将紫罗兰拿到水中去冲洗。此时，一个意想不到的现象发生了，紫罗兰转眼间变成了“红罗兰”，这惊奇的发现立即触动了科学家那根敏锐的神经： “盐酸能使紫罗兰变红，其他的酸能不能使它变红呢？”“心动不如行动”，波义耳和他的助手立刻用不同的酸液试验起来。实验结果表明，酸溶液都可使紫罗兰变成红色。
酸能使紫罗兰变红，那么碱能否使它变色？变成什么颜色呢？紫罗兰能变色，别的花能不能变色呢？由鲜花制取的浸出液，其变色效果是不是更好呢？经过波义耳一连串的思考与实验，很快证明了许多种植物花瓣的浸出液都有遇到酸、碱变色的性质。实验表明，变色效果最明显的要数石蕊的浸出液，它遇酸变红色，遇碱变蓝色。自那时起，石蕊试液就被作为酸碱指示剂正式确定下来了。以后波义耳又用石蕊试液把滤纸浸透、晾干，切成条状，制成了石蕊试纸。这种试纸遇到酸溶液变红，遇到碱溶液变蓝，使用起来非常方便。
波义耳的这项重大发明是在1646年前后，它的生命力如此长久，直到几百年后的今天，石蕊试液和石蕊试纸仍在广泛应用着。



编者按： 我们的化学课堂教学，偏重于教材知识的传授和基本技能的训练，学生零七八碎地掌握一些能够应付考试的知识，通过大量而反复的练习具备了一定的应试能力。但是，对化学这门学科的来龙去脉却没有一个较为全面的认识。作为教师，我们有责任在课堂上向学生介绍一些化学发展的历史，使学生在学习知识的同时增长智慧，增强学科素养。
首先，向学生介绍化学史上的第一位伟人——波义耳。波义耳被称为近代化学的奠基者，主要有3点理由： ①他认识到化学值得为其自身的目的去进行研究，而不仅仅是从属于医学或作为炼金术去研究； ②他把严密的实验方法引入化学中； ③他给元素下了一个清楚的定义，并且通过实验证明亚里士多德的“四元素”（水、火、土、气）和炼金家的“三要素”（水银、硫磺和盐）根本不配称为元素，因为他们所说的那些元素根本不能从物质中提取出来。
接着讲述酸碱指示剂的发现故事，该故事生动地再现了波义耳科学的研究方法。“盐酸能使紫罗兰变红，其他的酸能不能使它变红呢？酸能使紫罗兰变红，那么碱能否使它变色呢？紫罗兰能变色，别的花能不能变色呢？”多么严密而又环环相扣的思维过程！此故事学生可能在初三学习酸、碱、盐时听到过； 再现该故事，侧重的角度从激发学习兴趣转向培养科学方法。教师还可以联系生活实际，向学生介绍许多植物色素的浸出液都可以做酸碱指示剂。提倡学生利用家庭白醋、纯碱溶液、食盐水、洗发水、洁厕灵、沐浴露、苏打水、矿泉水进行实验，向其中分别滴加紫甘蓝汁、紫萝卜汁、牵牛花汁、杜鹃花汁，看看到底会有什么神奇的现象出现，让学生感受到其实化学就在我们身边。
“实验是化学的最高法庭”，正是通过化学实验，化学家们开拓出一个又一个化学新领域，发现了一个又一个化学新大陆。他们通过实验寻找组成自然界的各种化学元素，通过实验从复杂组分中分离出其中的微量物质，并分析其结构，研究物质结构与性质的关系，研究物质变化的规律。人教版《化学1》（必修）在开篇第一章安排了“从实验学化学”，旨在强调化学实验是化学研究中的一个重要手段，使学生认识到化学实验的重要性。“工欲善其事，必先利其器”，化学实验离不开仪器，历史上许多著名的化学家们都亲自制造、设计和改造实验仪器，利用精巧的实验仪器为后人留下了一个个值得欣赏、耐人寻味的经典化学实验，后面还会陆续介绍著名的实验大师和史上富有魅力的化学实验。


1.1.2炸药大王——诺贝尔
诺贝尔奖是世界上举世闻名的大奖，从1900年开始颁发，每年一次（战争期间停发），特别为全世界所瞩目。

图1-1-3诺贝尔
它的创立者正是瑞典著名的化学家诺贝尔（A.B.Nobel，1833—1896）（见图1-1-3）。
诺贝尔1833年10月21日出生于瑞典首都斯德哥尔摩，母亲是发明家的后裔，父亲是个发明大王。在父亲创造精神的影响和引导下，诺贝尔走上了光辉灿烂的科学发明道路。他目睹了劳工开山凿矿、修筑公路和铁路，都是用手工进行的，体力劳动强度大，效率低。年轻的诺贝尔想： 要是有一种威力很大的东西，一下子能劈开山岭，减轻工人们繁重的体力劳动那该多好啊！于是他开始研究炸药。
1846年，意大利化学家索布雷罗（A.Sobrero，1812—1888）在低温下将无水甘油慢慢加到浓硝酸与浓硫酸的混合液中，然后将全部物料倒入水中，油状物便沉到底部，分出后用水洗去酸质就得到了硝化甘油。硝化甘油具有强烈的爆炸性，而且非常敏感，储存、运输都很不安全，所以一时没有作为炸药应用，仅用作治疗头晕和心脏病的药物。1859年，诺贝尔开始制造硝化甘油。起先，一切研究比较顺利，他和父亲、弟弟一起研发出了产品，带着这种样品，打算到欧洲继续研究。可人们都认为“危险”，没有人愿意出资合作。后来，法国皇帝拿破仑三世路易·波拿巴出钱办了一个实验所，给了他们父子实验的机会。化学实验是有危险的！在一次实验中，不幸的事件发生了，实验室和工厂全部被炸毁，诺贝尔的小弟弟被当场炸死，父亲炸成重伤，从此半身不遂，再也不能陪伴诺贝尔参加实验。可是，沉重打击下的诺贝尔并未灰心丧气，反而愈战愈勇，决心制服炸药的易爆性，造福人类。为了避免伤害周围的人，他租了一只大船在梅拉伦湖上进行实验。4年几百次艰苦而危险的实验……诺贝尔痛并快乐着！就在硅藻甘油炸药试爆的最后一次，他亲自点燃导火剂，仔细观察各种变化，当炸药爆炸声巨响之后，人们惊吼： 诺贝尔完了！可他顽强地从弥漫的烟雾中爬起来，满身鲜血淋淋，忘掉了疼痛，振臂高呼： “我成功了！我成功了！”终于在1867年的秋天，成功地研制了硅藻甘油炸药（即黄色炸药： 75%的硝化甘油和25%的硅藻土，先后在英国和美国取得专利）。之后。诺贝尔又经过13年的研究，终于在1880年又发明了无烟炸药——三硝基甲苯（TNT），对工业、交通运输作出了巨大的贡献！
诺贝尔的发明不仅限于炸药，他有着丰富的想象力，更有千方百计把这些想象力付诸现实的不屈不挠的毅力。为此，他还研究过合成橡胶、人造丝，做过改进唱片、电话、电池、电灯零件的试验，还试图合成宝石。晚年还研究过摄影、涡轮发动机、机车、飞机和火箭等发明的可行性。他除了在炸药方面取得了巨大成就，在应用化学上还有很多发明，共得到355项专利权，这些都使得他成为一个非常富有的人。诺贝尔一生与炸药为伴，终身未婚。他厌恶战争，向往和平，但他发明的炸药却使无数人在战争中丧生。为此，在他去世的前一年，即1895年11月27日，他本着科学造福人类的思想立下遗嘱，将他的所有财产存入银行，把每年得来的利息平均分成5份，奖励世界上在物理学、化学、生理学或医学、文学与和平事业“给人类造福最大的个人和机构”，不管这些人属于哪个国家、哪个民族。1968年诺贝尔奖又增设经济学奖。
每年的12月10日（诺贝尔逝世纪念日），在斯德哥尔摩音乐大厅举行隆重的仪式，由瑞典国王把奖状和奖章（见图1-1-4）授给本年度各方面的获奖者。然后获奖者用本国语言发表演说，这就是举世闻名的诺贝尔奖授奖仪式。



图1-1-4诺贝尔奖章




编者按： 诺贝尔的一生，不仅为人类创造了大量物质财富，还为人类留下了艰苦创业、不屈不挠的奋斗精神。讲述诺贝尔的故事，目的不是告诉学生他多么富有，拥有俄国巴库油田的产权，在全世界都有炸药制造业的股份。而是重在让学生感受他那种不惧危险，“明知山有虎，偏向虎山行”的执著和持之以恒的精神。研究炸药的早期，诺贝尔经历了种种不幸，工厂发生了爆炸，深爱着的弟弟被炸死，父亲由于惊吓瘫痪在床，有毒的硝化甘油烟雾常常使他头痛欲裂。尽管这样，他仍然痛并快乐着。有一次，一些黄色炸药被粘到一只大木桶里，除他之外的每一个人都不敢去碰那些炸药，害怕发生爆炸。是他，匍匐到桶里面，用刀子把炸药挖了出来。后来事业上的成功，是对他辛勤付出的回报。
诺贝尔奖是举世闻名、中国本土科学家渴望而暂时没有获得过的大奖，该奖已经成为学术界个人的最高荣誉，也是威信最高的国际性大奖。它极大地促进了世界科学技术的发展和世界科学文化的交流。诺贝尔化学奖获奖者中，迄今有4位女性： 居里夫人、伊伦·约里奥·居里、英国的多蒙西·霍奇金、以色列的阿达·尤纳斯。两次获得诺贝尔奖的科学家有： 英国生物化学家弗雷德里克·桑格，由于发现胰岛素分子结构和确定核酸的碱基排列顺序及结构分获1958年和1980年诺贝尔化学奖； 居里夫人，因发现放射性物质和发现并提炼出镭和钋荣获1903年诺贝尔物理学奖和1911年诺贝尔化学奖； 美国化学家鲍林，因为将量子力学应用于化学领域并阐明了化学键的本质，致力于核武器的国际控制并发起反对核试验运动而荣获1954年诺贝尔化学奖和1962年诺贝尔和平奖。
华人诺贝尔奖获得者为： 1957年，李政道、杨振宁（物理学奖）； 1976年，丁肇中（物理学奖）； 1986年，李远哲（化学奖）； 1997年，朱棣文（物理学奖）； 1998年，崔琦（物理学奖）； 2000年，高行健（文学奖）； 2008年，钱永健（化学奖）； 2009年，高锟（物理学奖）。
本书的附录3中，列出了1901—2011年历届诺贝尔化学奖获得者的姓名、国籍以及获奖原因。从中可以看出欧美国家科学技术的发达，亚洲国家日本在科技方面的进步，我国在这方面与先进国家的差距。作为拥有十几亿人口的大国，我们应该有一种紧迫感和危机感，如何将人力成为一种资源，怎样奋发图强迎头赶上，是摆在我国政府和科学家面前一个刻不容缓的问题。


1.1.3被冷落了半个世纪的“分子学说”
“近代化学之父”英国化学大师道尔顿提出了原子学说，他认为“原子在一切化学变化中均保持它的不可再分割性。”不料，法国著名的物理学家、化学家盖·吕萨克在实验基础上得出的“气体化合体积简比定律”却引发了一场与道尔顿之间旷日持久的学术争论。
盖·吕萨克是一位非常重视科学观察和实验的科学家，为了考察不同高度的空气组成是否一样，他冒险乘坐气球升入高空进行观察和实验，创下了当时世界上乘气球升空的最高纪录。在气体实验中，盖·吕萨克发现，氧气与氢气化合时，氧气的体积差不多总是氢气体积的一半。他推测这简单的体积关系可能与物质的原子结构有关。他在容器里充满等体积的氮气和氧气，然后让混合物通过电火花，于是产生了新的一氧化氮气体。他发现，1体积的氧气和1体积的氮气经化合生成了2体积的一氧化氮。进一步研究许多不同气体间的反应，他发现在所有参加反应的气体体积和反应后生成的气体体积之间总是存在着简单的比例关系。在反复实验的基础上，盖·吕萨克提出，“同温同压下，相同体积的任何气体含有相同数目的原子”。
这个发现从气体化学反应的角度对道尔顿的原子论做了有力的证明，因此受到了化学界不少专家的重视，但是唯独道尔顿本人不能理解，难以接受。1体积氮气与1体积氧气生成2体积一氧化氮，而不是1体积，难道每个一氧化氮原子中只含有半个氮原子和半个氧原子？这与道尔顿提出的原子不可分割的观点简直是势不两立。这是怎么回事呢？
意大利化学家阿伏加德罗（A.Avogadro，1776—1856）（见图1-1-5）敏锐地看出了问题的本质，大胆引入“分子”的概念，他认为只要假设氧气和氮气都是由含有两个原子的分子组成的，那么生成的一氧化氮的体积必为这两种气体的两倍。1811年，阿伏加德罗提出了他的“分子学说”，主要观点为： ①所有原子是参加化学反应的最小质点，而分子则是游离状态下单质和化合物的最小质点； ②分子是由原子组成的，实质上就是道尔顿所讲的“复杂原子”； ③单质的分子是由相同元素的原子组成，化合物的分子则由不同元素的原子组成等。显而易见，阿伏加德罗的分子学说对道尔顿的原子学说做了改进和补充。可是，当时的阿伏加德罗名不见经传，而且他的分子学说与当时占统治地位的瑞典化学大师贝采里乌斯同类原子必然相斥的“电化二元论”相对立（“电化二元论”认为组成物质的“粒子”由两部分组成，一部分带正电，另一部分带负电，同类原子带相同的电性，不可能组成物质），阿伏加德罗又缺乏充分的实验证据，因此他的观点未能引起当时化学界和物理学界的重视。
对分子假说的冷漠造成了整个化学界的混乱。由于测定原子量原子量，1994年之后名称改为“相对原子原量”。
的标准不一，许多物质的化学式也五花八门，非常不利于科学研究。化学家们实在忍无可忍了……在德国著名化学家凯库勒的建议和筹划下于1860年9月在德国卡尔斯鲁厄召开了第一次国际化学大会，来解决化学领域中的诸多问题。来自十几个国家的140多位化学家参加了会议。意大利化学家、阿伏加德罗的同乡康尼查罗（S.Cannizzaro，1826—1910）（见图1-1-6）也在会议的邀请之列。会上，他一再提出让大家重视阿伏加德罗的分子学说，并在会后散发了自己的论文《化学哲学教程提要》小册子。在论文中，他对原子论、分子假说提出后50年的化学发展做了详尽回顾，对许多化学家的成果做了客观评述，运用这些研究成果证实了阿伏加德罗分子学说的合理性和必要性。之后，阿伏加德罗学说才被化学界所接受。人们为了纪念阿伏加德罗，把“1mol任何物质中含有的微粒数”称为“阿伏加德罗常数”。


图1-1-5提出分子学说的意大利

化学家阿伏加德罗




图1-1-6传播分子学说的意大利

化学家康尼查罗


原子-分子学说的创立是化学史上的重大事件，它直接导致了元素周期律和化学结构理论的诞生。毫不夸张地说，没有正确的原子量和分子式，元素周期律和化学结构理论是不可想象的。对此，发现元素周期律的门捷列夫作出了肯定回答： “我的周期律的决定时刻是在1860年……会上，我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲，正是他发现的原子量给我的工作以必要的参考材料……”原子-分子学说的确立为化学史翻开了新的一页。



编者按： 在化学发展史上，对气体的发现和性质研究是一项十分重要而有意义的工作，许多化学家在这个领域取得了辉煌的成绩。法国著名的科学家盖·吕萨克是其中杰出的一位，他经过大量的实验事实总结出了气体之间总是以简单的整数比进行化合，并提出了对道尔顿原子论进行有力支持的气体定律，也就是阿伏加德罗定律的“前身”。教师在讲述故事过程中要注意引发学生的认知冲突，盖·吕萨克提出“同温同压下，相同体积的任何气体都含有相同数目的原子”。而根据实验结果，“1体积氮气与1体积氧气生成2体积一氧化氮，而不是1体积”，难道每个一氧化氮原子中只含有半个氮原子和半个氧原子？这与道尔顿提出的原子不可分割的观点是矛盾的。让学生在故事中体验科学发展的曲折过程，这样故事就充满了思辨的魅力，学生也不再仅仅是“听”，而会有所思、有所想了。故事也不再仅仅作为花絮成为课堂的点缀，而是承载了相应的功能，具有了更大的价值。