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無機(jī)化學(xué)在地球化學(xué)的應(yīng)用論文
摘要：無機(jī)化學(xué)課程作為地球化學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是建立地球化學(xué)專業(yè)人才知識結(jié)構(gòu)和能力水平的基石。在授課過程中，以扎實基礎(chǔ)理論、解決生活實際問題和激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣為目的，通過穿針引線、旁征博引和因勢利導(dǎo)的教學(xué)方式，使地球化學(xué)專業(yè)的學(xué)生能夠更好地掌握基礎(chǔ)理論，提高專業(yè)素養(yǎng)，進(jìn)而成長為高水平的地質(zhì)專業(yè)人才。
關(guān)鍵詞：地球化學(xué)；無機(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)專業(yè)人才知識結(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)課程無疑是地球化學(xué)的基礎(chǔ)�；瘜W(xué)相關(guān)課程作為石油、地質(zhì)類院校地球化學(xué)專業(yè)開設(shè)的一門重要專業(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)這一專業(yè)基礎(chǔ)課的同時，對地球化學(xué)專業(yè)有所了解，培養(yǎng)對本專業(yè)的忠誠度，是值得探討的問題。目前，長江大學(xué)地球化學(xué)專業(yè)開設(shè)的化學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)課之一為無機(jī)化學(xué)，下面談?wù)劚救嗽跓o機(jī)化學(xué)教學(xué)過程中的一些嘗試和心得。
一、穿針引線，融會貫通，扎實基礎(chǔ)理論知識
無機(jī)化學(xué)涉及的知識面廣，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)過程中，需要花大量時間掌握。實際上，很多知識之間存在著聯(lián)系。只要學(xué)生扎實掌握了基本概念和原理，教師在講課過程中起到穿針引線的作用，便可達(dá)到融會貫通的目的。以平衡常數(shù)K為例，第一次接觸這個概念是在化學(xué)平衡及其移動部分：在一定條件下，任何一個可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時，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)是由實驗獲得的，故稱為實驗平衡常數(shù)。將相對平衡濃度（相對平衡分壓）引入到實驗平衡常數(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)時就扎實掌握，那么對于后續(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。通過這種學(xué)生打好基礎(chǔ)、教師穿針引線的方法，不但可以使學(xué)生將大量知識內(nèi)容串聯(lián)起來，便于掌握，使內(nèi)容看起來沒有那么繁多，還可以節(jié)省大量時間和精力。
二、旁征博引，學(xué)以致用，解決生活實際問題
在學(xué)習(xí)無機(jī)化學(xué)的過程中，學(xué)生經(jīng)常感覺內(nèi)容枯燥，不易提起學(xué)習(xí)興趣。因而在講課過程中，由淺入深，理論聯(lián)系實際就尤為重要。將課本內(nèi)容與生活現(xiàn)象、社會時事和科學(xué)前沿結(jié)合起來，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，可以將古語“由儉入奢易，由奢入儉難”作為引子，來闡述在沒有外力作用下，事物都有向混亂度增大（也就是熵增大）的方向變化的趨勢，儉樸的生活要自我約束才能做到。同樣，想把某個東西變得更好、更有序，就要對它做功。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；要做個有修養(yǎng)、有氣度的人，就要時刻注意自己的言行，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)深刻理解知識點的同時，進(jìn)一步明白“只有付出，才會有收獲”這一道理。將教學(xué)內(nèi)容與社會熱點相結(jié)合，也可以調(diào)動學(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主要方面，霧霾作為一個分散系統(tǒng)，其組成成分、危害性、監(jiān)測方法和防治方法等，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)知識的同時，關(guān)注社會時事和熱點，不因在校學(xué)習(xí)而脫離社會，在一定程度上，也有助于培養(yǎng)大學(xué)生的社會責(zé)任感。同時，一些長期以來懸而未決的化學(xué)問題也是年輕大學(xué)生的興趣點，如姆佩巴效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及研究過程[3]，很多同學(xué)就非常好奇。該實驗操作起來相對容易，同學(xué)們利用課余時間就可以自己動手還原這一過程，可以用不同的物質(zhì)來驗證姆佩巴效應(yīng)，在寓學(xué)于樂的過程中培養(yǎng)青年人的探索精神。另外，在講授玻爾理論時，正值諾貝爾獎發(fā)布時間，借機(jī)向同學(xué)介紹諾貝爾物理學(xué)獎和化學(xué)獎獲獎人及其成果，使同學(xué)在了解最新科學(xué)前沿的同時，對科學(xué)研究工作產(chǎn)生濃厚的興趣。
三、因勢利導(dǎo)，滲透專業(yè)知識，激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣
地球化學(xué)是研究“地球的化學(xué)”的一門科學(xué)，從事地球化學(xué)專業(yè)的實際工作和研究主要依賴于化學(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)專業(yè)的各個方向：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。因而，化學(xué)基礎(chǔ)知識對于后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)尤為重要。而同學(xué)在學(xué)習(xí)化學(xué)課程的時候，并不清楚課程和專業(yè)之間的聯(lián)系，對專業(yè)的意義在哪里。這時，就需要老師在授課過程中，利用有利的時機(jī)，將化學(xué)知識與地球化學(xué)專業(yè)聯(lián)系起來，向同學(xué)滲透專業(yè)知識，培養(yǎng)用化學(xué)理論和方法解決地質(zhì)問題的專業(yè)思維方式，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情。具體來說，在講到反應(yīng)速率這章中的一級反應(yīng)時，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)體形成時間和地質(zhì)事件發(fā)生的時代，來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)速率中的一級反應(yīng)，換言之，一級反應(yīng)是同位素地質(zhì)年代學(xué)的理論基礎(chǔ)。因此，借講授一級反應(yīng)這一知識點時，將同位素測年的知識融入進(jìn)來，使所學(xué)知識用到實處，更能激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。
同時，年代學(xué)涉及的一級反應(yīng)得到的年齡結(jié)果大多是以百萬年（Ma）計的，使同學(xué)了解地球的年齡、地質(zhì)事件發(fā)生的時間，從而意識到自然的偉大，人類的渺小，對自然資源、環(huán)境要有敬畏之心，珍惜之意。酸堿平衡中溶液酸度的計算可以計算地表水的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，平衡向右移動，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，即pH值增大，則平衡向左移動，方解石沉淀，形成石筍、鐘乳石等。反應(yīng)達(dá)平衡時，經(jīng)溶液酸度的計算可得石灰?guī)r發(fā)育地區(qū)地表水（同時與大氣接觸）pH＝8.4，為堿性溶液[4]。氧化還原反應(yīng)是地殼中最常見的水－巖化學(xué)作用類型之一。氧化反應(yīng)實際上是電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)。如鐵的硫化物發(fā)生氧化時，在水的參與下，二價鐵離子失去一個電子被氧化成三價鐵離子，氧接受電子由原子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)二價離子：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，都是將專業(yè)知識引入到化學(xué)課程的實例，使同學(xué)了解化學(xué)知識的專業(yè)應(yīng)用，學(xué)習(xí)不再盲目，也有利于對地球化學(xué)專業(yè)的了解。
總之，通過教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為對于地球化學(xué)專業(yè)的化學(xué)類基礎(chǔ)課，無論是無機(jī)化學(xué)，還是其他基礎(chǔ)化學(xué)的教學(xué)，都應(yīng)本著扎實基礎(chǔ)、學(xué)以致用和結(jié)合專業(yè)的原則，使學(xué)生真正認(rèn)識到這些基礎(chǔ)課程的現(xiàn)實作用和對后續(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)專業(yè)，激發(fā)專業(yè)興趣，發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動性，實現(xiàn)教與學(xué)的和諧統(tǒng)一，達(dá)到良好教學(xué)效果的同時，有利于提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，為將來的科研和實際生產(chǎn)奠定堅實的專業(yè)基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1]中國科學(xué)院地球化學(xué)教研所.高等地球化學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1998.
[2]大連理工大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(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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