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澳门银河星际线上娱乐平台:化學科學和化學教學

作者:admin 更新時間:2019年02月02日 08:32:42

大西洋线上娱乐 www.hmvvr.com   一、化學的學科發展趨勢


  化學的學科發展,可以提到許多方面,如飛秒化學?;蟶镅Ш鴕窖?、材料設計、能源、大氣和環境化學、國家安全與個人安全等領域的拓展等。在本文中,要著重說的是:化學與化學工程的重新融合。


  20世紀初,化學工程從應用化學中脫胎而出,經歷了單元操作和三傳一反,形成了化學工程學,從以經驗為主過渡到有一定預測功能的較完整的理論,從而導致化學與化學工程的分離。這種情況在20世紀90年代發生了變化,基礎化學研究與化學工程之間發生了空前的交疊和滲透?;Ъ以嚼叢蕉嗟亟槿敫叢酉低車墓乖?、分析和使用中,這些自然而然與工程學中的系統方法有關?;Чこ淌φ找娼朐嚼叢蕉嗟幕Щ×煊?,在一些情況下甚至處于領導地位。在2003年美國出版的《超越分子前沿――化學與化學工程面臨的挑戰》一書中,開始使用化學科學來代表所有化學家和化學工程師的工作范圍。


  化學是一個多尺度的科學。微觀尺度是從電子和原子核到分子,例如分子設計。宏觀尺度,例如實驗室合成、生產裝置、化學和物理操作、產品包裝和運輸。現在大家更關注介觀尺度。從化學方面來說,人們關注超越分子的層次,進入超分子、分子集團、大分子、活性中心、器件的作用域,可以說從微觀跨越到介觀以至宏觀層次。從化學工程來說。人們也不再滿足于宏觀的三傳一反,而是逐步深入到顆粒、液滴、氣泡、微孔、界面等介觀行為,并對微觀的機理也表現了濃厚的興趣?;в傻紫蟶?,化學工程由頂向下,在介觀層次相遇,互相借鑒,對于化學科學及其理論的發展,形成了巨大的推動。


  二、介觀尺度的研究


  通?;б粵孔恿ρЩ蛄孔踴礪芻?,用以研究物質的微觀結構、化學鍵和對稱等,現在正逐步重視隨時間發展的動態演變。在唯象地說明宏觀現象時,則應用熱力學。進入介觀層次后,要采用平衡態和非平衡態的統計力學,后者需要綜合應用流體力學的原理。


  化學工程通常以流體力學和熱力學為理論基礎,特別重視湍流理論、多相流和不可逆過程的熱力學。計算流體力學有很大的發展。在研究湍流的強相關機理以及涉及介觀層次時,統計力學原理起著重要的作用。而在為特征參數找出規律時,則需要量子力學的幫助。


  化學科學理論的發展,進入到綜合運用量子力學、統計力學、熱力學和流體力學的時代,目標是解決多尺度時空結構與宏觀平衡和速率的關系。


  進行多尺度時空結構研究,有兩個重要方面:一是由下向上的預測。從分子結構逐級預測介觀層次的各種結構及其隨時間的演變,并進而預測宏觀層次的結構、反應和分離的特性,以至在反應器和分離裝置中的行為,目標是形成無縫的從微觀到宏觀的鏈接。要做到這一點,先要搞清楚各個相鄰層次的時空結構是如何相互關聯的。研究這種關聯,首先要有實驗的觀察,總結經驗的規律,然后是理論的建立和推導,作為過渡步驟,也常常是采用模型的半經驗方法。二是由上向下的控制。用宏觀的手段,逐級控制各級時空結構的形成。這兩個方面有著緊密的聯系,有相輔相成的關系。


  三、對化學教學的啟示


  為了適應不斷變化的新形勢,化學教學要做好以下幾點:


  第一要打好基礎。最重要的是,對于本學科的框架結構,通過教學,應使學生有一個系統的完整的初步認識。新的現象、規律和方法不斷出現,要善于在學科的框架結構中找到它的位置。


  對于物理化學,我們認識到的學科框架包括:


  兩大類研究對象:平衡和速率。


  三個層次:宏觀層次,由微觀到宏觀的過渡層次,微觀層次。


  兩個方面:普遍規律和物質特性。兩者結合,可以解決實際問題。


  三種方法:研究物質特性,有實驗方法、半經驗方法和理論方法。從理論上研究物質特性,將進入下一個更深的層次。


  例如生物膜中的促進傳遞和耦合傳遞。屬于宏觀層次的速率過程,具體來說是界面中的速率過程。對于普遍規律,要學教材中“傳遞過程”的內容(當然還有些特殊的地方)。為得到某一個生物膜的傳遞特性,要采用實驗測定,或半經驗方法。而要從理論上得到這種特性,必須應用統計力學。


  又如耗散顆粒動態學DPD,它是一種介觀層次的模擬,實質上它就是分子動態學模擬MD,屬于從微觀到宏觀的過渡層次的普遍規律范疇。特殊之處是應用了粗?;?,引入更低的介觀層次,相應還采用了耗散力和隨機力。


  第二要強調開放??蚣蓯強諾?,可以不斷更新和充實。內容是開放的,可以經常介紹新的進展。


  對于如此豐富的介觀層次,上述框架的精神依舊。微觀和宏觀之間,可以加入各種由低到高的介觀層次之間的過渡層次。研究某一介觀層次的特性,仍然有實驗、半經驗、理論這三種方法。理論方法主要采用平衡態和非平衡態的統計力學,相應進入了下一個層次,即從更低的介觀層次到該介觀層次的過渡層次。


  第三要善用類比。類比永遠不會完美,卻幾乎常常有用。物理學是一個由于類比而興旺的領域,例如,基于借自超導的概念,我們可以至少部分理解超流的氦。物理化學中類比于由理想氣體到實際氣體,在研究混合物時,我們由理想混合物到實際混合物。


  上面提到的耦合傳遞,可以和耦合反應進行類比。又如密度泛函理論DFT,則是以密度分布p(r)代替傳統的位能函數ε(r)為基本變量構筑泛函。變分原理則等價于最概然分布原理或熵最大原理。


  當前的薄弱環節是:從微觀到宏觀的過渡層次;傳遞速率;進展。


  要加強教學資源建設,包括教材、系列參考書、電子教材、網站建設等。


  四、教學方法


  要做大改革。要以自學為主,講課首先介紹框架結構,重點講授難點和進展。并開展課堂討論。


  教學一定要少而精,這樣才能為今后做到博而通打下堅實的基礎。作者:胡英