侧重地质类专业应用的大学化学教学改革

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(中国地质大学长城学院 地球科学与资源学院，河北 保定 071000)

大学化学是高校里开设面比较广的一门课程，经常被认定为公共课，教材编写也往往偏重普适性。但是，对很多专业来说，化学是一门很重要的专业基础课程，很多化学知识都可以应用到专业课程知识上。因此，在教材编写和教学过程中贯穿专业需要和专业实例就显得很有必要。一些高校，会根据自己学校的专业特点来编写化学教材和进行教学。尤其是医学类院校，往往针对医学应用来编写化学教材，在教学中穿插大量的医用化学知识和医用化学实例[1-3]。其他如农林类、生命科学类、环境类院系也往往编写更适用与本学科的教材。本文针对地质类专业以及宝石及材料工艺学专业的《普通化学》教学，展开一些专业应用实例的探讨。

1 分章节专业知识分析及教学应用

普通化学各章，形成了化学的基本理论体系，同时也是将来专业应用的主要理论基础。在讲解理论基础的时候，穿插本专业的一些应用前景和专业案例，对于理解化学知识和提前了解专业有重要的作用。下面，简述一下各章化学知识在地质类专业和宝石级材料工艺学(下面简称宝石)专业的联系。

1.1 原子结构与元素周期律

本章是化学的微观理论基础，在量子力学的理论基础上重新讨论原子结构和电子排布规律及其与化学性质的联系。本章理论性较强，具体应用案例较少，但是也有较多的学科背景知识。

首先，在氢原子光谱理论部分，不仅为量子力学的导出提供了重要线索，也可以扩展光谱理论及其应用。例如，光谱分析技术在地质样品分析和宝石鉴定等领域的应用，虽不需要展开论述但也可以调动学生进一步深入了解的兴趣。此外，在讲解原子结构的波尔理论时，可以将电子跃迁与光的联系扩展到宝石颜色的领域，让学生能够对宝石颜色的机理有一个基本的认知[4]。

其次，在核外电子排布与元素周期律部分，可以结合地球化学上元素的地球化学亲和性和元素分类来介绍，为将来深入理解地球化学亲和性奠定基础。此外，元素周期律，还可以与地质学上常用的类质同象理论相结合来进行扩展，类质同象理论在地质学和宝石学相关领域都有重要的地位[5-6]。

1.2 化学键与分子结构

无论是地质上的主要岩石和矿物，还是常见的宝石，往往都是涉及离子键或共价键的结合，因此在讲解化学键的时候可以列举一些矿物或者宝石的实例。在讲解晶格能的时候，可以列举一些常见的矿物和宝石作为熔沸点和硬度的比较对象，利用学到的基本规律对这些矿物的熔沸点和硬度进行比较[7]。

1.3 气体和溶液

这一章，为后续化学打下化学基础。在课时有限的前提下，不适合做太多的拓展。但一些实例可以选择更偏近专业知识的实例。

在气体定律部分，可以用天然气开采作为应用实例，对于学生理解定律和将来的专业学习都有一定的好处。而在气体分压定律部分，则可以联系地球大气氧气、二氧化碳变化带来的地球环境变化，如早期海洋成分富含铁元素，而随着空气中氧气分压的增大，铁元素被氧化水解沉积，形成了现在的很多大型铁矿。另外，在宝石合成领域有气相沉积法合成宝石，这个跟气体的分压有很大的关系。

溶液蒸汽压下降部分，在很多行业都有具体的应用。地质上对高温热液的存在、低温溶液的存在等的理解都会有帮助。对于宝石专业，一些宝石的保养需要恒定的湿度，可以鼓励学生根据溶液蒸汽压下降原理设计一个不用电的恒湿的首饰盒。此外，稀溶液定律，在地球化学上有很具体的应用，通过稀溶液定律和化学平衡，推导出了微量元素的能斯特分配定律，是整个微量元素地球化学的理论基础[6]。

1.4 化学热力学基础

化学热力学在地质学领域有很广泛的应用，比如地球化学热力学就是地学领域很重要的分支学科，也是重要的研究手段。在介绍本章时，可以给学生提前透露本章知识在专业课程中的重要性。具体实例也可以用热力学基本原理判断元素的稳定存在形式，即矿物组成。通过热力学参数，也可以判断元素的地球化学亲和性[5]。在讲解熵的时候，可以延伸到地球系统的复杂性，和矿物成分的多样性。对于宝石专业，也可以用熵来说明宝石的珍贵性。

1.5 化学动力学

随着地学理论研究的发展，发现很多地球化学过程并不是严格的化学平衡过程，相反很多都是非平衡过程，这样的过程用平衡理论来解释是不合适的。因此，地球反应-输运体系的动力学研究成为热点领域。化学反应动力学，在地学领域也有很广泛的应用，比如成矿物质沉淀和溶解的动力学模型等。作为前景知识，在介绍本章知识时，可以穿插介绍[6]。

此外，在同位素地质年代学理论里，也应用到了化学动力学的基本公式，在介绍相关公式时，可以给学生加以拓展。而同位素分馏领域也应用了化学动力学的基本公式。

对于宝石专业，一些宝石的形成机理以及宝石合成工艺，就需要用动力学的思想来进行理解，引导学生必须突破传统化学反应的简单过程，只有满足一定的动力学条件才能形成理想的宝石结构，否则只能生成相应的物质，而不能形成宝石。

现代化灌区的建设要与农村现代化建设同步发展。实现灌区现代化，需要对灌区内的水资源进行保护。减少对水资源的污染，减少生活垃圾的随意排放，使现代化灌区实现其真正的效益。针对农村中存在的生活垃圾胡乱排放污染灌区内水资源等现象，应从提高农民素质和加快农村现代化建设进程等根本上去解决。

1.6 化学平衡含水溶液化学

化学平衡知识，在地学领域有比较广泛的应用。例如，矿物相平衡相图的绘制，需要用到化学平衡的知识。通过化学平衡知识，可以判断自然过程的方向和限度。可以把矿物相平衡的一些实例作为拓展思考题发给学生，让有余力的学生进行思考。

水溶液中的酸碱平衡理论，对于将来理解矿物的风化和水解有重要的帮助。例如，硅酸盐的水解反应，可以用酸碱平衡理论来解释，对于理解自然界某些次生矿物的形成有一定的帮助。此外，自然界一些强酸性、强碱性环境的形成也可以用酸碱理论进行解释。

在讲解酸碱理论的时候，可以介绍Lux-Flood的酸碱定义，对于学生将来理解岩石学上的酸碱命名有重要帮助。此外，介绍路易斯酸碱理论的软硬酸碱理论，对于学生理解地球化学亲和性，不同元素的成矿规律等也都有重要的帮助。

沉淀溶解平衡，对于学生理解一些宝石(如天青石、萤石、绿柱石等)的形成过程有重要的意义。此外，对于地质上水岩相互作用和元素迁移的理解，起到了理论基础的作用。可以用一些矿物溶解沉淀的过程作为该部分内容的例题。

此外，微量元素地球化学和同位素地球化学都用到了平衡的思想，在热力学平衡的前提下，推导出了能斯特分配定律和同位素地质温度计。这些可以通过远景专业知识，提前透露给学生，提高学生的学习兴趣[6]。

1.7 配位化合物化合物及配位平衡

配位化合物的结构部分，介绍了晶体场理论，该理论在地质学领域和宝石颜色机理部分都有重要应用。在讲解清楚晶体场理论的情况下可以给学生讲解杂质元素给宝石带来颜色的机理，例如铬元素使红宝石显出红色的机理[4]。地质学上，晶体场理论，对于理解微量元素随矿物的结晶顺序、过渡元素的特殊地球化学行为等有重要帮助[6]。

配位平衡，在地质领域的元素迁移过程有重要意义。很多金属元素在水溶液中以配离子的形式存在，配离子的稳定常数越大，配离子就越稳定，相应地就越有利于元素的迁移。这是影响元素迁移的重要因素。在讲配离子平衡的时候，也可以列举一些地质过程元素迁移的实例。

配位化合物命名部分，一些配基，如羟基等，在遥感地质学课程中也有应用，遥感光谱通过识别一些特殊基团信号来判断物质组成[8]。

1.8 电化学

氧化还原反应，是地学领域重要的化学反应类型。很多变价元素，在不同的环境下形成不同的矿物。例如，铁元素，在自然界可以形成零价、正二价、正三价几种常见的价态。无色的石英晶体在空气中暴露一段时间以后会变黄，主要原因是二价铁离子被氧化成了正三价。

在地学领域需要考虑的一个重要物理化学参数是Eh值，也就是电化学一章的氧化还原电位。元素在自然界的存在形式与环境的氧化还原电位有关，通过能斯特方程得知，元素的存在形式也跟离子浓度有关。地球的早期硅酸盐矿物水解造成大量铁元素进入水体，使得海洋中有较高浓度的铁离子，而今地表环境变成了氧化环境，硅酸盐水解的铁离子被氧化为正三价，三价铁离子易水解而难溶于水，因此，现在土壤中富含三氧化二铁，中国南方某些地区的土壤甚至出现红土化现象。

在稀土元素地球化学中，Eu元素和Ce元素的含量异常都是由于环境的Eh值造成的，Eu元素在地球深部易于变成正二价，与其他稀土元素性质不一样而分离，Ce元素在海洋中由于被氧化而与与其他稀土元素分离[6]。

1.9 元素化学

在地学领域，副族元素要比主族元素更有研究价值。因此元素化学不仅要介绍主族元素的化学性质，还要结合地学特征介绍副族元素的特征，甚至要介绍稀土元素的化学性质。

由于相关专业知识水平有限，不能全面介绍化学在专业课程中的应用，但基本上概括了各章的专业应用前景，对于学生后续的其他课程学习有一定的铺垫作用。

2 教学实践效果

在中国地质大学长城学院的教学实践中，化学教师通过了解地质类专业的专业课程，分析专业课书籍，与专业课教师交流的方式，了解了化学知识在专业课理论体系中的应用。然后把这些内容融合到大学化学教学活动中，通过知识拓展和专业实例的方式进行联系。

通过教学实践，引导学生提前了解专业知识，树立专业学习和化学学习的兴趣。一些学生在低年级的时候就开始自己学习专业知识，练习通过化学理论来解决专业问题，取得了一定的效果。有一位宝石专业的学生利用化学知识和专业知识写出了一篇宝石颜色机理的综述文章，虽然没有发表，但已经锻炼了学生的科学能力，提高了学生的专业素养。还有很多地质和宝石的学生考取研究生的时候选择化学作为一门专业基础课，充分说明了学生已经获得了一定的化学基础。通过为专业课程打基础的教学思路，拉近了学生与化学的距离。一些学生选择与化学老师合作开展一些交叉领域的研究工作，在上学期间发表了科研论文。更多学生，在毕业论文中大胆使用化学的基本理论和方法来论证自己的观点。总之，通过教学实践，在化学教学中贯穿一些专业应用的知识，对于提高学生兴趣，增强学生能力有一定的帮助作用。