化學(xué)課程中的能量與化學(xué)能量觀

吳俊明+吳敏

摘要：在概述能量、能量觀與化學(xué)能的基礎(chǔ)上，討論了化學(xué)能量觀的界定、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和教育教學(xué)價(jià)值，化學(xué)課程中的能量和能量觀以及化學(xué)課程中能量及能量觀的教學(xué)；澄清了一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)觀念；科學(xué)教育；化學(xué)能量觀；化學(xué)課程；能量

文章編號(hào)：1005–6629（2015）1–0007–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

能量常簡(jiǎn)稱為“能”，是化學(xué)課程中常常要涉及的一個(gè)重要概念，跟化學(xué)能量觀有關(guān)的問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注。然而，對(duì)于什么是能量觀、化學(xué)課程中要關(guān)注哪些能量問(wèn)題、怎樣應(yīng)用能量觀搞好化學(xué)教學(xué)等基本問(wèn)題，不少人若明若暗，也還有一些問(wèn)題需要深入討論。本文擬就這些基本問(wèn)題以及為什么要重視化學(xué)能量觀、怎樣養(yǎng)育學(xué)生正確的能量觀等做一些初步的探討。

1 能量與能量觀概述

1.1 能量概念形成簡(jiǎn)史

觀察周圍運(yùn)動(dòng)著的物體，可以看到它們中的大多數(shù)最終會(huì)停下來(lái)。但是，千百年來(lái)對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)，并沒有發(fā)現(xiàn)宇宙運(yùn)動(dòng)有減少的跡象。由此，16、17世紀(jì)的許多哲學(xué)家都認(rèn)為，宇宙間運(yùn)動(dòng)的總量是不會(huì)減少的，只要能夠找到一個(gè)合適的物理量來(lái)量度運(yùn)動(dòng)，就會(huì)看到運(yùn)動(dòng)的總量是守恒的。這個(gè)物理量是什么呢？法國(guó)哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家笛卡爾（Rene Descartes，1596～1650）根據(jù)彈性碰撞運(yùn)動(dòng)提出，質(zhì)量和速率的乘積是一個(gè)合適的物理量。后來(lái)牛頓（Isaac Newton，1643～1727）對(duì)此作了重要的修改：不用質(zhì)量和速率的乘積，改用質(zhì)量和速度的乘積mv來(lái)量度運(yùn)動(dòng)。牛頓把mv叫做“運(yùn)動(dòng)量”，就是現(xiàn)在說(shuō)的動(dòng)量。1686年，萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646～1716）根據(jù)落體運(yùn)動(dòng)認(rèn)為，mv2是能使物體活潑起來(lái)（動(dòng)起來(lái)、熱起來(lái)）的“活力”，是物體的真正運(yùn)動(dòng)量度；并認(rèn)為靜止物體的壓力或拉力是“死力”，其量度是mv。他所說(shuō)的“活力”實(shí)際上跟能量概念相似。

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的爭(zhēng)論，直到19世紀(jì)中期，恩格斯（Friedrich Von Engels，1820～1895）根據(jù)當(dāng)時(shí)自然科學(xué)的最新成就，特別是能量轉(zhuǎn)換與守恒定律的發(fā)現(xiàn)，從運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)，精辟地論述了動(dòng)量和動(dòng)能這兩個(gè)概念。恩格斯指出：“如果已經(jīng)存在的機(jī)械運(yùn)動(dòng)以保持機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行傳送，那么它是按照質(zhì)量和速度的乘積的比例進(jìn)行傳送的。但是，如果機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳送的方式是：它作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)是消失掉了，而以位能、熱、電等等形式重新出現(xiàn)，一句話，如果它轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的運(yùn)動(dòng)，那么這一新形式的運(yùn)動(dòng)的量就同原來(lái)運(yùn)動(dòng)著的質(zhì)量和速度平方的乘積成正比。一句話，mv是在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中量度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 mv2是在機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為一定量的其他形式的運(yùn)動(dòng)的能力方面來(lái)量度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。我們已經(jīng)看到，這兩種量度因?yàn)槭腔ゲ幌嗤?，所以歸根到底并不互相矛盾。[1]”

現(xiàn)代意義的能量一詞是英國(guó)的托馬斯·楊（Thomas Young，1773～1829）在1807年提出的，他把能量定義為“作了功的力”，把力與能量區(qū)分開來(lái)，并揭示了能量可以用功來(lái)測(cè)量。但是，楊的提議在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里沒有為人們所接受，直到19世紀(jì)50年代以后，“能”這個(gè)術(shù)語(yǔ)才逐漸被物理學(xué)界廣泛承認(rèn)和采用[2，3，4]。1905年，愛因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，進(jìn)一步指出動(dòng)量和動(dòng)能原來(lái)是一個(gè)統(tǒng)一的“能量-動(dòng)量矢量”的不同分量，揭示了兩種量度的統(tǒng)一，從而在新的水平上平息了兩種量度曠日持久的爭(zhēng)論[5]。

在能量概念形成過(guò)程中，人們或多或少受到發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的啟示。例如，俄國(guó)的羅蒙諾索夫（Михаил Васильевич Ломоносов，1711～1765）在1748年就說(shuō)過(guò)：“這個(gè)普遍的自然規(guī)律也可以引申到運(yùn)動(dòng)的規(guī)律上去，因?yàn)橐粋€(gè)物體用自己的力去推動(dòng)另一個(gè)物體時(shí)，它本身就失去了這個(gè)力，而把它傳給另一個(gè)由此獲得運(yùn)動(dòng)的物體。[6]”

總之，雖然能量是一個(gè)常用的和基礎(chǔ)的物理概念，但由于它非常抽象、難以簡(jiǎn)明地定義，物理學(xué)家一直到19世紀(jì)中葉才真正理解能量這個(gè)概念，在此之前能量常常被與力、動(dòng)量等概念相混。

1.2 對(duì)能量的一些認(rèn)識(shí)

1.2.1 能量的形式

能量跟運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系著，任何運(yùn)動(dòng)都需要能量。對(duì)應(yīng)于物質(zhì)的多種運(yùn)動(dòng)形式，能量也有多種形式，例如機(jī)械能、熱能、電能、光能、聲能、化學(xué)能等等。不同形式的能量彼此可以互相轉(zhuǎn)換，不會(huì)消失，只能轉(zhuǎn)移。

1.2.2 內(nèi)能

內(nèi)能是體系內(nèi)部能量的總和，跟內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（如原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)等）位能和微粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能有關(guān)。具體地說(shuō)，內(nèi)能包括組成物質(zhì)系統(tǒng)的分子的平動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)能、振動(dòng)能、分子內(nèi)部電子的動(dòng)能和位能、原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的動(dòng)能和位能、分子間相互作用的位能，以及空間電磁輻射能等。內(nèi)能是體系本身的性質(zhì)，僅決定于體系內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。內(nèi)能的改變只與起止?fàn)顟B(tài)有關(guān)，在定態(tài)下有一定的值，與變化過(guò)程無(wú)關(guān)。

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)能的改變來(lái)說(shuō)，做功和傳遞熱量具有相同的作用，它們都可以作為內(nèi)能變化的量度。

1.2.3 熱能

熱能是物體之間因?yàn)闇囟炔煌鴤鬟f的能量，其本質(zhì)是物體內(nèi)部大量實(shí)物粒子（分子、原子等）無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能（包括平動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)能和振動(dòng)能）之和，是分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。熱能是能量的一種形式，是內(nèi)能的一部分，把熱能與內(nèi)能等同起來(lái)是錯(cuò)誤的。

物體具有的熱能是其構(gòu)成微粒無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)并相互碰撞的表現(xiàn)。有作者堅(jiān)持“不相互碰撞的分子或原子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量稱為物質(zhì)的熱能”，這個(gè)說(shuō)法是錯(cuò)誤的。按照這個(gè)說(shuō)法，只有在無(wú)限的空間里物質(zhì)才會(huì)具有熱能，因?yàn)樵谟邢薜目臻g里分子或原子無(wú)序運(yùn)動(dòng)一定要相互碰撞，而事實(shí)是：物體無(wú)論大小都是具有或多或少的熱能的。而且，把能量說(shuō)成是運(yùn)動(dòng)的結(jié)果也是不妥的。

在熱的認(rèn)識(shí)史中，為了解釋燃燒過(guò)程總是伴隨著發(fā)熱、發(fā)光的現(xiàn)象，拉瓦錫（A. L. Lavoisier，1743～1794）曾提出空氣是氧與熱素、光素的混合物，物體在燃燒時(shí)奪走了其中的氧，剩下了熱素和光素，所以就出現(xiàn)了發(fā)熱、發(fā)光現(xiàn)象。他在1789年提出的元素表中就列有熱素和光素。然而，1798年倫福德（Rumford，1753～1814）發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)密封的水箱中用鉆頭鉆炮筒時(shí)，炮筒的溫度能升得很高，顯然，這熱不是來(lái)自于周圍空氣，也不可能來(lái)自于水，結(jié)論只能是來(lái)自于摩擦，否定了熱素的存在。1799年戴維（Humphry Davy，1778～1829）在低溫真空裝置中使兩塊冰摩擦，得出了跟倫德福相同的結(jié)論。1857年，克勞修斯（Rudolf Clausius，1822～1888）在研究理想氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，證明氣體的絕對(duì)溫度由其分子的平均動(dòng)能決定。后來(lái)，麥克斯韋和波爾茨曼證明任何物體都是如此。1878年焦耳（James Prescott Joule，1818～1889）最后確定了熱功當(dāng)量，終于牢固地確立了熱動(dòng)說(shuō)。

1.2.4 能量的轉(zhuǎn)換

當(dāng)能量是屬于非熱能的形式時(shí)，它轉(zhuǎn)換成其他形式的能量的效率可以很高甚至是完美的轉(zhuǎn)換。然而如果是熱能的話，在轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)時(shí)，總會(huì)有轉(zhuǎn)換效率的限制。

在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，系統(tǒng)的總能量保持不變，總系統(tǒng)的能量在各子系統(tǒng)間做能量的轉(zhuǎn)移，當(dāng)某個(gè)子系統(tǒng)損失能量時(shí)，必定會(huì)有其他子系統(tǒng)得到這損失的能量，所以總能量不改變。這個(gè)能量守恒定律，是在19世紀(jì)初所提出的，適用于任何孤立系統(tǒng)。

1.2.5 能量的耗散

能量以熱的形式散發(fā)到周圍空間而無(wú)法再繼續(xù)做功的現(xiàn)象稱之為能量的耗散。在能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量的耗散是不可避免的。這就是為什么能量守恒，能源是不守恒的原因所在。熵是不能再被轉(zhuǎn)換做功的能量的量度，熵的大小是無(wú)效能量的大小。

關(guān)于能量，還有許多秘密有待于通過(guò)進(jìn)一步探索來(lái)揭開，例如：宇宙中的能量從哪里來(lái)？宇宙中的能量總量究竟是多少？它是怎樣產(chǎn)生的？能量是標(biāo)量嗎？有沒有負(fù)能量存在？……

1.3 能量的本質(zhì)與界定

能量與物質(zhì)有著內(nèi)在的聯(lián)系。1905年，著名物理學(xué)家愛因斯坦在狹義相對(duì)論中導(dǎo)出了E=mc2這一質(zhì)能關(guān)系式，表明質(zhì)量和能量是同一的，是它們的統(tǒng)一體的兩種表述，深刻地闡明了能量的物質(zhì)性：質(zhì)量就是內(nèi)斂的能量，能量就是外顯的質(zhì)量。由于反物質(zhì)與正物質(zhì)發(fā)生碰撞將會(huì)完全湮滅、100%地轉(zhuǎn)化成能量，有人認(rèn)為：說(shuō)“能量也屬于物質(zhì)”，倒不如說(shuō)是“其實(shí)物質(zhì)屬于能量”。

世界萬(wàn)物是不斷運(yùn)動(dòng)著的，運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的存在方式。在物質(zhì)的一切屬性中，運(yùn)動(dòng)是最基本的屬性，其他屬性都是運(yùn)動(dòng)屬性的具體表現(xiàn)。能量是物質(zhì)的一種存在方式，并且反映著物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)屬性。有人說(shuō)“能量來(lái)源于運(yùn)動(dòng)”，這種說(shuō)法實(shí)際上把能量與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)二元化，否定了能量是物質(zhì)的一種存在方式，否定了能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的反映，是欠妥的。

物理學(xué)和哲學(xué)都關(guān)注能量，它們分別從自己的視角對(duì)能量做出了不同的界定。

能量的物理學(xué)定義是：能量是描寫系統(tǒng)或者過(guò)程的一個(gè)量。對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)系統(tǒng)的能量可以被定義為從一個(gè)被定義的零能量狀態(tài)轉(zhuǎn)換為該系統(tǒng)現(xiàn)狀的功的總和；對(duì)于過(guò)程來(lái)說(shuō)，能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)和一般量度，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)模的單值函數(shù)。后一個(gè)定義說(shuō)明了能量是什么，前一個(gè)定義只說(shuō)明了量度能量變化的操作性思路。

能量的通俗定義是“做功的本領(lǐng)”，寓意通過(guò)量度物體所做的功即可確定其能量。實(shí)際上，能量不只是用來(lái)做功，還可能以熱量形式表現(xiàn)出來(lái)，物體也不能竭盡其所有能量來(lái)做功。這個(gè)定義沒有揭示能量的本質(zhì)，但是以這個(gè)定義為基礎(chǔ)，通過(guò)熱功當(dāng)量綜合考慮做功和熱量變化可以確定物體的能量變化。

能量的哲學(xué)定義是：能量是一種客觀存在，自然界的萬(wàn)物都是它的表現(xiàn)形式。能量的哲學(xué)定義涉及了能量的本質(zhì)問(wèn)題。

1.4 能量觀的定位與結(jié)構(gòu)

根據(jù)上面的討論，能量觀應(yīng)該跟物質(zhì)觀有著直接的、密切的聯(lián)系，兩者在觀念體系中應(yīng)該位于同一層級(jí)。有些作者把能量觀劃屬于次級(jí)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀或者物質(zhì)變化觀（化學(xué)反應(yīng)觀），甚至劃屬于物質(zhì)應(yīng)用觀之下，顯然是欠妥的。

就人類現(xiàn)在居住的地球環(huán)境而言，目前人們關(guān)于能量的認(rèn)識(shí)，大體上可以歸結(jié)為對(duì)能量本質(zhì)的認(rèn)識(shí)；對(duì)能量形式及其分類的認(rèn)識(shí)；對(duì)能量轉(zhuǎn)換的認(rèn)識(shí)；對(duì)能量耗散的認(rèn)識(shí)以及對(duì)能量守恒的認(rèn)識(shí)等。與此對(duì)應(yīng)，能量觀是由能量本質(zhì)觀、能量形式觀、能量轉(zhuǎn)換觀、能量耗散觀和能量守恒觀等構(gòu)成的認(rèn)識(shí)體系。

2 化學(xué)能與化學(xué)能量觀

為了深入認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其化學(xué)變化，化學(xué)一方面接受并運(yùn)用了物理學(xué)中的能量概念，同時(shí)也衍生形成了具有化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)的能量概念，作為化學(xué)能量觀核心概念的“化學(xué)能”就是這樣的典型。

2.1 化學(xué)能

前面已經(jīng)說(shuō)到，能量跟運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系著，對(duì)應(yīng)于物質(zhì)的多種運(yùn)動(dòng)形式，能量也有多種形式。通常把物質(zhì)在進(jìn)行化學(xué)運(yùn)動(dòng)（即發(fā)生化學(xué)變化）時(shí)所吸收或者釋放的能量叫做化學(xué)能。由此可以確定，化學(xué)能只有在發(fā)生化學(xué)變化時(shí)才釋放出來(lái)，變成熱能或者其他形式的能量。

化學(xué)反應(yīng)是原子重新組合變成新的物質(zhì)的過(guò)程。在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，總要發(fā)生一些化學(xué)鍵的消失（斷裂）和另一些化學(xué)鍵的形成。不同的化學(xué)鍵一般具有不同的能級(jí)。因此，物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，體系的能量同時(shí)要發(fā)生變化。化學(xué)鍵的斷裂和形成跟電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變有關(guān)，這意味著化學(xué)鍵能的本質(zhì)是電子在電磁場(chǎng)中的位能發(fā)生變化。

但是，發(fā)生化學(xué)變化時(shí)所吸收或者釋放的能量（化學(xué)能）并不是只跟化學(xué)鍵能有關(guān)。根據(jù)熱力學(xué)的研究，在恒溫恒壓條件下進(jìn)行的任何過(guò)程，都有一個(gè)焓變?chǔ)（恒溫恒壓條件下的反應(yīng)熱），它包括兩部分的能量，一部分是ΔG，能自由地轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N形式的功（即做有用功，包括體積功、電功、機(jī)械功、反抗地心引力功等），所以被叫做自由能變化；另一部分是ΔQ，不能用于做有用功，而是消耗于增大體系混亂度或增加熵變，是用于改變體系組織（有序性）的能量，通常表現(xiàn)為熱量：ΔH=ΔG+ΔQ。

ΔQ跟溫度T和熵變?chǔ)有如下關(guān)系：ΔQ=TΔS，因此，ΔH=ΔG+TΔS。

在恒溫恒容條件下進(jìn)行的過(guò)程，體系內(nèi)能變化ΔU也可以分為兩部分：一部分是恒溫恒容條件下的自由能ΔF（赫姆霍茨自由能），另一部分是TΔS。其關(guān)系式為ΔU=ΔF+TΔS。

實(shí)際上，有限的物質(zhì)體系都有達(dá)到最低位能狀態(tài)和最大混亂度的傾向，一旦其混亂度（或有序性）發(fā)生變化，就要有能量的釋放或吸收。

化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，往往需要克服一個(gè)能量障礙：滿足活化能（E）要求。根據(jù)玻爾茲曼分布因子e-E/kT（即分子在給定的溫度T下，能量大于或等于活化能的概率），化學(xué)反應(yīng)速度與活化能是相關(guān)的。化學(xué)反應(yīng)所需要的活化能，可以熱能的形式提供。

化學(xué)能是一種內(nèi)能，是一種隱蔽的能量，需要經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)釋放出來(lái)，不能直接用來(lái)做功。

2.2 化學(xué)能量觀

2.2.1 什么是化學(xué)能量觀

所謂“化學(xué)能量觀”只是泛指化學(xué)領(lǐng)域中跟能量關(guān)聯(lián)的各種問(wèn)題的概括性的、綜合性的、總結(jié)性的認(rèn)識(shí)（見解、看法），一般不針對(duì)某一個(gè)特定的問(wèn)題，跟“化學(xué)能觀”不是一回事。

化學(xué)能量觀跟一般的能量觀也不是一回事，后者視野更廣，層次更高，不能把兩者混為一談。化學(xué)能量觀是一般能量觀在化學(xué)領(lǐng)域的映射，因而應(yīng)服從于一般能量觀。

有人認(rèn)為，“化學(xué)能量觀是指從能量角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的學(xué)科觀念”，這種說(shuō)法似乎把化學(xué)能量觀窄化了，因?yàn)榛瘜W(xué)能量觀不只是從能量角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題，它也涉及研究分子軌道的能量以認(rèn)識(shí)分子的性質(zhì)等；另一方面，雖然能量是一個(gè)核心的科學(xué)概念，也是一個(gè)基礎(chǔ)的物理概念，在化學(xué)中并不是基礎(chǔ)的概念，把它說(shuō)成（化學(xué)的）“學(xué)科觀念”是否妥當(dāng)還需深入思考。

有人說(shuō)：“化學(xué)能量觀包含下列4部分：（1）物質(zhì)都具有能量，不同的物質(zhì)或同一物質(zhì)不同的狀態(tài)具有不同的能量；（2）化學(xué)能是能量的一種存在形式，它可以跟其他形式的能量相互轉(zhuǎn)換，化學(xué)變化不僅是物質(zhì)發(fā)生變化，它總是伴隨著能量的轉(zhuǎn)移或者轉(zhuǎn)換，而且遵循能量守恒定律；（3）能量是影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素；（4）能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，能源的開發(fā)和利用離不開化學(xué)?！逼渲械牡?部分應(yīng)該劃歸一般能量觀；第2部分其實(shí)也可以劃歸一般能量觀；第3部分將溫度跟能量等同起來(lái)，是欠妥的；第4部分有將能源與能量混淆之嫌，不應(yīng)劃歸化學(xué)能量觀。

2.2.2 化學(xué)能量觀的結(jié)構(gòu)

參照一般能量觀的結(jié)構(gòu)，可以推論化學(xué)能量觀包含著化學(xué)能量本質(zhì)觀、化學(xué)能量形式觀、化學(xué)能量轉(zhuǎn)換觀、化學(xué)能量耗散觀等組成部分。

所謂化學(xué)能量本質(zhì)觀的涵義主要是：化學(xué)變化總是伴隨著能量現(xiàn)象，化學(xué)變化中的能量變化是有關(guān)物質(zhì)系統(tǒng)化學(xué)運(yùn)動(dòng)的重要表現(xiàn)和一般量度。物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)變化時(shí)所吸收或者釋放的能量（即化學(xué)能）跟物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部電子的電磁場(chǎng)位能變化、內(nèi)部電子的動(dòng)能、原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的動(dòng)能和位能、結(jié)構(gòu)微粒運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能（包括平動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)能、振動(dòng)能等）、結(jié)構(gòu)微粒間相互作用位能的變化，以及物質(zhì)體系組織改變消耗的能量等有關(guān)。

化學(xué)能量形式觀的涵義主要是：物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)變化時(shí)所吸收或者釋放的能量形式，除了涉及化學(xué)能、熱能和各種功（例如體積功、電功）之外，還可能涉及多種輻射能（光能、電磁能）、聲能等等。

化學(xué)能量轉(zhuǎn)換觀的涵義主要是：物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)變化時(shí)可以發(fā)生能量由一種形式向另一種的轉(zhuǎn)換、內(nèi)能與外部能量的相互轉(zhuǎn)換；化學(xué)變化時(shí)的能量轉(zhuǎn)換遵守能量守恒規(guī)律。不同能量形式之間的轉(zhuǎn)換是有條件的，例如，在涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)化時(shí)，通常要發(fā)生能量的耗散；有時(shí)需要滿足活化能、需要借助于特殊的技術(shù)裝置。

化學(xué)能量耗散觀的涵義主要是：物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)變化時(shí)總要有一部分用于改變體系組織狀態(tài)（改變體系的熵或微觀混亂度），形成以熱為形式的能量耗散現(xiàn)象，導(dǎo)致化學(xué)能與自由能不相等。

2.2.3 化學(xué)能量觀的特點(diǎn)

化學(xué)能量觀有兩個(gè)顯著的學(xué)科性特點(diǎn)：

（1）化學(xué)能量現(xiàn)象一般都涉及物質(zhì)（實(shí)物材料）的變化（包括可能的變化），即涉及化學(xué)變化；

（2）涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的變化，既涵蓋跟化學(xué)變化相聯(lián)系的電離能、鍵能、軌道能、晶格能等微觀的能量概念，也涵蓋反應(yīng)熱、燃燒熱、中和熱、結(jié)晶熱等宏觀的化學(xué)能量概念。

2.3 化學(xué)能量觀的教育教學(xué)價(jià)值

化學(xué)能量觀的教育教學(xué)價(jià)值主要在于：

（1）從化學(xué)學(xué)科角度豐富和深化對(duì)能量的認(rèn)識(shí)。物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的多樣性決定了能量形式的多樣性。能量是一個(gè)核心的科學(xué)概念，只有從多種角度認(rèn)識(shí)能量，才能更深入地了解它的本質(zhì)、形式、轉(zhuǎn)換及其規(guī)律等等，化學(xué)能量觀的教育教學(xué)價(jià)值首先就在于此。

（2）促進(jìn)對(duì)化學(xué)變化和物質(zhì)結(jié)構(gòu)等知識(shí)的認(rèn)識(shí)。科學(xué)觀念是具有方法論意義的，化學(xué)能量觀也是如此。它可以幫助人們從特定角度解釋和理解物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和行為，確定化學(xué)變化的條件，發(fā)現(xiàn)化學(xué)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，拓展化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用等等。例如，沒有化學(xué)能量觀，很難教好、學(xué)好“化學(xué)鍵”、“熱化學(xué)”、“電化學(xué)”、“化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡”等重要內(nèi)容。電離能、鍵能、晶格能等能量概念有助于學(xué)生形成原子、分子和晶體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等認(rèn)識(shí)。

（3）拓展化學(xué)的研究和化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用?；瘜W(xué)能量觀可以拓展化學(xué)的研究，例如根據(jù)鍵能、活化能等概念以及能量形式相互轉(zhuǎn)換規(guī)律，輻照化學(xué)、超聲化學(xué)得以形成?；瘜W(xué)能量觀還可以拓展化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用，例如化學(xué)能和其他形式能量的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律在能源化學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

（4）強(qiáng)化化學(xué)跟物理學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科之間的聯(lián)系，促進(jìn)統(tǒng)一的科學(xué)概念形成和學(xué)科的融合，從而有利于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（5）深化和強(qiáng)化學(xué)生對(duì)辯證唯物主義的理解。

3 化學(xué)課程中的能量和能量觀

要了解中學(xué)化學(xué)中涉及哪些化學(xué)能量觀，需要先了解中學(xué)化學(xué)課程中涉及哪些跟能量有關(guān)的知識(shí)技能。

現(xiàn)行化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[7，8]中規(guī)定的有關(guān)能量的內(nèi)容如表1所示。

由表1可以看出，現(xiàn)行課程標(biāo)準(zhǔn)中涉及能量的內(nèi)容是不多的，深度是較淺的。而且，這些內(nèi)容的分布有兩個(gè)特點(diǎn)：（1）主要是對(duì)化學(xué)中的能量現(xiàn)象和某些特殊能量概念的介紹，以及對(duì)化學(xué)中的能量轉(zhuǎn)換的介紹；（2）高中必修部分集中于《化學(xué)2》模塊；高中選修部分集中于《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊和《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊。

根據(jù)上述規(guī)定和分布特點(diǎn)，現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)課程可以使學(xué)生在物理學(xué)課程中初步形成的能量意識(shí)得到強(qiáng)化；但是，由于不能使大多數(shù)高中生獲得足夠的能量知識(shí)以及對(duì)能量本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)行化學(xué)課程難以使學(xué)生形成比較全面的能量觀；在有關(guān)內(nèi)容的教學(xué)中，學(xué)生（甚至于教師）仍可能產(chǎn)生一些錯(cuò)誤或模糊的認(rèn)識(shí)，例如把焓變等同于反應(yīng)熱、把實(shí)測(cè)的一些能量數(shù)據(jù)絕對(duì)化，需要注意研究相應(yīng)對(duì)策；等等。

4 化學(xué)課程中能量及能量觀的教學(xué)

總的看來(lái)，中學(xué)化學(xué)課程中對(duì)化學(xué)能量觀的教學(xué)要求不宜太高，在平時(shí)的教學(xué)中只要搞好有關(guān)的知識(shí)技能教學(xué)，掌握有關(guān)的能量概念、規(guī)律和計(jì)算、了解不同形式能量轉(zhuǎn)換的典型實(shí)例，能夠舉例或者用于解釋不太復(fù)雜的問(wèn)題就可以了，不必加碼提出過(guò)高的要求。在復(fù)習(xí)階段，可以對(duì)同類能量現(xiàn)象作一點(diǎn)初步的、簡(jiǎn)單的概括。對(duì)能量的本質(zhì)可以只做滲透，不做要求。

一般說(shuō)來(lái)，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)涉及能量和能量觀的教學(xué)中應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：

（1）搞好有關(guān)的能量概念的教學(xué)。要注意通過(guò)分析、綜合來(lái)概括各種化學(xué)能量現(xiàn)象，明確其涵義和化學(xué)認(rèn)知功能，在此基礎(chǔ)上形成宏觀的和微觀的化學(xué)能量概念，以利于進(jìn)一步概括、綜合、總結(jié)形成有關(guān)的觀念。

（2）注意形成和鞏固能量形式及其轉(zhuǎn)換規(guī)律的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生明確能量變化跟化學(xué)變化的關(guān)系，滲透辯證唯物主義教育。

（3）注意有關(guān)知識(shí)的應(yīng)用，能應(yīng)用有關(guān)知識(shí)解釋能量變化的原因，解釋和舉例說(shuō)明某些能量現(xiàn)象、物質(zhì)性質(zhì)、實(shí)際意義等，讓學(xué)生在應(yīng)用中深化和拓展對(duì)能量的認(rèn)識(shí)。

（4）宏觀能量變化的測(cè)量和計(jì)算是能量研究的重要內(nèi)容，但在中學(xué)化學(xué)中只安排中和熱的簡(jiǎn)單測(cè)定和應(yīng)用蓋斯定律進(jìn)行反應(yīng)熱的簡(jiǎn)單計(jì)算。在教學(xué)中應(yīng)著重讓學(xué)生了解測(cè)量和計(jì)算的基本思路，不宜提出過(guò)高的要求。

（5）介紹焓變、熵變和自由能等抽象的能量概念，是為“用焓變和熵變說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)的方向”教學(xué)服務(wù)的，應(yīng)結(jié)合“用焓變和熵變說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)的方向”的教學(xué)進(jìn)行。課程標(biāo)準(zhǔn)必修部分對(duì)這些內(nèi)容并未安排，更未提出要求；選修部分要求也不高，并且不作為高考內(nèi)容。

有些教師在教學(xué)中仿照大學(xué)的教學(xué)模式給中學(xué)生講授這個(gè)內(nèi)容，其效果很差，方法是欠妥的。在教學(xué)時(shí)不妨采用科普手法，應(yīng)用實(shí)例通俗地說(shuō)明。這是完全可能的，因?yàn)闊崃W(xué)第二定律概括了大量的事實(shí)，涉及生活和自然環(huán)境的方方面面，貼近學(xué)生生活尋找好例子完全可能。例如，人在進(jìn)行體力勞動(dòng)做功時(shí)身體總是要發(fā)熱、出汗，這個(gè)例子對(duì)于幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)能在自由地轉(zhuǎn)化為其他形式的能或功（“自由能”）的同時(shí)總要有一部分以熱的形式釋放出來(lái)，是十分有效的[9]。

“用焓變和熵變說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)的方向”涉及化學(xué)中的能量耗散，對(duì)學(xué)生了解化學(xué)反應(yīng)的方向、全面地認(rèn)識(shí)能量現(xiàn)象是有意義的。筆者認(rèn)為，適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大這個(gè)內(nèi)容的科普范圍，讓更多的學(xué)生有所接觸、有所了解是有益的，這樣做不會(huì)增加學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

（6）搞好化學(xué)能量觀養(yǎng)育的整體設(shè)計(jì)，注意平時(shí)教學(xué)與專題復(fù)習(xí)的合理分工和相互配合。

參考文獻(xiàn)：

[1]恩格斯著.于光遠(yuǎn)等譯編.自然辯證法[M].北京：人民出版社，1984：173～184.

[2][美] G. Holton著.S. G. Brush增訂.物理科學(xué)的概念與理論導(dǎo)論[M].北京：人民教育出版社，1983，367～414.

[3]林宏德著.科學(xué)思想史（第二版）[M].南京：江蘇科技出版社，2004：161，124.

[4]江曉原主編.科學(xué)史十五講[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006：266.

[5]北京師范學(xué)院物理系中學(xué)物理教學(xué)研究編委會(huì).中學(xué)物理教學(xué)研究第4集[M].北京：原子能出版社，1983：3～4.

[6]庫(kù)德梁夫采夫.羅蒙諾索夫傳略[M].北京：科學(xué)出版社，1962：47.

[7]中華人民共和國(guó)教育部制定.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[8]中華人民共和國(guó)教育部制定.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)版）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[9]吳俊明.“化學(xué)反應(yīng)的方向”教學(xué)設(shè)計(jì)與探索[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（7）：47～49.