1、 校本课程趣味化学史课程开发负责人 参编老师 开设年段 高一课程目标本着遵循学生认知的客观规律，针对高中生对生活中化学现象认识的特点，培养学生科学探究的精神和用科学的方法解决生活中的一些科学现象。培养学生对高中化学的兴趣，为学生在高二阶段的选科作提供参考依据。第 1 课 贝采利乌斯的“恶作剧”第一章第 2 课 稀有气体的发现第 3 课 光谱的应用第二章第 4 课 碘的发现第 5 课 碲和硒的发现第 6 课 从草木灰中发现钾第三章第 7 课 元素周期表的故事第 8 课 布朗运动的来历第 9 课 放射现象的发现第 10 课 原子模型是怎样提出来的第 11 课 苯环的结构第四章第 12 课 半导体的
2、基础知识第 13 课 半导体工业的原料锗第 14 课 材料科学记忆 Ni-Ti 合金第 15 课 合成氨的诞生第 16 课 笑气的得名第五章第 17 课 关于氯化钠的电离第 18 课 哑泉的秘密第 19 课 “生命力”论的破灭第六章第 20 课 放在手中便熔化的金属镓第 21 课 古德意与橡胶第 22 课 电木的来历第七章第 23 课 氦-3 的超流体第 24 课 检验石材放射性的高手第 25 课 新型螯合剂第 26 课 微晶玻璃第八章第 27 课 质子膜燃料电池第 28 课 新型磁性蓄冷材料第 29 课 光化学烟雾第 30 课 阿伏加德罗和分子学说第 31 课 侯氏联合制碱法第九章第 32
3、课 C60第 33 课 玻璃“家族”课 程 内 容第十章第 34 课 用焰色反应鉴定黄金的纯度第 35 课 水 华课程实施将化学史知识以趣味故事的形式与现阶段的学生已有知识联系起来，在多个教师的合作前提下下编写教材。2. 注重学以致用，培养学生理论联系实际的能力和积极向上的学习的兴趣。课程评价l将本课程纳入课程计划，供学生自主选择。每周 1 课时，一学期共 18 课时，考核合格可得到 2个学分。2本课程主要由化学教研组负责实施，并配备了一名化学教师。教师认真备课、上课，确保达成预期的课程目标。第 1 课 贝采利乌斯的“恶作剧”一天，被誉为瑞典化学泰斗的贝采利乌斯神采奕奕地站在讲台前，向新人学的
4、大学生们介绍实验观察的重要性。“同学们，化学是一门以实验为基础的学科。没有卓越的实验观察力，就无法研究化学。有些同学想当化学家，却又不愿意在这方面下功夫，”“老师，观察实验难道比走钢丝还难吗？”一个学生有点不服气，打断了他还不太熟悉的贝采和乌斯教授的讲话，“您可以考一考我们，看看我们将来配不配当一名化学家。”教授沉思了一下。答应了这个要求。他把一只只盛有溶液的试剂瓶发给在座的学生，然后说道。贝采利乌斯“我这里的一瓶溶液和大家面前放的那瓶完全一样都是几经煮沸的无毒溶液。一会儿，我要求大家模仿我所用的方法来鉴别一下，这是一种什么样的溶液。”说完，教授把手指伸进试剂瓶的溶液里，然后将手指拿出来并用舌
5、头舔了一下。通过教授的神态，大家猜想这溶液或是甜的，或是咸的，至少是没有什么味道的。随着教授一声令下，“考试”开始了。为了能最先报出鉴定结果以证实自己的实验能力，学生们争先恐后地把手指伸进试剂瓶里，并迫不及待地尝了一下。“啊！怎么这么苦”“苦死了！苦死了！”尝了溶液的味道后，学生们个个哭丧着脸大声地埋怨着。一个学生甚至有点恼火了：“老师，尝了这么苦的溶液。您为什么装得若无其事呢？”“我真的尝了吗？”贝采利乌斯边笑边向他的学生们问道。咦！明明看着教授把手指放到了舌头上。怎么能说没尝呢？大家一时摸不着头脑。聪明的读者，你知道贝采利乌斯的“恶作剧”是怎么“演”的吗？ 第 2 课 稀有气体的发现第三位
6、小数的疑问英国剑桥大学教授雷利对气体的密度特别感兴趣，从 1882 年开始陆续测定起各种气体的密度来。他做事历来十分严谨、一丝不苟，因此在测定每种气体的密度时，总是通过不同的途径取得这种气体，并对其密度反复测量，以尽量减少误差。气体的密度一个个测了出来。但在测定氮气密度时，他却遇到了一件令人费解的事。他把空气通过烧得通红的装满铜屑的管子除去氧气，然后又通过一只只“化学搜捕器”除去二氧化碳和水蒸气，最后得到了氮气。然后在 00C、1 大气压的条件下，一次又一次地测量所得氮气的密度，其结果皆为 1.2572 克升。像对待其它气体一样，他又用另一种方法分解氨气获得氮气，并测定所得氮气的密度，但其结果
7、却是 1.2505 克/升。都是氮气的密度，为什么在小数点后第三位上却出现了差异？雷利双眉紧蹙，思索着产生这 0.0067 克差异的原因。“这种误差可能是某一步实验操作出现了疏忽造成的。”于是他认真地检查了实验装置，并一遍又一遍地重复着实验，结果还是如此。“也许是用分解氨气的方法制得的氮气里混有氢气，所以密度才小了一点。”为此，他又改用其它含氮物质，分别从笑气（一氧化二氮）、一氧化氮、尿素等物质制取氮气，结果仍然差那么一丁点儿。这 0.0067 克的差异把雷利折腾了 2 年，甚至弄得他彻夜难眠，但他一直不能忽略这微乎其微的差异，不愿使自已的判断有丝毫的草率。终于，雷利在其他科学家的协助下揭开了
8、其中的秘密，并完成了一个震惊科学界的重大发现！说说看，通过这第三位小数的疑问，雷利等科学家发现了什么？第 3 课 光谱的应用太阳元素现在问大家，光辉灿烂的太阳是用什么组成的？有的同学也许会脱口而出，圆满地做出回答。但在过去，这可一直是个谜。太阳离地球有 1.5 亿公里之遥，它的表面温度又有 55000C 之高，人根本就无法接近它。既然这样，又怎么去探讨太阳的组成呢？不过，照射到地球上的阳光倒是太阳发来的一种“密码”，它给我们带来了太阳的信息。关键是怎样识译这些“密码”，弄清太阳的信息。1859 年德国化学家本生和物理学家基尔霍夫创制了分光镜，给太阳光“密码”的识译带来了希望。他们发现。不同的元
9、素在高温下会发出不同颜色的光；光通过分光镜就分解了，并在镜后的屏幕上形成特定的彩色线条。例如，钠蒸气总是产生两条紧靠在一起的黄色线条。反过来说，只要通过分光镜看到了这两条黄色线条，就证明发光的物质中一定含有钠元素。用这种方法，人们终于知道太阳大气中有 60 多种元素。且最多的是氢元素。1868 年 8 月 18 日，对天文学家和研究太阳的学者来说是一个好日子，因为这一天将出现一次几载难逢的日全食。这时，太阳光不太耀眼。人们利用肉眼，就可以观察到太阳表面喷射的火舌。不过。这次日全食只能在印度看到。毕生从事太阳研究的法国天文学家儒尔冉逊不远万里赶到印度东海岸的广都尔城，去进行一次难得的几分钟的观察
10、。日全食开始了。太阳被月亮遮住，从黑色月亮的背面喷射出太阳的红色火舌，那情景美丽极了。冉逊无心顾及这一切，他把分光镜对准了太阳，仔细观察着屏幕上出现的彩色线条。在那彩虹似的线条中，一条橙黄色的线条吸引住冉逊。这可是过去从未见过的线条呀！次日凌晨。他再次把分光镜对向刚刚升起的太阳，橙黄色线条又顽皮地出现了。“它是怎样产生的呢？”冉逊苦苦地思索着。1868 年 10 月 26 日，巴黎科学院同时收到两封来信。一封是冉逊写的，另一封是英国的天文学家洛克耶写的。信中所谈之事竟完全相同，这使正在举行的巴黎科学院会议的与会代表们大为震惊。就这样，一种新元素诞生了，它被称为“氦”希腊文里是太阳的意思。这种元
11、素是至今唯一不是在地球上首先发现的元素。第 4 课 碘的发现偶然发现的元素19 世纪初，法国的拿破仑发动了一场大战，战火烧遍了整个欧洲。战争需要大量的黑火药。用于制造这种火药的硫磺和炭粉并不稀罕。而硝酸钾就来之不易了。于是，化学家、火药商们便研究起硝酸钾的制取来，以便生产更多的黑火药。研究结果表明，海边漂浮起来的海藻，晒干烧成灰后，用水浸泡便可提取出硝酸钾。法国的火药商兼化学家库尔特瓦也参加了制取硝酸钾的行列，而且用同样的原料得到的硝酸钾总比别人多。但他并没有为此而沾沾自喜。经过一段思索，他渐渐地把注意力转向浸泡海藻灰后倒掉的废水上，心想：“说不定这废水里还有宝贝呢！”一天，库尔特瓦在家中简陋
12、的实验室里做实验。一只淘气的小花猫在一旁跳来蹦去。忽然，有两只瓶子被小花猫碰倒了。瓶子里分别装着的海藻灰溶液和浓硫酸流了一地。库尔特瓦正要“处置”心爱的小花猫，却被眼前的奇异现象吸引住了，流了一地的混合液体冒出一种有难闻气味但却十分美丽的紫色蒸气，蒸气冷凝后并不形成液体，却变成紫黑色的带有金属光泽的晶体。没想到小花猫竟干出这么一番“事业”：库尔特瓦根据这一奇特现象，在自己的小实验室里又做了许多实验，终于弄明白了这种紫色气体是由一种未被发现的元素组成的。后来，科学界朋友的鉴定也证实了这一点。库尔特瓦高兴极了，对那只淘气的小花猫也就更疼爱了。那么，小花猫帮助库尔特瓦发现的究竟是什么元素呢？第 5
13、课 碲和硒的发现“地球”和“月亮”元素碲的拉丁文原意是“地球”，元素硒的拉丁文原意是“月亮”。这两种元素真有点像孪生姊妹，它们的发现也颇为有趣。18 世纪的后半叶，人们在奥地利的七座山发现了一种奇异的浅蓝色矿石。不少人推测这种矿石里含有金子，便把它叫做“奇异金”、“可疑金”。1782 年，采矿工程师牟勒从这种矿石里提取出一种貌似“金属”的熔块。左看右看，不像是金子，倒像一块金属锑。可进一步的分析研究，又否定了是金属锑的看法。究竟是一种什么物质呢？他实在拿不准，便求教于著名的瑞典化学家贝格曼教授。可惜他带去的样品太少了，贝格曼也只能证明它不是锑，而无法拿出更明确的结论。一个还有“一步之遥”的发现
14、，就这样被搁下了。一搁就是 15 年，在这 15 年中没有任何人提起过牟勒的发现。直到 1798 年 1 月 25 日，德国著名的矿物学家、化学教授克拉普罗兹在柏林科学院宣读的一篇论文中又提到这件事，并确定牟勒发现的是一种新元素。克拉普罗兹把这种元素叫做“碲”。这样，“碲”才重见了天日。硒也是化学家们很早就遇到过的一种元素。由于它“躲藏”在硫和碲里，一直未被发现。1817 年，瑞典化学家贝采利乌斯和他的助手甘恩在研究一种生产硫酸的方法。一次，他们在焙烧从一个矿区运来的黄铜矿时，得到了一种红色残泥，这是一种意想不到的产物。红色残泥是什么物质呢？他们饶有兴趣地研究起来。当加热这种残泥时，一股好像烂
15、萝卜发出的臭味扑鼻而来，这使他们想到了发现不久的新元素：碲。因为这气味是碲的一种特征气味。贝采利乌斯十分高兴，以为产生红色残泥的黄铜矿是一种含碲矿物。于是，他和甘恩收集了大量残泥，想从中提炼出碲来。役想到，连碲的痕迹也没找到，得到的却是一种莫名其妙的物质。既然来到了眼前，那就好好研究研究吧。经过反复探讨，贝采利乌斯断定这是一种新元素，便仿照“碲”，把它叫做“硒”。硒（Se）、碲（Te）的化学性质与硫类似，例如，在加热时都能与氢气反应，生成一种类似硫化氢的有臭味的气体。你能写出硫、硒、碲分别跟氢气反应的化学方程式吗？第 6 课 从草木灰中发现钾电解创出的奇迹1807 年的一天，戴维和他的堂兄埃德
16、蒙得一大早就来到了皇家学院的实验室，开始实施他们策划已久的实验方案。原来戴维对电池的电解作用产生了极大的兴趣。当时有很多物质被认为是不可分解的，可戴维想：“不管物质中元素的天然电力（结合力）有多么强，总不能没有个限度。我们人造仪器的力量似乎是能够无限增大的，电解一定能把物质中的元素分开。”他从电能将水分解成氢和氧中受到了启发，决心用电来分解各种物质以发现新元素。他首先选择了常见的草木灰。为此，他和埃德蒙得把当时皇家学院所有的电池统统集中起来，这个“电池大军”包括 24 个大电池、100 个中等电池和 150 个小电池。站在这支“电池大军”旁，戴维信心十足：“我一定要把草木灰分个一清二楚！”戴维
17、和埃德蒙得将草木灰配成饱和溶液，然后将那庞大电池组的两根导线插入溶液。顿时，溶液中气泡大作，他们高兴极了，连忙将两根导线旁跑出的气体分别收集起来检验。结果使他们十分扫兴，跑出来的气体是氢气和氧气。也就是说，被分解的只是溶液中的水，草木灰原封未动！“水攻”不成，改为“火攻”。他们将草木灰放在一只白金勺里，用酒精灯将它熔化，然后把电池的一根导线接在白金勺上，另一根导线插入熔融的草木灰中。“快看，埃德蒙得，它出来了！”戴维大叫起来。“什么出来了？”埃德蒙得赶紧凑了过来。“你看，这火！这淡紫色的火！”戴维兴奋地说。看到白金勺里与草木灰接触的导线旁出现的闪烁着紫光的小火舌，埃德蒙得也高兴万分。可不一会，
18、他又“凉”了下来，说：“怎么收集产生这种火苗的东西呢？”这一问，戴维也犯了愁。看来是有新元素产生了，但它极易燃烧，在这么高的温度下，一分解出来就着火了。水攻不行，火攻也不行！原来计划拿着发现的新元素去参加皇家学院一年一度的贝开尔报告会，现在只有 40 天了，几十种方案又都不见效，怎么办呢？又焦焦虑虑地苦思了十几天的戴维，突生一计：把草木灰稍稍打湿，使它刚刚能导电，这样既没有溶液，也没有高温，不就行了吗？真是车到山前必有路：戴维赶忙叫来了埃德蒙得。他们用一铂制的小盘盛了些草木灰，在空气中放置片刻，因吸湿草木灰的表面变得潮乎乎的。这时，他们用导线将铂制小盘与电池的负极相连，将一条与电池正极相连的铂
19、丝插到草木灰中。他们紧张地观察着。忽听“啪”的一声，铂丝周围的草木灰逐渐熔融，并且越来越猛烈。它终究经不起这数百个电池电流的“锥击”，开始分解了：负极铂盘周围有强光产生，出现了带金属光泽的、酷似水银的颗粒。有的颗粒刚一形成，立即燃烧起来，发出美丽光亮的紫色火焰；有的颗粒侥幸保存下来，却很快失去光泽，蒙上了一层白膜。看到这里，戴维猛地离开实验台，如醉如狂地跳起舞来，嘴里念道着：“好极了！成功了！”他疯疯颠颠地转了五六分钟，带倒了三角架，打落了烧杯、试管，碰翻了墨水瓶，才勉强镇静下来。埃德蒙得也乐得在一旁鼓掌助兴。戴维真的成功了：他发现了一种新的金属。开报告会的日子到了，戴维拿着盛有自己辛苦制得的
20、、泡在煤油里的新金属的瓶子，来到皇家学院的报告厅。在讲台上，他从瓶里取出一小块金属，擦干后用小刀轻轻地划下小小的一块，扔进一个盛满水的玻璃缸里。只见那块金属带着咝咝咝的响声，伴着紫色的火焰，在水面上着了魔似地乱窜，且体积越来越小，慢慢地消失在水里这一切把台下的人都惊呆了这真是一种神奇的金属！一种新元素诞生了。故事讲到这里，你大概已知道这种元素的名字了吧？第 7 课 元素周期表的故事门捷列夫玩“纸牌”门捷列夫是俄国彼得堡大学的化学教授。他身材修长、眉清目秀，一看就是那种才华横溢、精力过人的青年学者。他的化学课讲得妙极了。精彩的实验、生动的表述、恰当的手势，听他讲课，简直是一种高级的艺术享受，学生
21、们对他佩服得五体投地。但是，他们也发现这位受人尊敬的老师有一个很古怪的爱好把自己关在书房里玩纸牌，而且，从不邀牌友。门捷列夫真的在玩纸牌吗？不是！他是在研究元素的分类。原来在 19 世纪，化学领域捷报频传，化学元素陆续被发现。但元素越多，化学就越混乱。因为每一种元素就是一个“独立王国”，元素间好像没什么联系。这样，无论是在课堂上讲这些元素，还是在实验室里研究它们的性质，都得一个一个地来，十分麻烦。虽然有些科学家想按类来研究这些元素，但由于没找到科学的分类方法，众多的元素仍像一团乱麻，理不出头绪。门捷列夫很想理清这团乱麻，找出化学元素间的内在联系。于是，他一头钻进了“元素堆”里。苦苦的思索，使他
22、十分疲惫。有一次，他伏在办公桌上睡着了，并很快进入了梦乡。他梦见自己在打牌，但手里拿着的不是扑克牌，而是一张张纸片，每张纸片上写着一种元素。玩了一会儿，竟把元素分成类，并制成一张元素分类表。他高兴得笑了起来。这时，他醒了，只见一大堆口水把眼前的稿纸都弄湿了。这会儿，他真的笑了，并真的找来了 63 张纸片，每一张上写一种元素的名称、性质、原子量有了纸牌，他研究元素的分类、寻求元素间的联系就方便多了。他根据元素的金属性、非金属性排列纸牌，不行；收起牌来，再按元素的活泼性排列，还不行；又收起牌来，再按化合价排列，仍然不满意就这样，一连玩了几个月的牌，也没搞出什么名堂来。门捷列夫有一股韧劲，不达目的，
23、他是不会善罢甘休的。经过反复地思考，他把着眼点又放在原子量上。他根据原子量由小到大的顺序排列着纸牌，寻找着规律。尽管当时听发现的 63 种元素的原子量，有很多测得不够准确，甚至有错误，但他在“玩”牌中还是发现了“元素的性质与原子量呈周期性关系”的秘密。也就是说，当按照原子量由小到大的顺序排列元素时，在每一种元素之后，每隔 7 种元素，便会出现与该元素性质十分相近的元素。这使门捷列夫高兴万分，并把所发现的“按照原子量的大小排列起来的元素，在性质上呈现明显规律”用一张表形象地表示出来。门捷列夫的发现轰动了整个科学界！“玩牌”给他带来了好运：他所发现的规律，被称为元素周期律；他所排成的表，被称为元素
24、周期表；他在这方面的论文被誉为“化学史上划时代的文献”！现在我们知道，元素的性质不是由原子量，而是由与原子量有着密切关系的元素的核电荷数（核内质子数）来决定的，且与原子最外层的电子数有着密切的关系。那么，你能根据120 号元素原子最外层的电于数，来说明元素周期律产生的原因吗？第 8 课 布朗运动的来历花粉与分子1827 年夏天，著名的植物学家罗伯特布朗正在探讨花粉在植物受精过程中的功能。布朗从一朵硕大的鲜花中，小心翼翼地取下花粉。为了不让花粉吹散，他把花粉浸泡在水中，然后放到显微镜下观察。显微镜下花粉分裂出的微粒中，有些是圆筒形的。布朗觉得这些圆筒形的微粒可能与植物受精有关，便注视着它们，以便
25、弄清受精的秘密。“咦！这些微粒怎么全在颤抖、运动？”布朗对这一现象迷惑不解。为了搞清这究竟是怎么一回事，布朗又将熟透的花粉囊中的花粉取出来，把它们浸泡在水中，放在显微镜下观察。这一次观察到的现象使他更为惊奇：比圆筒状微粒更小的圆形微粒，运动得更为剧烈！意外的发现使布朗把研究方向转向花粉微粒的奇异运动。“其它微粒也能发生这种现象吗？”布朗产生了这样的疑问。他把苔类的叶子弄碎，泡在水里，在显微镜下同样看到了微粒的运动。他又把可以取得的有机物都作为观察的对象，结果还是一样。这使布朗十分兴奋。“有机物是这样，那无机物也不会例外吧？”布朗推想着。他把玻璃片弄碎，把一些岩石磨成细粉，又取来石墨等，将它们分
26、别悬浮在水中，一一放在显微镜下观察，发现所有微粒在水中都在杂乱无章地运动着。布朗的发现震动了科学界，微粒在水中的运动被称为“布朗运动”。当然，受当时科学水平的限制，这一现象是无法解释的，但它却吸引着科学家们去探讨其中的奥秘。功夫不负有心人。36 年后德国科学家维纳指出布朗运动与水分子的存在有关。这使科学家们研究的兴趣更加浓厚。就连爱因斯坦这样著名的科学家也参与了关于布朗运动的研究。1908 年，法国物理学家佩林根据爱因斯坦的研究成果，算出了水分子的大小，并因此而获得 1926 年的诺贝尔物理学奖金。人们终于跨过“布朗运动”所架起的“宏观”与“微观”之间的桥梁，证实了分子的存在。花粉的运动竟打开
27、了微观世界的大门！那么，花粉等微粒为何会做“布朗运动”呢？这与水分于的存在又有何关系呢？第 9 课 放射现象的发现底片怎么感光了人们早就发现，不少物质在阳光的照射下会发出“磷光”。许多科学家都研究过这种现象，但佼佼者之一却是法国的科学家安东尼亨利贝克勒尔。他通过对“磷光”的研究，成为世界上第一个发现自发放射现象的人。在众多的“磷光”物质中，贝克勒尔选中了氧化铀作为主要研究对象。为了实验铀的化合物在阳光下所产生的“磷光”能否使照像底片感光，他用黑纸把一张感光底片包严，在包有感光底片的黑纸上放几块含铀化合物的晶体，中间还夹放了一枚银元。不过天不作美，一连几天乌云密布，不见太阳露脸。满心不高兴的贝克
28、勒尔只好把准备实验的东西，原封不动地放进抽屉里。天总算放晴了，实验可以继续进行了。贝克勒尔是个非常细心的人，他并没有马上把实验材料放在阳光下，而是先检查一下，放了几天的感光底片会不会有什么变化。他小心翼翼地打开包着感光底片的黑纸包。奇迹出现了，密封的感光底片竟然已经感光，而且留下的影像不是别的，恰恰是那几块含铀化合物晶体的影像。贝克勒尔惊喜万分。善于思索的贝克勒尔对这一奇异的现象穷追不舍，终于取得了划时代的杰出成就。现在大家来想一想，感光底片是密封的，没有阳光照射，抽屉里又是暗暗的，底片怎么会感光呢？第 10 课 原子模型是怎样提出来的？原子探秘自公元前 450 年左右古希腊的德漠克利特提出“
29、原子”的概念之后，科学家们一直在捕捉关于这种神秘莫测的微粒的信息。道尔顿、阿佛加德罗、康尼扎罗等可谓研究原子的大师，但他们也只是说明了原子的存在，对原子的内部奥秘仍不清楚。直到 1900 年，科学家们才发现原子并不是一种简单的、不可分割的粒子，它至少含有一种亚原子粒子，那就是英国物理学家汤姆逊识别出的电子。原子是电中性的，电子是带负电荷的，由此看来，原子中一定还有带正电荷的部分。于是，富于想象的汤姆逊提出了一个“西瓜模型”：带负电荷的电子像西瓜籽似地镶嵌在带正电荷的西瓜瓤里。这种模型似乎很有道理，但与好多事实相悻，当然不能成立。那么，原子内部到底是什么样呢？汤姆逊有一个学生叫卢瑟福，他想用一种
30、特殊的“子弹”去打击原子，以此来探索原子的结构。他所选用的子弹是 a 粒子。这种粒子带 2 个单位正电荷，质量为氢原子质量的 4 倍，能高速飞行，有一定的穿透能力。实验开始了，卢瑟福用 a 粒子轰击一块金属箔。这时他发现，大部分 a 粒子顺利通过了，但有少数 a 粒子发生了角度较大的偏折，个别的好像碰到了坚硬的、不可穿透的东西，完全被弹了回来。卢瑟福对此十分惊奇：“这是多么难以置信的事实！正好像用 15 英寸的枪射击一张薄纸，而枪弹居然被反弹了回来，然后把你打中了一样。”他一遍遍地实验着，眼睛紧紧盯住那被反弹回来的 a 粒子，冥思苦想着噢，原来是这样：他终于想象出原子内部的结构情况，并由此建立
31、起著名的原子结构模型。他的这一成就震动了当时的科学界。关于原子结构的情况，大家知道的当然要比当年卢瑟福知道的多得多。那么，你能解释一下，用 a 粒子轰击金属箔时所发生的现象吗？第 11 课 苯环的结构梦中的发现1825 年，法国科学家法拉第用蒸馏法从煤气钢筒底部的油状凝聚物里，分离出一种芳香四溢的碳氢化合物苯。后来，日拉尔又推测出苯的分子式是 C6H6。没想到，化学家们在探讨苯的分子结构方面遇到了麻烦。顺便说一句，所谓分子结构，就是分子里原子间的排列顺序。碳的化合价是 4 价，氢的化合价是 1 价。甲烷的分子结构可用 式子表示，乙炔的分子结构可用 式子表示。这些式子中，直接与碳原于连接的短线有
32、4 条，直接与氢原子连接的短线有 1 条。也就是说，这些式子都满足了碳和氢的化合价的要求。那么，6 个碳原子和 6 个氢原子是怎样结合成苯分子的呢？化学家们百思而不得其解。德国化学家凯库勒决心攻克这个难关。他曾先后考虑过几十种 6 个碳原子和 6 个氢原子结合的方式，还经常闭上眼睛想象在碳原子组成的长链上添加或去掉原子后一个分子奇妙地变成另一个分子的图象，但仔细推敲后又摒弃了它们。凯库勒被这种思考弄得疲惫不堪。一天夜晚，他执笔写化学教程，但思维总是不断地转向，写得很不顺利。他搁下写满宇的厚厚的一叠纸，把安乐椅移近壁炉，想休息一下。这时他感到周身暖洋洋的，便朦胧地入睡了，并渐渐进入梦乡。在梦中他
33、看到一群原子旋转起来。碳原子形成的长列像一群蛇一样，互相缠绕，边旋转边运动。突然间，一条“蛇”像被什么东西激怒似的，狠狠咬住自己的尾巴，后来便衔住尾巴不动了。这幅图象在凯库勒的眼前嘲弄般地旋转不停。他哆嗦了一下，苏醒过来。尽管梦只一瞬间，但是个多么有趣离奇的梦啊！凯库勒记住了梦中看到的“蛇”中各原子的结合顺序，并匆匆记在纸上。这样，苯的环状分子结构终于被他弄清了。梦中的发现使他在科学界一举成名。请根据苯的分子中的某些原子结合成环的特点，参考表示甲烷和乙炔分子结构的式子，写出当时凯库勒用以表示苯分子结构的式子。再提醒一句，式子中每个碳原子都有 4 条短线与其相连，每个氢原子只有 1 条短线与其相
34、连。第 12 课 半导体的基础知识导体、绝缘体和半导体大家知道，在日常生活和生产实践中，银、铜、铝、铁等金属材料是很容易导电的，它们叫做导体；而塑料、陶瓷、橡皮、玻璃等都很不容易导电，尽管加很高的电压，仍然基本上没有电流，所以通常称为绝缘体。半导体的导电性能则介于导体和绝缘体之间。物质的导电性为什么有这样的差异呢？根本原因在于物质内部原子和原子的结合方式和原子本身的结构。我们知道，原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，而电子又分成几层围绕着原子核不停地运动。导体。比较起来，金属材料的外层电子受原子核的束缚力很小，有大量电子能够挣脱原子核的束缚而成为自由电子。这些自由电子就成为运载电荷的载
35、流子，它们在外电场的作用下作定向运动，从而形成电流。所以金属的导电性能很好。绝缘体。绝缘材料中，原子的外层电子受原子核的束缚力很大，很不容易挣脱出来，因此形成自由电子的机会非常少，所以导电性能很差。半导体。半导体材料的原子结构比较特殊。其外层电子不象导体那样容易挣脱。也不象绝缘体束缚得很紧，这就决定了它的导电性介于导体和绝缘体之间。纯净半导体称为本征半导体。在本征半导体中，不仅有电子载流子，而且还有一种叫做空穴的载流子。为了弄清什么叫空穴，首先让我们看看半导体材料锗和硅的原子结构，如图所示，它们共同的特点是最外层的电子都是四个，一股，原子的外层电子叫价电子，有几个价电子就叫几价元素，所以锗和硅
36、都是四价元素。硅 锗当把硅、锗等半导体材料制成单晶体时，其原子排列就由杂乱无章的状态变成了非常整齐的状态。其中，原子之间的距离都是相等的，约为 2.3510-4m。每个原子最外层的四个电子，不仅受自身原子核的束缚，而且还与周围相邻的四个原子发生联系每两个相邻原子之间共有一对电子。电子对中间任何一个电子，一方面围绕自身原子核运动，另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上，这样的组合叫做共价键结构，如图所示。硅晶体结构的共价键示意图 本征半导体晶体结构示意图在一定温度下，由于热运动，少数共有电子会挣脱原子核的束缚而成为自由电子电子载流子。值得注意的是，共有电子挣脱束缚成为自由电子后，同时就留下一个
37、空穴，见右图。有了这样一个空穴，附近的共有电子就很容易移过来进行填补，从而形成共有电子的运动。这种运动，无论是效果上还是现象上，都好象一个带正电荷的空位子在移动，为了区别于自由电子的运动，就把这种运动叫做空穴运动，空位子叫做“空穴”。由此可见，空穴也是一种载流子。当在半导体上加电压时，通过半导体的电流可看作是由两部分组成：一部分是自由电子定向运动形成的电子电流；另一部分是共有电子递补空穴所形成的空穴电流。两者的区别是，由于电子电流是带负电的电子的定向运动，空穴（它的运动方向和电子相反）电流是带正电的空穴的定向运动。所以，在半导体中，不仅有电子载流子，而且还有空穴载流子，这是半导体导电的一个重要
38、特征。由于物质总是在不停地运动着，这就使得半导体里因为热运动而不断产生自由电子，同时也出现相应数量的空穴。因此，自由电子和空穴总是相伴而生、成对出现的。我们称之为电子一空穴对。另一方面，自由电子在运动中又会与空穴重新结合而消失，这是一种相反的过程，叫做复合。电子一空穴对又产生、又复合，在一定温度条件下，实现相对平衡，这时，产生与复合的过程虽然仍在不断地进行，但电子一空穴对却维持一定的数目。杂质半导体申的导电情况上面分析的是纯单晶半导体。在这种半导体中，虽然多了一种空穴载流子，但是，载流子的总数仍然很少，导电能力较差，所以本身的用处不大。然而人们能够利用在单晶半导体中掺入有用杂质的方法，精确地控
39、制半导体的电学特性。例如，硅单晶中掺入少量的硼，就能使半导体中空穴载流子的数目剧增，导电能力大大加强。因此半导体获得了极为重要的用途。P 型半导体。图 a 所示，是在硅单晶中掺入硼原子后，由硼原子和硅原子组成的共价键结构的示意图。由于硼原子的数目比硅原子要少得多，因此整个晶体结构基本不变。我们知道硼是三价元素，外层只有三个电子，所以当它与硅原子组成共价键时，就会形成空穴，掺入的硼杂质，每一个原子都能够提供一个空穴，从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大增加。在这种半导体中几乎没有自由，主要靠空穴导电，所以叫须知空穴半导体，简称为P 型半导体。在这种半导体中空穴很多很多，自由电子很少很少，空穴浓度远
40、远大于自由电子的浓度，所以把空穴叫做多数载流子，把电子叫做少数载流子。N 型半导体。如果硅单晶中掺入的是磷、锌等五价元素，那么情况就又不一样了。硅原子和磷原子组成共价键后，磷原子外层的五个电子中，四个电子组成了共价键，多出的一个电子受原子核的束缚很小，因此很容易成为自由电子。所以，在这种半导体中，电子载流子的数目很多，是多数载流子，空穴载流子的数目很少，是少数载流子，主要靠电子导电，故叫做电子半导体，简称 N 型半导体，如图 b 所示。a b第 13 课 半导体工业的原料锗锗，是德国化学家文克列尔在 1885 年用光谱分析法发现的也就是门捷列夫在 1871 年所预言的元素“亚娃”。不过，直到
41、1942 年，人们才发现锗是优秀的半导体材料，可以用来代替真空管，锗这才有了工业规模的生产，成了半导体工业的重要原料。锗在周期表上的位置，正好夹在金属与非金属之间。锗虽属于金属，但却具有许多类似与非金属的性质，在化学上称为“半金属”。就其导电的本领而言，优于一般非金属，劣于一般金属，在物理学上称为“半导体。锗是浅灰色的金属。据 X 射线的研究证明，锗晶体里的原子排列与金刚石差不多。结构决定性能，所以锗与金刚石一样，硬而且脆。锗在地壳中的含量为一百万之七，比之于氧、硅等常见元素当然是少，但是，却比砷、铀、汞、碘、银、金等元素都多。然而，锗却非常分散，几乎没有比较集中的锗矿，因此，被人们称为”稀散
42、金属“。现在已发现的锗矿有硫银锗矿（含 57%）、锗石（含锗 10%），硫铜铁锗矿（含锗 7%）。另外锗还常夹杂在许多铅矿、铜矿、铁矿、银矿中，就连普通的煤中，一般也含有十万分之一左右的锗，也就是说，一吨煤中含有 10 克左右锗。在普通的泥土、岩石和一些泉水中，也含有微量锗。由于锗非常分散，这就给提炼锗带来很大的困难。不过，人们仔细研究，却发现一个重要的秘密在烟道灰中，竟然含有较多的锗 。这是怎么回事呢？原来，煤里所含的微量锗，是以氧化锗或硫化锗的形式存在。煤燃烧时，这些锗化合物一受热，便挥发了，而进入烟道或，却又受冷凝结与烟道灰中。据测定，烟道灰中的含锗量可达千分之一，有的甚至可达 1-2%
43、，比煤中含锗量高一百倍到一千倍。现在，我国在各工厂普遍推广烟道除尘技术，一方面可以变冒黑烟为冒白烟，净化空气，清洁环境；另一方面又可以从烟道灰中提取锗。我国每年产煤几亿吨，从中可提取几千吨锗！北京、上海以及在东北的不少工厂，现在都已从墨黑的烟道灰中，提炼出银灰色的锗锭。另外，我国的一些铅锌矿、铜矿中也含锗，在提炼铅、锌、铜的同时，也从“杂质”中提取锗。从煤灰或各种金属矿中提取的锗，一般是氧化锗或硫化锗。用碳、氢或镁进行还原，即可制得金属锗。不过，用作半导体材料的锗，必须非常纯净。一般的物质如果纯度达到 99.9%，已算够纯的了，而用作半导体的锗的纯度，必须在 99.999%以上。现在，用于制造
44、收音机的半导体锗，纯度高达 99.999999%99.9999999%，也就是八个“9”到九个“9”的纯度。最近，人们还甚至制得纯度高达十一个“9”的纯锗，其中杂质含量只有一千亿分之一。这样少的杂质，用一般的光谱分析还查不出来，要用催化蒸发发光谱分析或其他超纯分析方法，才能进行测定。在工业上，是用区域熔融法来制取纯锗把锗锭放在石墨舟（或石英舟）里，装进石英管，抽成真空，然后用电炉在管外从这端逐渐从溶液中结晶出来，而杂质逐渐集中到锗锭的末端。这样，便可制的 3 几个“9”的纯锗。近三十年来，纯锗大量地用来制造晶体整流管（即二极管）和晶体放大管（即三极管）。这种锗晶体管很小，构造简单，耐震，耐撞，
45、比电子管的寿命长，耗电量小，成本低。据统计，现在全世界年产的锗晶体管已超过五亿个。由于温度改变时，锗的电阻也立即随之发生灵敏的变化，所以锗又用来制造“敏电阻”，即利用锗的电阻随温度升降的变化，来测定温度的高低。它甚至可觉察一公里外人体所射出的红外线。此外，锗还被涂在玻璃上、石英上，制成电阻，用于制造光电管、热电偶等。由于半导体锗的发现和应用，开辟了电子微型化的道路，是无线电技术发展中的一大进步。二氧化锗，用来制造某些折射率很强的玻璃。在医学上，由于锗能刺激红血球的生成，所以锗的化合物可用来治疗贫血病与嗜眠症。第 14 课 材料科学记忆 Ni-Ti 合金神奇的金属20 世纪 60 年代，美国的一
46、个海军研究所正在研制一种新式装备。试验需要一些镍钛合金丝，一位研究人员便去仓库领取。可他领回来的合金丝都是弯弯曲曲的，使用起来很不方便。于是，研究人员们把这些合金丝一根一根地拉直，然后安装在试验装置上。试验开始了，装置的温度不断上升。突然，被拉直的镍钛合金丝全部恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且一丝不差。这使研究人员大为惊奇，决心探讨一下这一奇异现象。多次试验的结果证明，被拉直或做成其它形状的镍钛合金丝，只要遇到一定的温度，便立即恢复到原来那弯弯曲曲的样子。也就是说，镍钛合金丝能“记住”自己原来的模样。后来，他们又发现，很多合金都有这种奇特的本领。这可是个了不起的发现！科学家们将这种现象叫做“形状
47、记忆效应”，将具有“形状记忆效应”的合金叫做“形状记忆合金”。这类合金一被发现，立即被派上用场。你看一天，一辆小轿车在一条平展宽阔的公路上飞驶。开车的是一位年轻小伙子，他手握方向盘，轻松地吹着口哨，眼睛还不时地望着路两旁那迷人的景色。好不惬意：突然，前面出现了一个急转弯，小伙子猛一打方向盘，没想到接着又是一个急转弯，他立即再打方向盘，但为时已晚，小轿车直向路旁的一棵梧桐树冲去。车熄火了，小伙子下车一看，车的前挡板和前外壳被撞扁了一大块，漂亮的小轿车刹时变得十分难看。小伙子好像并不伤心，又轻松地吹起口哨。只见他从驾驶室里取出一个大热水瓶，拔下瓶塞，把热水浇到被撞扁的地方。随着水蒸气的消失，伴着小
48、伙子的口哨声，奇迹出现了：被撞扁的地方慢慢地向外凸出，不一会，就恢复了原状。小伙子用布擦了一下前挡板和前外壳上的水，回到驾驶室，又上路了。这一切就像一场精彩的魔术表演！我想，你不应该被这个“魔术”迷惑住，是吗？第 15 课 合成氨的诞生氮肥和氮气空气中的“隐身人”氮气被发现了，使人们对空气组成的认识大大前进了一步。可它又被看成是“不能维持生命”的东西，这实在又有点冤枉。你想想，构成生命的蛋白质，除了含碳、氢、氧外，一般都含 16.5的氮元素。没有氮就没有蛋白质，又怎能谈得上生命呢？可在 19 世纪 40 年代以前，还没有人知道这以点。1840 年，杰出的德国化学家李比希发现，氮元素是动植物生命
49、所必需的元素；植物每年从土壤中带走大量氮素，使欧洲的土地正在一年年贫瘠下去。怎么办呢？为了解决这一问题，李比希亲自从南美洲的智利运来了硝石。可是，他的作法并役有得到人们的支持，谁也不愿意花钱买“石头”撒到地里。因此，第一批运来的硝石只好倒入海中。难道土壤里的氮不需要补充？不是的！事实教训了人们，要夺高产必须施用氮肥。于是，硝石又成了抢手货。“空气中不是有很多氮气吗，怎么会发生氮荒呢？”使用了一段硝石后，人们又把注意力转向空气里的氮。的确，空气里含有大量的氮，其总量为 41015 吨，也就是说，每平方公里地面的上空就有 1000 万吨氮。但遗憾的是，除了有根瘤的植物外，绝大多数植物无法直接吸收利用氮气。于是，把氮气变成可被植物直接吸收利用的氮的“攻坚战”开始了。人们很快把目标集中到氮气和氢气的反应上。1900 年，法国化学家勒夏特里根据理论推算，认为这一反应能在高温下进行，但在实验中，发生了爆炸，便草率地停止了这种“冒险”行为。德国化学家能斯特虽注意到氮气、氢气反应能生成氨气，但通过计算，又认为这个反应没有多大前途，使氨的合成反应又遭夭折。德国化学家哈伯和他的学生却是氨合成反应的执着探索者。经过艰苦的试验和复杂的计算他们发现，在 175200 个大气压和
