如何用框架学习法高效自主学习中学化学
唐瑜（Rock）
中国科学技术大学 博士
尧棠教育 联合创始人/CEO
大家好，
今天我们的主题是讲化学学习，但是首先一定要缩小范围，界定目标。
虽然我们不是做科学研究，但是我们必须了解我们中学生学化学是为了干啥，达到什么样的程度是比较合理的？
记住，是中学化学的学习思维，不是化学工作者或者研究者、科学家的导引。
闲言少叙，咱们开始~
任何讲座，开门见山，咱们得给大家一个合理的预期。老唐今天打算从哪几个方面给大家做分享，才能控制在合理的时间内呢？
是这样五个方面，
第一个方面简要介绍化学学科和化学科学，
第二个方面跟大家一起解读中学化学从不同角度看，应该学到什么程度，
第三个方面就是我们推荐的中学生学习化学的起步点，要有从宏观到微观，从微观到宏观的思想意识，
第四个方面有几条干货要点，算是指导同学们有一个正确的学化学的打开姿势吧。第五个方面，我们挑选了两个很常见的化学题目，跟大家一起解读分析，毕竟做题得分是最直接的小目标嘛！
No.1
化学在研究什么？
化学学科跟物理的界限在原子分子，物理研究的东西是在研究过程中不作变化的物质，更加关注他们的运动、相互作用和变化规律。（当然，核物理的研究领域，物质是在微观世界有变化的，比如粒子碰撞，裂变和聚变等等。）而化学，研究的是原子之上，原子原子之间的组合、分子的组成结构、拆分重组，绝大多数情况下，化学研究的对象和行为都是宏观可见的。但是有一个最核心的点，除了核化学研究的领域外，化学研究的对象中原子都是不变的。比如说，有氢参加的化学反应，氢原子永远都还是氢原子，只有得失电子，而它的原子核本身保持不变。我们人类通过化学方法，人工合成了大量的新物质，比如各种化工新材料，它们的分子结构，在地球上的自然界里面都是不存在或者至少我们至今也没有能够在自然界观察探索到的。简单说，化学研究原子之上的物质组成、性质、结构以及变化规律。
再强调一次，原子在化学反应中是最小单位，保持不变，不可分割。原子的基本结构，尤其是其核外电子结构，其实是元素化学性质最重要的决定因素。
这个是分子的定义。分子是化学研究中的主角，自然界除了少数种类的单质外，绝大多数物质都是多种原子/分子的组合体。化学就是要研究并告诉大家，原子到底是怎么在组合着，从而构成了丰富多样的物质形态，也带来了大千世界的新奇与美好。至于定义中所描述的各种相互作用力，也是化学基础中的重中之重。
之前在分享物理的时候，我们说物理研究物质存在，研究物质运动及变化的规律。而化学也必须从物质存在出发，由此而知，我们同学们对于生活和自然的基本认知、基本经验，将对于我们学好自然科学有着莫大的意义！化学研究的是物质组成（从原子往上）、物质的性质（各个方面）、物质的结构（组成和拆解的规律），注意所有的组成、性质、结构等等都是有特定条件的，都是会变化的，而化学还需要研究它们的变化规律。我们拿到一块煤矿石，我们怎么样从中获得尽可能高纯度的碳，从而获得更高的燃烧效率，以提高生产力，这其中化学的知识就是不可或缺的！
No.2
中学阶段化学的课程目标是什么？
这个是国家的标准教学大纲要求，俺不多解释，给大家一分钟，了解一下。先是知识技能的目标。
接下来是通过学习化学，培养能力和方法。这个目标在怎么被实践，是有一定疑问的。因为据我沟通过，即使是在上海这样发达的大城市，一线的高级中学里面，大众学生做化学实验的机会也是少得可怜。原因不一而足，不多猜度，反正事实基本是大打折扣的。因为想要达到这个目的，单单这样上课时肯定没有机会达到的。一个方面不能缺少实验学习，另一个方面不能缺少化学跟自然科学的整体联系，不能缺少化学服务于生产生活的基本联系。
这一页，咱们愿望是丰满的，事实一定是骨感的，怎么做，估计一般的化学老师们还真不知道！别为难他们了就。
我们给同学们简要梳理了化学，在中学阶段学习化学应该树立什么样的合理目标。先是理解要干什么，只有知道了要干什么，所研究的内容对我们才能有所意义。然后从认知上要从微观和宏观的联系来看问题，从自然世界的整体角度来看问题，这样会学得更加明白清楚。（也许这个部分是“超纲”内容，但是对的科学，才是我们真正想要教给孩子们的）剩下来就是细节，在理解理顺规律的前提下，学习大量的细节，此处省略一万字。。。
上面这张图是我们整理的切入角度，自下而上地顺序，逐步展开知识学习，认识化学，了解化学，掌握化学。
大家自己看，自己琢磨一下。然后我们接下来要划重点咯！
No.3
用宏观微观统一的角度看化学
大家不要小看一张图，这个世界的规律本来就是在的，科学工作者，就是要研究并揭示这些规律，进而让这些规律为我们人类所利用，促进我们的生产生活进步！
蓝色手写体，是重点哦。先记住，化学从客观世界开始，也就是生活里面的点点滴滴几乎都是化学，我们人体体内每天发生着不计其数的化学反应。
基础起点是搞懂我们对原子结构的了解，理解核外电子结构，进一步看懂元素周期表，理解其中的“周期”意味着什么。写出一个元素的序号，大概率就能知道它的基本性质。
然后就是原子之间通过电子交换或者配对等行为，结合成不同的分子结构。正有了对于原子之间结合原理结合方式的掌握，我们可以研究并推理出他们应该怎么反应（相互关系），需要什么条件（能量，什么加热、搅拌、放电、催化剂等等都是从能量角度影响化学反应过程），再之后就是分类研究各种元素和化合物的非常细节的特征，从而构建起我们现代的化学工业基础。
大家可能注意到，老唐留了一个摩尔量，还号称是最重要的概念，没有提及。因为这个不太好在这个图中讲清楚，甚至需要花上一节课的时间。后面我们会讲！
左边这张图，表达了我们日常看到的固体、液体、气体，在微观粒子视角是如何构成和运动的，这也是理解化学研究成果的起点。
右边的图，还是自下而上地看。这些关键概念，务必完全通透理解，拿到元素周期表（咱们不要求同学背诵），就可以就此推理出看大多数元素相关的性质、反应、原理。化学反应过程中的所有动态行为，比如可逆，移动，平衡等等，都是原子原子结合的力量有关（也就是化学键），正是这些方方面面的状况，构成了物质化学性质的呈现。
No.4
中学化学学习的小贴士
大结构讲完了，同学们可能会说，太粗略，听不懂，或者听得有点懂，还是不知道怎么操作。
那么我们看看，作为一个中学生，学习化学，应该做好哪几件事情。
一二三四五六，不是说这六个事情知道了，连钠元素的符号是Na，我们都不需要记忆，那就是误导了。
这六件事情做好，就如你驾车来到一个陌生的城市，我们给你提供一个GPS，想去哪里，基本可以自己去实践了。但是GPS不能替代你体验当地美食，也不能替代你驾车的辛苦，更加不能替代你通过自己的体验去爱上这个城市。。。GPS就是给了大概率自主完成任务的支持！
好了，下面这六个方面，分别做一个简短解读。
一、读懂原子结构
第一个还是原子结构。并不因为老唐是原子物理专业的博士，所以就反复强调原子结构的重要性。
记住一点，原子结构中，原子核内质子数决定了原子序号，质子带正电，核外电子带负电，在电量平衡原理之下，质子数和核外电子总数是相同的。
核外电子在原子核之外的排列时根据电子能量分层，每层还有亚轨道，每个轨道只能容纳一对电子，最外层的电子数量是元素化学性质最直接最重要的影响因素。
甚至可以简单地说，核外电子数知道了，就基本知道该元素的化学特性了。
这个是著名的玻尔模型（Bohr Model），玻尔在1912提出的电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。
电子分层，能量分级，能够更好地解释为什么最外层电子才是化学性质的最主要决定因素。
根据能级原理，排列出来的核外电子层上的电子轨道，s、p、d、f分别是电子轨道的分类形态。从物理学研究来看，电子核外排布符合能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则，使得电子按照特定规则排列，包括交换电子时也是以交换前后，双方都进入一个新的稳定状态为判断依据的。
二、看明白元素周期表
翻开化学书，一般最后都有一张图，花花绿绿满是符号数字和文字，天呐，这个就是化学吗？我不要，我——不——要——！
但是啊，元素周期表如果得到善用，化学学习效率立刻起飞！而看懂元素周期表的第一步前提就是原子结构和核外电子结构。
元素周期表不要把它当作专门一个章节来学，边学边用，就像一个小小的万能辞典。
这个是中国人惯用的元素周期表，建议凡是懂中文的孩子，学习看看中文版本的元素周期表，或者对照着英文版本一起看。
因为化学毕竟是舶来科技，我们很多化学元素名字是翻译过来的，从名字就能看出其分类和性质，而英文版本的就没有那么便捷。
仔细看图中间部分，介绍了每个格子中信息的图例，元素符号，原子序数，元素名称，外围电子排布，相对原子量。
原子序数（也就是原子核内的质子数），同时也等于核外电子总数，知道原子序数，根据核外电子排布原理就可以推理出核外电子层排布，以及最外层电子数。
有了电子层数（就是周期表第几行）以及最外层电子数（就是主族元素的第几列），这样就很容易得到元素在周期表中的位置，从而快速判断它的元素化学特性。
相对原子量则跟原子核内质子和中子的总数有关，这个数值基本上就是质子和中子数目总和（至于其中的小数，可以配合同位素原理进行单独讲解）
熟知这个表的原理，看到众多的化学元素全貌，就会较快地克服面对很多信息量的困惑。
这一张表是英文教材中的化学元素周期表（局部），基本结构与中文版本类似，这里面还额外标注出了在常温常压下的元素单质状态。
这里是元素周期表中，按照外围电子中电子所在的轨道特征来分块，s-block表示最外层只有s轨道的电子，p-block表示最外层不仅有s轨道电子还有p-轨道电子，依此类推。
这个部分的知识需要在核外电子排布原理的基础上进行研读分析，而属于不同的block的元素在化学反应时表现的电子交换特性也不同，从而表现出很鲜明的化学性质区别。
滑动查看更多图片
元素周期表，为啥叫周期表？就如刚才我们提到的，我们注意到，横排和竖排，已经跟原子序号，核外电子层数，外围电子数分别相关。
同时元素周期表还有很多规律可循，比如上图中的Atomic Radii（原子半径大小变化规律），Ionic Radii（离子半径大小变化规律），First Ionization（第一电离能的变化规律），下页还有Electronegativity（电负性变化规律），等等。这些规律不仅是参数本身，而这些参数变化背后隐含着元素化学反应活性、反应相关能量、物理特征、所参与的化学键特性等等，总之对化学性质影响巨大！
这里就是电负性变化规律。
电负性是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强。
在化学反应中获得电子，化合价降低，获得电子能力往往也被称为是氧化能力（恰恰很多同学对于氧化还原的概念就一直都会很模糊）
三/四、理解化学反应的本质机制、能否发生如何发生
化学反应，既然是原子与原子之间组合和排列，那么原子与原子的所构成的化学键本质上是什么？化学键本质上就是电子交换（离子键）或者电子对共享（共价键）。
如果参与反应的不仅是单质，还有化合物，那么化学反应首先是要破坏原有物质分子的化学键，然后再重新组合成为新的化学键，形成新的分子，也就是新的物质。
所以化学反应是否能够发生，门槛有多高，如何发生，也是与这些最基本的元素特性有莫大的关系。我们在研究每个化学反应时，先从这个角度去思考，去查资料，从微观本质的角度去理解它，而不仅仅是记住有气泡，变颜色或者沉淀、发光、燃烧之类。。。其实每个表象背后也都有深层次的原因，比如碳在充足氧气中燃烧：C + O2 = CO2，就是一个放出热量很多的反应过程，放出的热量能够持续引发更多反应，并放出更多的热量。我们人类发现了这个现象，烧炭取暖，烧碳烹饪。。。
这是一个化学反应的例子，固态的铁单质与氯气反应生成固态的氯化铁，铁单质被氧化成三价的铁 Fe3+,氯元素则因为其电负性很强（氧化性）获得电子，成为Cl-。
从化学反应示例中也看得出，反应中，原子的种类和数量都没有改变。因为反应中有化合价的升高和降低（也就是存在电子得失），这是一个氧化还原反应。
由反应的特征，两种物质生成了一种新物质，这个反应同时还是化合反应。这个例子中没有标明反应条件是“点燃”，如果标明了则又可以知道反应物的活化能较高。
如果我们在解读化学反应时，从多种角度思考并对比资料，不仅加深理解，也会建立更广泛的知识点之间的联系，从而加深记忆，建立更多联想路径，使得记忆持久。
五：从微观到宏观的桥梁
六：结合化学能、化学平衡去理解常见问题
摩尔计量，什么是摩尔，为什么摩尔那么重要？
摩尔（mole），简称摩，旧称克分子、克原子，符号为mol，是物质的量的单位，是国际单位制7个基本单位之一。每1摩尔任何物质（微观物质，如分子、原子等）含有阿伏加德罗常量（约6.02×10²³）个微粒。使用摩尔时基本微粒应予指明，可以是原子、分子、离子及其他微观粒子，或这些微观粒子的特定组合体。
因为化学反应中原子种类和数量都不变，那么原子的数目对应关系就很重要，如何从宏观计量（比如质量/体积等）去获得微观粒子的数量对应呢？摩尔就是解决这个问题的桥梁。
同学们搞清楚这样几个问题，摩尔怎么定义的，摩尔用来描述什么，1摩尔物质意味着什么，摩尔质量是什么，摩尔质量怎么计算，阿伏伽德罗常数是什么，是怎么来的？
我们讲座篇幅有限，在这里就不做一一阐述啦。
摩尔计量建立宏观量到微观量的对应关系
比如 2Na + Cl2 —> 2NaCl，这个反应中2摩尔Na原子对应到1摩尔氯气，反应得到2摩尔NaCl。那么从宏观上来说，通过摩尔计量，我们就可以知道Na是46克，氯气是22.4L（标准状况下），反应结果就是我们所预期的啦！简单粗暴地说，就是把微观粒子数目，转换成可称可量的计量方式。
这里是一个化学反应平衡的例子。氮气和氢气生成氨气的反应，是一个可逆反应。
可逆反应是什么。在同一条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应的方向进行的反应，叫做可逆反应 (reversible reaction)。绝大部分的反应都存在可逆性，一些反应在一般条件下并非可逆反应，而改变条件（如将反应物置于密闭环境中、高温反应等等）会变成可逆反应。
记住，绝大多数反应是可逆反应，这个自然界本来就没有绝对的正和反，包括元素分类分区特性都不是绝对化的。而这种平衡思想，在化学学习过程中尤其重要，需要建立起来。
这个是上面合成氨气的哈伯法，这个化学工程方法中，所利用的就是化学反应平衡的原理。
首先增加压力，使得化学反应朝着压力减少的方向进行。然后使用催化剂使得反应继续加强。
在冷却炉中将产物冷却，得到液态氨，同时把多余的气体（降温后）在泵回到压缩炉。
冷却气体帮助压缩炉适度降温，是因为温度升高对于正向反应（放热）不利，降温则有利于反应朝正向移动，得到更多氨气。
看一个例题，跟前面合成氨有关的一个实验，考察化学平衡移动与关键条件之间的关系分析。
列出相关的知识，根据题目问答条件，一步一步推理，寻求答案。
关键是要充分理解所联系到的这些规律的本质，理解清楚了，才有可能在这个时候联想得到。
No.5
读题解题的思维解剖示例
再来看一个例题，有机化学相关的题目。
任何问题出现在面前，最重要的就是深度解读题目。这是一个关于同分异构体的化学问题。这种题目，主要都是基本概念一定要清晰而熟练。先解读题目问题的核心，同分异构体。
再看看苯环和取代基，如果不知道这些，题目根本就没法做，对吧，不可回避。
进一步图示表达出对取代基的理解，要形象真切！
搞清楚“酯类”是啥玩意儿，这个在这个题目中是一个分子结构的Key Point！
酯类的特征官能团就是-COOR，而且R不能是H。带有苯环的排列方式（酯类同时还必须满足 R-COO-R’结构形式，其中R’不能是H）
一个取代基的情况，一步一步画出来
还是一个取代基的情况，注意结构上的细微变化，这些是要求同学对结构相同或者不同的认识，有一个扎实的基本功。
两个取代基，注意两个的情况，就有不同相对位置而产生的异构体。取代基不同，位置组合方式不同。
三个取代基，跟两个取代基类似，但是同时需要注意苯环上位置对称性，要避免重复。
No.6
讲座划重点
学习中自己的思考和实践最重要，千万不要迷信什么传闻，好像自己一下子找到了不喜欢某某事情某某学科的坚定理由似的。
有逻辑，重思考，勤实践，学啥都不会太困难。
最强调的事情，再贴一下这张图，就是化学学科知识的认知顺序。有逻辑地切入，逐步形成体系化认识，一定能够学好化学！
唐瑜博士简介：
尧棠教育 教学及课程联系人
唐瑜 博士： 18917871072（微信同号）