化學家故事與精神學習試題一、拉瓦錫：定量實驗的革命精神1774年的巴黎，一場改變化學史的實驗正在進行。安托萬-洛朗·拉瓦錫將精確稱量的汞放入曲頸甑，連續(xù)十二天加熱密閉容器中的氧化汞。當紅色粉末逐漸變成銀白色液體時，他發(fā)現反應前后容器總質量不變，而生成的氣體恰好能使蠟燭燃燒得更旺——這個被后人稱為"劃時代的天平實驗"，徹底推翻了統(tǒng)治化學百年的燃素說，建立了燃燒的氧化理論。這位被稱為"現代化學之父"的科學家，在斷頭臺上仍保持著對真理的執(zhí)著，他要求劊子手數清自己頭顱掉落的次數，用生命踐行著"沒有充分的實驗證據，決不輕易下結論"的科研準則。思考題：拉瓦錫在驗證質量守恒定律時，為何選擇汞作為實驗材料？這一選擇體現了科學家的哪些思維品質？若你在重復該實驗時發(fā)現質量略有偏差，應該如何排查誤差來源？二、居里夫人：放射性研究中的奉獻精神1898年的巴黎理化學校木棚里，瑪麗·居里和皮埃爾·居里正用鐵棍攪拌著沸騰的瀝青鈾礦渣。這個夏天，巴黎的氣溫高達38℃，而他們需要處理整整八噸礦石才能提取出0.1克氯化鐳?，旣愒谌沼浿袑懙溃?我們像礦工一樣工作，手指被強酸腐蝕，實驗室的瀝青地面在冬天結滿冰霜。"當1902年他們終于測量出鐳的原子量時，皮埃爾因長期暴露于輻射，手指已經出現潰爛。更令人動容的是，當鐳的醫(yī)療價值被發(fā)現后，居里夫人毅然放棄專利申請，她說："科學家屬于全人類，放射性研究應該用于治愈疾病，而非謀取私利。"這種無私精神在1914年達到頂峰——她親自駕駛裝有移動X光機的"小居里"車奔赴一戰(zhàn)前線，用鐳射線為傷員定位彈片。材料分析題：對比居里夫婦在木棚實驗室的工作條件（1898-1902）與當代實驗室的設備差異，分析物質條件與科學發(fā)現的辯證關系。結合居里夫人放棄鐳元素專利的行為，談談科研倫理在不同歷史時期的演變。三、門捷列夫：元素周期律的預見力1869年2月17日深夜，圣彼得堡大學的化學教授門捷列夫因過度疲勞伏在書桌前入睡。夢中，他看到63種已知元素如同撲克牌般自動排列成表，那些性質相似的元素自發(fā)地聚集在同一列。驚醒后，他立即在紙上畫出第一張元素周期表，甚至大膽地在表中留下空位，預言"類鋁"（鎵）的原子量約為68，密度5.9g/cm3。當1875年法國化學家布瓦博得朗發(fā)現鎵并公布其密度為4.7g/cm3時，門捷列夫寫信指出："您的新元素密度測量有誤，應該是5.9左右。"布瓦博得朗重新提純后，果然得到5.94g/cm3的結果。這種基于規(guī)律的科學預見，讓門捷列夫的周期表從假設變?yōu)榛瘜W研究的導航圖。實驗設計題：門捷列夫根據元素周期律修正了銦、鈾等元素的原子量。請根據現代周期表，設計一個實驗方案驗證"同一主族元素從上到下金屬性增強"的規(guī)律（提供鈉、鉀、水、酚酞試劑及常規(guī)儀器）。若實驗中鉀與水反應過于劇烈，應如何改進實驗裝置以確保安全？四、張濤：單原子催化的創(chuàng)新之路2011年，中國科學院大連化物所的張濤團隊在《自然-化學》發(fā)表論文，首次提出"單原子催化"概念。這項被引文桂冠獎認可的突破，源于一次意外發(fā)現：當他們將鉑催化劑分散到氧化鐵載體上時，電鏡圖像顯示單個鉑原子竟比納米顆粒具有更高的催化活性。這個發(fā)現顛覆了"金屬顆粒必須達到一定尺寸才有催化活性"的傳統(tǒng)認知。張濤團隊用十年時間解決了單原子催化劑的穩(wěn)定性難題，使這項技術成功應用于萬噸級乙烯氫甲?；I(yè)裝置，催化劑用量減少90%，年減排二氧化碳10萬噸。在2025年獲獎感言中，這位從漢中師范學院走出的院士說："我們既要讓成果上書架（寫入教科書），更要讓技術上貨架（實現產業(yè)化）。"案例分析題：分析張濤團隊提出的"單原子催化"概念（2011）如何體現"從0到1"的原始創(chuàng)新。對比傳統(tǒng)納米催化劑與單原子催化劑在原子利用率、選擇性和穩(wěn)定性三方面的差異，結合"雙碳"目標，論述該技術對綠色化工的推動作用。五、綜合探究：科學家精神的時代傳承從拉瓦錫的定量實驗（1774）到張濤的單原子催化（2011），化學史呈現出清晰的精神脈絡：居里夫人在放射性研究中展現的奉獻精神，要求當代科研工作者正確處理個人利益與社會福祉的關系；門捷列夫預言未知元素時體現的理性思維，啟示我們在大數據時代更需要建立科學的預測模型；而張濤團隊"頂天立地"（基礎研究與應用研究并重）的創(chuàng)新路徑，為破解"卡脖子"技術難題提供了中國方案。這些精神特質在新冠疫苗研發(fā)、碳中和技術攻關等當代重大科技工程中不斷煥發(fā)新生。論述題：以"化學史中的偶然發(fā)現與必然規(guī)律"為題，結合本文提及的至少三位科學家案例，寫一篇800字短文。要求：（1）分析貝克勒爾發(fā)現鈾放射性（1896）、門捷列夫夢中排表（1869）等"偶然事件"背后的必然因素；（2）舉例說明當代化學研究中如何通過系統(tǒng)設計提高發(fā)現的必然性；（3）聯系自身專業(yè)，談談科學精神在本科生科研訓練中的培養(yǎng)路徑。六、實驗操作與安全規(guī)范在學習化學家精神的同時，嚴謹的實驗態(tài)度同樣重要。拉瓦錫因精確稱量發(fā)現質量守恒，而2019年某高校實驗室爆炸事故則警示我們：當使用硝酸等強氧化劑時，必須嚴格控制滴加速度和反應溫度。以下是基于歷史案例設計的安全試題：安全操作題：居里夫婦處理瀝青鈾礦時使用了含砷的礦物（1898），請設計一套現代實驗室處理含砷廢液的方案，要求包含：（1）防護裝備選擇（列出至少3種必要防護用品）；（2）廢液處理化學反應方程式；（3）應急處理流程（當砷化物濺到皮膚時的處理步驟）。對比19世紀與當代的安全標準差異，分析科學倫理中"研究者保護"原則的發(fā)展。七、跨學科思維訓練化學史多次證明，重大突破往往發(fā)生在學科交叉點。門捷列夫同時研究氣象學和石油工業(yè)，張濤團隊則融合催化化學與材料科學。這種跨學科視野在當代尤為重要：跨學科應用題：單原子催化劑的X射線光電子能譜分析顯示，鉑原子與載體間存在電荷轉移（2017）。請結合：（1）量子化學中的前線軌道理論；（2）材料科學中的表面缺陷工程；（3）環(huán)境工程中的催化脫硝技術，設計一個基于單原子催化的汽車尾氣處理系統(tǒng)方案。要求說明該系統(tǒng)如何同時去除NOx、CO和碳氫化合物，并分析其在-30℃（東北冬季）和50℃（南方夏季）工況下的性能差異及改進措施。這些試題設計涵蓋了化學史、實驗操作、科研倫理等多維度內