数学与化学的联系

作者&投稿:商溥 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
数学和化学联系大吗?~

化学其实是文科和理科相结合的一门学科,数学多是生活中的计算问题,有一点联系,但不大。。。

数学是基本工具,学其他所有理科学科都会用到。等到了大学,可能会学到这样的课程,生物化学,物理化学,因此,所有的物理现象规律和生物生命活动都能够从化学的角度来解释。

活动目的:充分认识化学与数学之间的关系,改变偏科的恶习
活动形式:辩论会
活动过程:
1、人员分配:分为主持人、正方(要学好化学必须学好数学)、反方(学好化学和数学好不好没有关系。正方和反方分别有3个辩手。
2、经过:(1)主持人发言,说明辩论双方人员和所持观点;(2)正方一辩发言3分钟;(3)反方一辩发言3分钟;(这是双方的主题发言)(4)正方、反方相互发问和反问等发言,时间一共10分钟。。(5)正方作最后2分钟陈述;(6)反方作最后2分钟陈述;(7)主持人请评委老师点评;(8)辩论结束。
活动说明,每次发言均需征得主持人同意,主持人应该维持次序。

参考资料:
化学应用需要更多数学

化学是一门很广泛的科学,如果以研究的范围来分,它包含了有机化学、无机化学、生物化学、物理化学及分析化学等。如再加上工程上的应用,化学工程又是很广泛的领域。

以上这些科目或多或少都会应用到一些数学;所以当您问一个化学家,数学在化学上到底有些什麼用,您可能会得到许多全然不同的答覆——几乎全视个人经验而定。在这种状况下,笔者的看法自然也免不了受个人观点影响而有所偏好。但科学月刊之宗旨既在於科学生根的工作上,本文重点亦将放在数学与化学教育的关联。尤其现在大专的化学教育方针,似乎著重在培养化学之通才,则谈论此题目,我们也将尽量寻求大家都认为是现代化学领域中所共同需要的数学。

化学一直是一门实验科学,而在可见的将来,它也仍会以实验为中心,那数学又怎麼和它拉上关系的呢?这问题要从两方面来讲。

一方面,现代化学渐渐朝微观的方向探讨物质的组成、构造及反应,也就是从原子的观点来研究,所以受近代物理学很大的影响(无论是理论或实验上),其中主要是量子力学与统计力学的应用,它所采取的语言遂也有数学化的倾向。

另一方面,化学在实际上的应用,现在也越来越需要更严格定量的(quantitative)知识,举凡分析化学乃至化工计算,我们都需要更多更精确的化学计算工作,这就涉及到更多的应用数学。

所以数学在化学的应用大致可分为两个层次,其一是语言上的,其二是技术上的。前者是以数学化的语言来讨论化学上的问题,侧重观念性,后者则是以数学的技术来做更复杂的计算工作。本文将分别举例讨论,然后综结它们在化学教育上的问题。当然以上的分类并不是很严格的,很多东西(譬如统计)在两个层次上都有运用,数学的应用本身是活的,它的分类在本文仅是为了讨论方便。

至於学好了数学是否就可成为一个好的化学家呢?我的看法是否定的。无论在数学语言或数学技术上来说,它在化学上到底只是一种工具而已,而不能取代化学本身。这就好比一个会说十国语言的人并不一定就是个语言学家,一个吹玻璃高手也并非一定是个好的化学实验者一样。而反过来说,一个很有能力的化学工作者,他的数学能力可能并不好。重要的是化学知识的全盘了解与运用,数学应只是辅助工具之一。但有一点是不可否认的,当一个化学工作者的数学能力越强时,他所能处理的问题也越多。在力求科际整合的将来,数学无疑将是一项更重要的利器。

化学语言的数学化

化学上一个很重要的问题是讨论化学键的形成与分子构造间的关系,自十九世纪末以来,人们就开始讨论原子之间结键的问题。在开始时人们只是画出分子的构造图;例如氯化汞的构造为 Cl-Hg-Cl,汞与氯之间的化学键只用一条线来代表,对於化学键的构造与原子中电子的组态全然不清楚;氯化汞真正的立体形状也不清楚。而类似的二价的钡(Ba)所形成的氯化物,显然在化性和物性上与氯化汞有很大的不同,但为什麼不同则不很清楚,化学家尚缺乏一套完整的理论来了解它。及至1925年后,由於量子力学的发展,它在化学上有著神速的应用。现在连高中化学教科书裏都有关於轨域、混成轨域及原子构造的介绍了。

拿上面的例子来说,汞与钡原子都有6s2的最外层电子组态,所不同之处是汞原子最低的空轨域是6p,当与氯原子形成氯化汞分子时,汞所用的混成轨域是sp,氯化汞的结构乃为线性的。而钡的最低的空轨域是5d,当与氯原子形成氯化钡分子时,钡所用的混成轨域中,也混入了相当部分的d轨域,所以氯化钡是非线性的结构,两个 Ba-Cl 键之间的夹角小於180°(注一)。 像这样的例子,在现代化学中的应用可说是家常便饭。要了解这些,我们就必须知道轨域的数学代表式,其对称性质等等。这在数学上就牵涉到线性代数,偏微分方程与群论的应用。值得注意的是在以上的例子里,数学通常并不是拿来作为计算的工具(注二),反而当作是一种定性的讨论方式,这是非常重要的一点。

又如自从1930年代以来,高分子化学有长足的发展,新的聚合体不断发明出来,已成为我们日常生活中重要的一环。这些高分子在溶液中有一共同的特性,亦即原子与原子在空间连续排列的形式可能很多,即使其分子量与化学结构完全相同也不例外。如图一中即显示出聚乙烯分子中六个碳部分的两种不同的构形(comformation);对整个高分子来讲,其不同构形的数目更可达到天文数字之多,此时我们就不得不以统计的方法来表达它的形状或大小。

譬如说,常常用来讨论高分子性质的一个量是高分子两端距离r的平方之平均值——,它常常是与分子量成正比的。很多高分子物质的特性,如弹性、扩散系数、散光系数等都与的值有密切关系,於是实验者为了解释他的结果,就必须用统计的语言来表达高分子的物性及化性。而更详细的由分子基本化学结构来计算高分子的,就涉及更多的统计学了。前几年诺贝尔奖化学奖得主 P.J.Flory 得奖原因之一,即在於他对高分子统计方面的贡献。

化学计算的数学技术

前面的例子说明了许多化学上的重要问题,已发展到利用数学语言的方式来表达,所强调的主要是观念的建立。但另一方面,传统的化学在研究及应用时都要涉及到计算工作,这些计算虽随问题的复杂程度而应用到不同层次的数学,但基本上而言,数学在此只是帮助我们解决问题的工具,与化学问题的本身并无太大的关联。举个例子说,如果我们要知道以下反应的速率,

【浏览原件】 (1)

其中K1是向右反应的速率常数,K2是逆反应的速率常数。则反应速率可用下列微分方程表达:

d[AC]/dt=K1[AB][CD]-K2[AC][BD] (2)

d[AB]/dt=-K1[AB][CD]-K2[AC][BD]

再加上物质间平衡的关系,我们就可以计算反应速率。这个数学问题很简单,但实际世界里的反应往往复杂得多。

如果以上反应受温度影响,则我们需要考虑到反应热传导的问题,再如物质本身扩散也影响浓度。如果反应机构变得更复杂,写出来的方程式常常会是非线性的,那反应速率的求解就会变成很难的数学问题,得处理多变数的非线性偏微分方程式。这些问题常常是化学工程师所要面临的,无怪近年来化工课程中数学内容正逐渐加深。

化学中的数学教育

前面大致提到了化学上的数学问题的几种例子,以及它们的特性。即使从这几个少数例子中,我们也可看到数学在化学的应用很广泛,举凡微分方程、线性代数、向量分析、群论、统计学都用得上。那麼化学的学生是否都得去学它们呢?又由谁来教呢?我想这一定也是随人的经验而并无定论。

国内与化学系相关的有应用化学系,农化系等,在大学课程标准中,实在不易订出一套「化学数学」的特别课程而符合共同的需要。现在教育部所规定,化学系的学生必须修习「化学数学」课程的方案,刚开始实施,这也许是一个好机会,我们不妨讨论此项课程的必要性及内容。

首先是谁来教的问题,是数学系的先生呢或化学系的先生?再者是内容范围多寡的问题。现在其他科系用到数学者,普遍都有各科系自己的师资来教数学,如电机、化工等莫不如此,反把专业数学家置於一边;「化学数学」的课程似乎也顺此潮流。但就化学来说,大部分的化学家至多只能算是个业余数学家,这样能达成数学教育多方面的目的吗?又前面提到数学的应用在化学上很多是属於观念性、语言性的。当我们学语言时,本就不会太计较它的应用范围,因此数学的讲授似乎也不必太过计较它需要应用到什麼东西上吧!

至於化学数学所应有的内容,我认为至少应包括微分方程、向量分析及一些线性代数的观念,至於更进一步的东西就要看各门的需要而定了。例如应用化学方面的应多一点数值分析的东西及加强偏微分方程,而物理化学或无机化学方面,群论倒是颇为重要的工具。

注一:此系就气态之氯化钡分子讨论。

注二:详细之计算是专业理论化学家所做的工作,所用的数学是较为复杂的。
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目前高考在理科科目中都有淡化计算的趋势(当然解析几何难免)

所以数学学得不好并不影响学化学物理
尤其是化学。
物理到了高三以后涉及综合题时可能会有计算部分要借助数学技巧来完成,但要求绝对不会到了“数学不好而做不出来”的程度——只是比较难想到罢了。

别泄气哦
我也是数学一般般,但是理综一样考得比数学好的人高!要有信心!

化学用到数学不是太多,物理在计算过程中用到数学更多些,不过大多都是用到计算方面很多,倒不会有奥塞题难,但如果想把坏影响减少到最小,多功些计算题,毕竟虽然这三科联系很大,实质还是不同的

有关系,不过数学离化学远些,离物理近些

活动目的:探究化学与数学之间的联系,对他们之间的联系有更深入的认识!

活动形式:实验探究等等。。。。

活动过程:就是实验步骤。。。

活动结果:实验的最终结果,得出数学与化学有密切联系的结论!

具体内容需要你自己填充了。。。你可以用书本上的例题做例子!

最明显的化学与数学的联系,初中化学的话就是质量守恒咯

高中的话就是MOL的计算,电子轨道理论之类的。热动力学啊,熵的计算,离子积。。。如果与空间几何的关系,如晶体的结构,有机物的立体结构等!

在计算化学中有很广泛的应用

统计力学里面全是高树的基础
量子化学的方程全是靠算积分和矩阵解的
分子力学里面全是基于牛顿力学的高等数学方程

还有物理化学中也有广泛应用
比如化学热力学
化学动力学
表面化学中很多公式都用到

数学其实是基础为化学做准备的

对于化学来讲,
数学是必要的工具,利用数学的原理规律,解决化学的相关问题

基本的计算
有机物中同分异构体的寻找
运用排列组合的知识
有机物的同系物
,有等差数列的思维
寻找取值范围,会用到不等式
ph的计算,用到常用对数
等等,
不一而足,。。。。。

在计算化学中有很广泛的应用

统计力学里面全是高树的基础
量子化学的方程全是靠算积分和矩阵解的
分子力学里面全是基于牛顿力学的高等数学方程

还有物理化学中也有广泛应用
比如化学热力学
化学动力学
表面化学中很多公式都用到

化学跟数学有关系吗
答:有。根据爱问知识人查询,数学和化学是两门看似截然不同的学科,但它们之间却有着密不可分的联系。数学是一门研究数量、结构、变化和空间等概念的学科,而化学则是研究物质的组成、性质、结构和变化的学科。虽然它们的研究对象不同,但是在实际应用中,数学和化学之间有着紧密的联系。

数学和化学的关系
答:物理化学都是在数学发展到一定阶段的分支,数学物理都比较注重理论上的计算,而化学是建立在一些生活中教常见的现象的基础上发展起来的。起初的化学注重的是现象和实验,随着人们的进一步研究,化学中的一些实际本质必须借助数学物理中的公式、理论去解释。如量子化学、物理化学都是建立在数学和物理的基础上的...

化学和数学的关系密切吗?
答:依赖和相互关联,在与物理与化学的关系方面,数学与物理化学成为伙伴关系,是为物理化学提供逻辑方法和抽象思维的重要工具。

数学元素和化学元素有关联吗
答:数学和化学也有所联系。化学主要是通过实验得出的结论的。实验就需要进行多次实验,然后通过统计数据,整理数据,才能得出结论。而整理数据就需要依赖强大的数学计算。如果数据处理不得当,那么实验结论将会有所偏颇。

我刚读初三,刚学上化学,我想知道化学跟数学联系大不大,因为我的数学不...
答:初中的化学和数学联系不太大因为初中化学涉及到的计算很基础,不过我不知道你解图像的能力如何,这种题目只要看懂图像,一般都不会有太大的困难的。其实,高中的化学计算说简单也简单,说难也难。简单是因为它涉及的数学知识不多,大多是百分比的计算(纯计算不涉及其他数学知识)。但是也难在它的计算,...

化学和数学有关系吗
答:有一定的关系(主要是计算)化学是理科中的文科,多靠记忆。初中高中化学是靠记得,很少用到数学(计算出外)

数学与化学的联系,谢谢
答:在计算化学中有很广泛的应用 统计力学里面全是高树的基础 量子化学的方程全是靠算积分和矩阵解的 分子力学里面全是基于牛顿力学的高等数学方程 还有物理化学中也有广泛应用 比如化学热力学 化学动力学 表面化学中很多公式都用到

化学,物理和数学之间有何关系?
答:数学是物理的基础。理论物理和应用物理都需要数学的。化学呢,应用化学,量子化学什么的也都是以数学为基础的。可以说,数学是自然科学的基础。希望可以采纳,谢谢! 评论| 2013-08-03 19:09化学高级教师王学智|合作机构:知道网友专家 都是理科学习方法类似 追问 废话 评论|数学...

如何将化学与数学紧密联系起来,甚至用数学方法去预测
答:如何将化学与数学紧密联系起来,甚至用数学方法去预测化学发现?现在化学还有什么重大的未解问题吗? - 余旷的回答 理论和计算化学是一个巨大的领域,大体上分电子结构,统计力学还有动力学三块,基础是物理学中的量子力学和统计力学。作为初级读物,你可以翻翻Leach的《Molecular Modelling: Principles and ...

数学和物理,化学有很大关系吗
答:数学物理化学是互相都有关系的,只是研究的领域进行了比较明确的划分.数学只研究运算方法问题,物理则研究各物理量之间数学关系.显然不懂数学又怎么研究物理量之间的数学关系呢?比如,如果不知道乘法是什么意思的话,又凭什么说速度乘时间能得到距离?到了大学物理就发现,几乎每一步都离不开数学.很多物理问题都...