《物理化學(xué)》課程中啟發(fā)式教學(xué)

吳 霞，齊艷杰，周 瑞，陜 潔

（昌吉學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，新疆昌吉 831100）

物理化學(xué)是大多數(shù)理工科、綜合類院校開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，課程內(nèi)容包含化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、表面化學(xué)、界面化學(xué)等，具有極強的理論性、邏輯性和實踐性。本文將物理化學(xué)專業(yè)知識與生產(chǎn)生活中的常識、實踐經(jīng)驗結(jié)合，不僅增加了物理化學(xué)課程的趣味性，同時提高了學(xué)生的積極性，還培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，實現(xiàn)理論與實踐相統(tǒng)一，為物理化學(xué)課程多元化教學(xué)提供一定的依據(jù)。

1 熱力學(xué)定律的應(yīng)用

熱力學(xué)是自然科學(xué)中建立最早的學(xué)科之一，主要包括熱力學(xué)三大定律，三大定律是建立在人類長期的社會生產(chǎn)經(jīng)驗基礎(chǔ)和科學(xué)實驗基礎(chǔ)上的，因此本節(jié)主要將熱力學(xué)理論知識和日常經(jīng)驗結(jié)合起來綜述，讓熱力學(xué)知識更加貼近生活，增加理論知識趣味性的同時也使得理論知識通俗易懂[1-3]。

1.1 克勞修斯不等式

熱力學(xué)第二定律可以用來判斷某個過程發(fā)生的方向以及限度問題。由熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式即克勞修斯不等式：

可知，在可逆過程中熵變等于熱溫商；在不可逆過程熵變大于熱溫商。把克勞修斯不等式推廣至絕熱系統(tǒng)，則上式變?yōu)閐S≥0，即系統(tǒng)在絕熱狀態(tài)下只可能發(fā)生熵增加（不可逆）或者熵不變（可逆）過程，不可能發(fā)生熵減小過程，這就是熵增加原理。根據(jù)熵的定義式：

其中Ω代表系統(tǒng)的混亂度，說明熵變和系統(tǒng)的混亂度成正比，結(jié)合克勞修斯不等式，即系統(tǒng)總是自發(fā)地朝著混亂度增加的方向反應(yīng)[3]。將以上理論知識和生活中的實際情況結(jié)合，比如“病來如山倒，病去如抽絲”可以用熵增原理解釋：病毒攻擊人的免疫系統(tǒng)使人的系統(tǒng)變混亂，這是一個熵增加過程；反之可以用藥物等治療手段殺死病毒從而使人的系統(tǒng)恢復(fù)正常即從混亂變得有序?qū)儆谑轨販p小的過程，該過程很難，因而耗時相對較長?！皬纳迫绲牵瑥膼喝绫馈币矎娜诵宰兓恼軐W(xué)角度揭示了熵變化的原理，想要一直保持善良像登山一樣難，想要變壞就是一瞬間，因此也有“浪子回頭金不換”一說。

1.2 化學(xué)勢

熱力學(xué)第二定律中另一個重要的應(yīng)用即為化學(xué)勢的大小可以判斷化學(xué)反應(yīng)的方向，溶液的化學(xué)勢公式：

當(dāng)xA小于1時，LnxA小于0，因此經(jīng)計算溶液的化學(xué)勢小于純?nèi)軇┑幕瘜W(xué)勢。當(dāng)采用溶劑分子可透過的半透膜將溶液和純?nèi)軇└糸_后，溶劑轉(zhuǎn)移的方向是從純?nèi)軇┫蛳∪芤簼B透，直到稀溶液無限稀釋，即純?nèi)軇┑幕瘜W(xué)勢近似等于稀溶液的化學(xué)勢，滲透現(xiàn)象停止[3-4]。P-P*= 我們可以利用這一現(xiàn)象，增大溶液上方的壓力使之與純?nèi)軇┑膲毫Σ畲笥跐B透壓就會發(fā)生反滲透。如圖所示，左邊為海水，右邊為純水，當(dāng)在海水上方施加的外壓大于溶液與純?nèi)軇┑臐B透壓時，海水中的溶劑（水）就會反滲透到右邊，完成海水脫鹽實現(xiàn)海水淡化。

圖1 海水淡化示意圖

1.3 稀溶液中的依數(shù)性

非揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液其溶劑蒸汽壓的下降、沸點升高及涉滲透壓都只和溶質(zhì)粒子的質(zhì)點數(shù)有關(guān)，與其他物理量無關(guān)[5]。例如稀溶液的凝固點降低公式為

其中Kf為溶劑的凝固點降低系數(shù)，只和溶劑的性質(zhì)有關(guān)；bB為溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾分?jǐn)?shù)，可以解讀只有非揮發(fā)性溶質(zhì)的多少影響溶劑的凝固點[3-6]。在北方下雪天，為了減少道路上交通事故的發(fā)生，會在道路上撒鹽，鹽和雪形成鹽水，而鹽又是非揮發(fā)性溶質(zhì)，會使水的凝固點降低，因此雪溶劑融化，降低了道路的濕滑，從而可以減少交通事故的發(fā)生。天冷之后大部分水果會變甜也遵循凝固點降低原理。比如有名的新疆的阿克蘇冰糖心蘋果，在農(nóng)歷十一月下雪之后口感最佳，究其根本原因就是蘋果內(nèi)部的淀粉為了降低凝固點轉(zhuǎn)化為糖，當(dāng)溫度越低，ΔTf越大，根據(jù)凝固點降低公式，溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，即糖分越多。

2 電化學(xué)

干電池耗電完了，都會用牙咬一咬或者用腳踩一踩，然后電池又能放電，如此反復(fù)幾次之后再受外力擠壓，電池也不再放電，為什么？手機(jī)剛買回來充一次電能待機(jī)幾十小時，用一至兩年之后充一次電待機(jī)時間明顯變短為什么，且非常容易發(fā)熱？為什么剛充滿電的手機(jī)在寒冷的冬天容易死機(jī)，而回到溫暖的室內(nèi)時手機(jī)又能正常使用？這些問題都和物理化學(xué)中的電化學(xué)知識息息相關(guān)，下面我們就一一解答。

2.1 一次電池—堿性鋅錳干電池

堿性鋅錳干電池屬于一次放電電池，當(dāng)放電一段時間，電池內(nèi)部的電解質(zhì)KOH被不斷消耗，且靠近負(fù)極處的電解質(zhì)溶液消耗得快，中間的電解質(zhì)相對消耗較慢，導(dǎo)致負(fù)極的放電反應(yīng)不能有效發(fā)生，故電池不放電；當(dāng)該類電池受到外力擠壓后，如圖2所示，中間的電解質(zhì)溶液被擠到電極兩端，此時電解質(zhì)與負(fù)極接觸又能發(fā)生負(fù)極反應(yīng)，直至電池內(nèi)部的電解質(zhì)幾乎被消耗盡，此時電池再受外力擠壓也不會表現(xiàn)對外放電了[7]。

圖2 堿性鋅錳干電池受擠壓前后電極物質(zhì)分布示意圖

2.2 二次電池—鋰離子電池

手機(jī)電池屬于二次電池，可以多次充放電使用。當(dāng)手機(jī)連接外接電源時，外接高壓電經(jīng)過充電器轉(zhuǎn)化成低壓電輸入手機(jī)，此時手機(jī)電池將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能；當(dāng)接打電話或者播放視頻使用手機(jī)時，電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)又將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能[8-9]。目前最常用的手機(jī)電池是鋰離子電池，在其內(nèi)部充放電時發(fā)生的反應(yīng)如下：

其中負(fù)極材料一般為LixC6，正極材料中的M多為過渡金屬Fe、Co、Ni和Mn。電池的充放電，實際是鋰離子在充電時的正極脫出，負(fù)極嵌入；放電時負(fù)極脫鋰，正極嵌鋰[10]。因此，只從充放電的可逆性來看，鋰電池反應(yīng)是一種理想可逆反應(yīng)。但在實際應(yīng)用中，鋰離子電池在充放電過程中其內(nèi)部材料會發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致電池容量減小，內(nèi)阻增大；同時電池內(nèi)部的電解液、隔膜、記憶效應(yīng)等也會導(dǎo)致電池不可逆；而且電池內(nèi)部的電極材料和電解液之間也會發(fā)生不可逆的副反應(yīng)，導(dǎo)致電池充放電反應(yīng)不可逆[11-14]。因此，手機(jī)使用時間越長，內(nèi)部的有效參與充放電的電極物質(zhì)越少，待機(jī)時間越短；同時由于電極材料結(jié)構(gòu)的缺陷會造成電池內(nèi)阻增大，也會出現(xiàn)手機(jī)使用時間長明顯發(fā)熱這一現(xiàn)象。

為什么剛充滿電的手機(jī)在寒冷的冬天容易死機(jī)，而回到溫暖的室內(nèi)時手機(jī)又能正常使用？這和電池內(nèi)部發(fā)生充放電反應(yīng)的陰陽離子遷移速率有關(guān)，此物理量不僅和離子的半徑、所帶電荷多少、周圍離子的本性、溶液的濃度等有關(guān)外，還受外部環(huán)境比如溫度等的影響。外界環(huán)境溫度越低，離子遷移速率越慢，當(dāng)溫度低至零下十幾、甚至二十幾度時，電池內(nèi)部離子幾乎不遷移，此時手機(jī)就死機(jī)了；當(dāng)返回在溫暖的室內(nèi)時，手機(jī)能開機(jī)且顯示有電，這是因為溫度升高時，離子遷移速率加快，電池又可以正常放電了。

3 動力學(xué)

動力學(xué)主要研究反應(yīng)速率、機(jī)理等問題，與熱力學(xué)相輔相成密不可分[15]。比如有些反應(yīng)從熱力學(xué)理論判斷是可以發(fā)生的，但實際生產(chǎn)中還要考慮速率問題：速率過慢用于批量生產(chǎn)意義不大；速率過快反應(yīng)不可控，有些反應(yīng)可能還會引起爆炸。因此還要從熱力學(xué)、動力學(xué)綜合考慮，使反應(yīng)速率適中以及通過控制反應(yīng)條件使得反應(yīng)條件最優(yōu)化，減少副反應(yīng)對產(chǎn)率的影響、有效防止催化劑中毒等問題。

3.1 合成氨

以合成氨為例，探討熱力學(xué)、動力學(xué)對其反應(yīng)速率的影響，合成氨反應(yīng)條件為高溫、高壓加催化劑。

首先探討高壓條件對反應(yīng)的影響。從熱力學(xué)化學(xué)平衡角度考慮，由于Kq=Kx（nP/Pq）Δμ（其中P是總壓，Δμ為生成物的系數(shù)之和減去反應(yīng)物的系數(shù)之和），Kq為標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)，當(dāng)溫度不變時，Kq不變，此時增大總壓，Kx減小，平衡向氣體分子數(shù)減小的方向進(jìn)行，即正向進(jìn)行；加入催化劑會改變反應(yīng)的歷程，降低反應(yīng)的活化能，由Ea=E平均-E所有（E平均代表活化分子的平均能量，E所有代表所有分子的能量）公式可知，活化能越低，所有分子的能量越接近活化分子的能量，也就代表活化分子的數(shù)目越多，反應(yīng)速率越快；合成氨反應(yīng)正向是放熱反應(yīng)，從熱力學(xué)角度考慮，反應(yīng)條件應(yīng)該是低溫，有利于正向進(jìn)行，但實際生產(chǎn)過程中采用高溫，主要原因就是綜合考慮溫度對化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率影響[16]。由Van't Hoff 近似規(guī)則可以估算溫度對反應(yīng)速率的影響，見式（6）溫度每升高10K，反應(yīng)速率加快2～4倍。因此合成氨選擇最優(yōu)反應(yīng)溫度500℃左右。

3.2 藥物動力學(xué)

藥物動力學(xué)是最近幾十年發(fā)展起來的學(xué)科，采用動力學(xué)方法研究分析藥物在體內(nèi)動態(tài)，從而提供有效的藥物濃度、給藥周期以及給藥方案等[17]。比如給藥劑量實際就是濃度，藥物在生物體內(nèi)發(fā)生一系列的變化，如吸收、代謝、殘留等，都可以用相應(yīng)的吸收半衰期、消除半衰期、分布半衰期以及殘留半衰期等衡量。探究藥物在體內(nèi)的動力學(xué)方程，可以判斷藥物的釋放是否連續(xù)，是否可以維持較高的血藥濃度從而達(dá)到較好的治療效果。因此藥物動力學(xué)可以為設(shè)計最優(yōu)給藥方案提供重要的理論依據(jù)和實用 價值[18-19]。

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)的喬艷在研究中采用動力學(xué)中的半衰期研究鐵、鈷兩種微量元素參與家兔機(jī)體的生理活動，以及研究家兔體內(nèi)鐵、鈷復(fù)合微囊抗貧血效果。藥物對照組和鐵、鈷微囊組的吸收半衰期、消除半衰期、分布半衰期這幾個測試研究結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示鐵鈷復(fù)合微囊在囊材的保護(hù)下幾乎很少受到消化液的破壞，藥物能連續(xù)釋放，在腸道內(nèi)停留時間長說明鐵、鈷復(fù)合微囊能維持較長時間的有效血藥濃度[20]。

表1 藥物對照組和微囊組在家兔體內(nèi)的半衰期

4 界面現(xiàn)象

學(xué)習(xí)物理化學(xué)中的界面張力可以很好地解釋日常生產(chǎn)生活中的界面現(xiàn)象[21]。當(dāng)分子處在不同的項中，實際是分子處在不平衡的力場中，因此在相界面就會出現(xiàn)界面張力，界面張力可以很好地解釋為什么大多數(shù)微小液滴呈現(xiàn)球形？為什么面粉廠之類的微小粉塵場所需要安裝除塵裝置？為什么農(nóng)民在春耕時需要鋤地？這些現(xiàn)象和界面張力息息相關(guān)。

4.1 界面張力

界面張力的方向總是指向凹液面曲率半徑中心，即球心。假設(shè)把一個液面平分成兩份，兩個半液面都受到指向球心的力，如圖4所示。這種表面之間的吸引力造成了液體表面收縮的趨勢，因此微小液滴呈現(xiàn)圓形，因為在相同體積下球形的面積最小。

圖3 微小液滴呈現(xiàn)圓形的示意圖

在許多微小顆粒的生產(chǎn)或儲存場所放有除塵設(shè)備，防止引起爆炸。以D=1cm的液滴為例，將液滴分散成1018個D=1nm時（如圖5所示），利用面積公式S=π×D計算可知液滴面積由3.14×10-4m2增大至3.14×102m2，增至原來的106倍。假設(shè)這些液滴抵抗本身的表面張力所做的功為：

圖5 直徑1cm的液滴分散成1018個直徑1nm的液滴

表面積越大，做功越大，反過來這些分散成納米的液滴具有的能量越高，當(dāng)遇到摩擦或者點火源很容易引發(fā)爆炸。

4.2 毛細(xì)現(xiàn)象

由于表面張力的存在，會引起毛細(xì)現(xiàn)象。當(dāng)把毛細(xì)管垂直插入某種液體中，液體不能潤濕管壁時，接觸角q＞90°，cosq＜0，則液體在毛細(xì)管內(nèi)呈現(xiàn)凸液面，液面在毛細(xì)管中下降（毛細(xì)管插入水銀會出現(xiàn)此現(xiàn)象）；反之，當(dāng)液體可以潤濕管壁時，接觸角q＜90°，cosq＞0，則液體在毛細(xì)管內(nèi)呈現(xiàn)凹液面，液面在毛細(xì)管中上升[4]。雜草的根莖類似于毛細(xì)管（見圖5），因此土中殘留的雜草由于毛細(xì)現(xiàn)象，會將土壤中的水分上升到表面，所以在春耕時，不僅可以除去雜草還可以保持土壤中的水分，有利于農(nóng)作物的生長。

圖5 植物體內(nèi)的毛細(xì)現(xiàn)象

5 結(jié)語

本論文把物理化學(xué)中晦澀難懂的理論知識和日常生活相結(jié)合，在實際教學(xué)中采用問題探究式和啟發(fā)式教學(xué)，可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，同時使得物理化學(xué)專業(yè)課的理論知識通俗易懂，既有助于學(xué)生了解掌握理論知識也有助于增加學(xué)生學(xué)以致用、理論聯(lián)系實際以及解決問題的能力。