物理化學(xué)課程關(guān)于“液-氣相變”知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

王新平，呂洋，賈穎萍，尹婷婷

大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116622

高校對(duì)本科生的培養(yǎng)來(lái)自學(xué)校為學(xué)生設(shè)計(jì)活動(dòng)的方方面面，而課堂教學(xué)是其中最主要的活動(dòng)形式。面向一個(gè)確定專業(yè)的本科生，盡管思想教育課和專業(yè)課對(duì)其人生觀的塑造、專業(yè)技能的傳授、專業(yè)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)各有側(cè)重，但學(xué)校為其設(shè)計(jì)安排的所有課程和活動(dòng)都是環(huán)環(huán)相扣地為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)專業(yè)知識(shí)-能力-素質(zhì)“三位一體”的育人目標(biāo)[1,2]。其中育人的素質(zhì)目標(biāo)包括對(duì)學(xué)生家國(guó)情懷、做人的品格和科學(xué)精神的塑造。

“臺(tái)上一分鐘，臺(tái)下十年功。”這句話原本用于描述藝術(shù)表演者要成功表演必須經(jīng)歷長(zhǎng)期艱辛演練，但用它來(lái)表述教師為了更有效、更全面地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，對(duì)于課程的每節(jié)內(nèi)容都必須反復(fù)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備并不為過(guò)。也就是說(shuō)，教師備課時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的編排、教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)、教學(xué)手段的應(yīng)用和語(yǔ)言藝術(shù)的發(fā)揮，都應(yīng)從怎樣才更有利于達(dá)成學(xué)生“知識(shí)面拓寬-創(chuàng)新能力提高-素質(zhì)育人滲透”這三個(gè)角度反復(fù)斟酌。

“液-氣相變”規(guī)律，是本科物理化學(xué)課程中的重要知識(shí)內(nèi)容。就這一內(nèi)容而言，迄今尚未見(jiàn)到有文獻(xiàn)論述如何進(jìn)行教學(xué)更有利于課程實(shí)現(xiàn)知識(shí)-能力-素質(zhì)“三位一體”的育人目標(biāo)，更沒(méi)有教學(xué)論文直接介紹教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以供參考。本文“拋磚引玉”，給出我們關(guān)于這部分內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)，謀求與其他高校的教學(xué)同行共同討論，完善、共享教學(xué)方案，通過(guò)物理化學(xué)教學(xué)為國(guó)家更好地培養(yǎng)知識(shí)層次高、品格素質(zhì)好的創(chuàng)新型人才。

1 新知識(shí)的架構(gòu)內(nèi)容

1.1 學(xué)生已有的認(rèn)知

氣相中分子在每一溫度都有確定的速率分布f(υ)[3,4](圖1)。

圖1 分子的運(yùn)動(dòng)速率(υ)分布與氣體溫度的關(guān)系

1.2 新課導(dǎo)語(yǔ)

對(duì)于指定的純液態(tài)物質(zhì)B，在一定溫度下其分子的能量也并非整齊劃一，而是具有與其結(jié)構(gòu)相關(guān)的確定分布[5-8]。

1.3 本節(jié)課的重要概念、規(guī)律和認(rèn)知邏輯

1.3.1 液-氣相平衡與液體的飽和蒸氣壓

液面上動(dòng)能較高的分子，容易脫離周圍分子的引力束縛而逸出液相成為氣相分子。同種物質(zhì)的氣相分子在相同溫度下其動(dòng)能則有與液相不同的分布。一些氣相分子碰撞到液面時(shí)，有可能再次受到周圍分子引力的束縛而回到液相中。當(dāng)液相分子逸出液面的速率與處于氣相分子返回液相的速率達(dá)到相等時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了這種物質(zhì)B分子在液-氣兩相的平衡。達(dá)到液-氣兩相平衡時(shí)，將氣相中物質(zhì)B的分壓稱為該物質(zhì)在該溫度下的飽和蒸氣壓。

1.3.2 液體飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系

當(dāng)液體的溫度升高時(shí)，分布于那些較高能級(jí)上的分子比例變多。因此，對(duì)于指定的液態(tài)物質(zhì)B，其飽和蒸氣壓隨其溫度的升高依照特定的規(guī)律而增大。圖2給出了水的飽和蒸氣壓隨溫度的變化曲線。

圖2 水的飽和蒸氣壓隨溫度的變化曲線

1.3.3 液體沸騰、沸點(diǎn)、氣-液平衡規(guī)律

沸騰，是指液體同時(shí)在液面和內(nèi)部氣化的現(xiàn)象。物質(zhì)B要實(shí)現(xiàn)液體在其內(nèi)部的氣化，就必須能夠在其內(nèi)部形成氣泡并長(zhǎng)大溢出液面，這要求液體的飽和蒸氣壓必須達(dá)到液面上的壓強(qiáng)。否則，其純蒸氣泡就無(wú)法在其內(nèi)部形成和長(zhǎng)大。要使液體的飽和蒸氣壓達(dá)到液面上的壓強(qiáng)，就必須加熱該液體使其溫度升高達(dá)到某個(gè)溫度(Tb)。將該溫度稱為該物質(zhì)在該壓強(qiáng)下的沸點(diǎn)。該沸點(diǎn)溫度的特點(diǎn)是，液體在該溫度的飽和蒸氣壓(p)剛好達(dá)到了液面上的壓強(qiáng)(psu)。這樣，該物質(zhì)B的液相與氣相就達(dá)到了兩相平衡，液體沸騰就開(kāi)始了。顯然，液體的沸點(diǎn)不僅和物質(zhì)的特性有關(guān)，還是外界壓強(qiáng)的函數(shù)。物質(zhì)B在常壓(101325 Pa)下的沸點(diǎn)稱為該物質(zhì)的正常沸點(diǎn)。

在我國(guó)青藏高原，有些地區(qū)水的沸點(diǎn)甚至低至84 °C。討論其原因。

對(duì)于物質(zhì)B的純蒸氣，將其在確定的溫度加壓或在確定的壓強(qiáng)下降溫時(shí)，會(huì)使其變?yōu)橐后w。既然B的飽和蒸氣壓曲線給出的是物質(zhì)B在各溫度的飽和蒸氣壓，或各飽和蒸氣壓對(duì)應(yīng)的溫度，那么液體B的飽和蒸氣壓曲線給出的就是物質(zhì)B在不同溫度T和壓強(qiáng)p下的氣-液平衡條件。因此，由該曲線就可以直接讀出在確定壓強(qiáng)下的物質(zhì)B蒸氣要液化時(shí)必須達(dá)到的低溫，和物質(zhì)B蒸氣在確定的溫度下要液化時(shí)必須達(dá)到的壓強(qiáng)(如圖3所示)。

圖3 氣體在確定的溫度下液化時(shí)必須的壓強(qiáng)[9]

2 對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

2.1 怎樣才能將液體加熱到常壓沸點(diǎn)以上？

在常壓下，將液體加熱到其常壓沸點(diǎn)時(shí)由于液體沸騰吸熱，液體的溫度將不再升高。但是，有時(shí)很需要把液體的溫度加熱到常壓沸點(diǎn)以上，例如在較高的溫度滅菌、煮飯、進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。怎樣才能將液體加熱到常壓沸點(diǎn)以上呢？既然液體的沸點(diǎn)是其液面所受壓強(qiáng)的函數(shù)，那么只要能使液面上的壓強(qiáng)高于常壓就能使液體溫度突破其常壓沸點(diǎn)(這是一個(gè)創(chuàng)新思維)。于是高壓釜就被發(fā)明了，其設(shè)計(jì)原理(圖4c)為：將液體(例如水)放入可耐受一定高壓的容器中，將該高壓容器的頂口用重力閥密封。當(dāng)該高壓釜中的液體B被加熱時(shí)，因部分液體的氣化，可使得作用在液面上的壓強(qiáng)高于大氣壓(patm)。基于閥口橫截面積(S)和閥重(W)，該高壓釜可保證釜內(nèi)液面上的壓強(qiáng)逐漸增大達(dá)到并保持在p=patm+pW=patm+W·S-1。這樣，液體最高就可以加熱到圖3所示液體飽和蒸氣壓曲線上p點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沸騰溫度了。

圖4 高壓釜

討論：欲將釜內(nèi)的水加熱到110 °C而不沸，估算釜體必須能安全承受的壓強(qiáng)。

液體的沸點(diǎn)隨液面所受壓強(qiáng)依一定的函數(shù)而改變這一規(guī)律，在化工生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中有廣泛的應(yīng)用。例如，分子篩的水熱合成溫度(120-190 °C)要在高壓水熱釜中(圖5a)才能實(shí)現(xiàn)。在高壓反應(yīng)器中，可以使液體混合物的反應(yīng)在高于其正常沸點(diǎn)溫度的液相進(jìn)行(不氣化)。當(dāng)然，這些高壓反應(yīng)器的耐壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)，其基礎(chǔ)依據(jù)就是相應(yīng)液體在確定溫度下的飽和蒸氣壓。

圖5 高壓反應(yīng)器

2.2 可否使液體在常壓沸點(diǎn)以下沸騰？

有時(shí)，需要在低于液體正常沸點(diǎn)的溫度下將部分液體氣化，以避免物質(zhì)高溫分解實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。既然液體的沸點(diǎn)是其液面所受壓強(qiáng)的函數(shù)，那么只要能使液面上的壓強(qiáng)低于常壓就能使液體在低于常壓沸點(diǎn)的溫度沸騰了(創(chuàng)新思維)，這就是實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)用的減壓蒸餾(圖6)。

圖6 實(shí)驗(yàn)室減壓蒸餾裝置

2.3 可否利用氣-液平衡在線配制反應(yīng)混合氣體？

在實(shí)驗(yàn)室研究氣/固多相催化反應(yīng)時(shí)，通常需要反應(yīng)物B與惰性氣體混合成指定濃度的混合氣體，例如CH3OH/Ar、H2O/N2等，以便更準(zhǔn)確地控制B以精確的穩(wěn)定流速流入反應(yīng)器與其他物質(zhì)反應(yīng)。如果B在通常的條件下呈液態(tài)，除了用液體泵衡量控制B液體流入氣化器與惰性氣體混合的方法(開(kāi)闊視野)外，還可以利用圖7所示的裝置在線配制所希望濃度的混合氣體。

圖7 利用氣-液平衡法在線配制反應(yīng)混合氣體

3 對(duì)學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)的融入要點(diǎn)

3.1 創(chuàng)新意識(shí)和發(fā)展祖國(guó)生產(chǎn)力的責(zé)任擔(dān)當(dāng)精神

科學(xué)技術(shù)是生產(chǎn)力?？茖W(xué)技術(shù)產(chǎn)生于科學(xué)原理的創(chuàng)新應(yīng)用。下面的三個(gè)問(wèn)題，其科學(xué)原理雖然都是液-氣平衡所依據(jù)的液體的飽和蒸氣壓與液體溫度的關(guān)系，但在表現(xiàn)形式上卻明顯不同。教師在課堂上漸進(jìn)式地提出這些問(wèn)題讓學(xué)生討論回答，不僅可以使學(xué)生對(duì)液-氣平衡規(guī)律理解得更為深刻，領(lǐng)會(huì)從知識(shí)到應(yīng)用創(chuàng)新的思維過(guò)程，還可以順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展社會(huì)生產(chǎn)力的責(zé)任擔(dān)當(dāng)精神。

(1) 在常壓下無(wú)法將液體的溫度加熱到其常壓沸點(diǎn)以上。顯然，要把液體加熱到常壓沸點(diǎn)以上，就必須相應(yīng)地增大液面上的壓強(qiáng)。問(wèn)題：要把水加熱到110 °C而不沸，由圖2估計(jì)至少要把液面上的壓強(qiáng)提高到多少？在常壓下，還需要多大的附加壓強(qiáng)？用什么辦法可以把這個(gè)附加壓強(qiáng)施加到液面上？

(2) 確定的液體B，其飽和蒸氣壓是溫度的單值函數(shù)。那么，在圖7所示的氣體混合瓶中，只要能確保液面上的蒸氣與液體平衡，依靠控制溫度的方法，就能準(zhǔn)確地控制液面上B蒸氣的分壓。問(wèn)題：如果氣體混合瓶中裝的是純水，把水溫控制在35 °C，常壓混合氣中水的分壓？水的體積濃度？用什么樣的鼓泡形式更有利于水面上的蒸氣與液體水的平衡？

(3) 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的丙烷脫氫反應(yīng)研究，需要長(zhǎng)期使用確定體積濃度的丙烷/氮?dú)饣旌蠚怏w。如果把確定濃度的丙烷/氮?dú)饣旌蠚怏w預(yù)混于鋼瓶中，不僅可省去在線配氣儀器，還可確保所用混合氣體濃度比例的準(zhǔn)確性。但是，在鋼瓶中實(shí)施該混合氣預(yù)混之前，必須考慮到該混合氣體中的丙烷不會(huì)因氣溫變冷而部分冷凝析出，否則將無(wú)法保證從鋼瓶流出的混合氣體的濃度就是預(yù)混比例。問(wèn)題：借助表1數(shù)據(jù)，可否估計(jì)表壓為1.0 MPa (實(shí)際壓強(qiáng)為表壓+大氣壓)、體積濃度為20%的丙烷/氮?dú)饣旌蠚怏w，到冬天不得低于哪一溫度(以避免丙烷部分冷凝析出成液體)？

表1 丙烷在一些溫度的飽和蒸氣壓

其中問(wèn)題(2)和(3)是將該液-氣平衡直接應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)例，在此引出的目的在于借此撥動(dòng)學(xué)生“學(xué)以致用”的“神經(jīng)”和擴(kuò)展學(xué)生的科學(xué)視野，全方位地培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)。與問(wèn)題(2)相比，問(wèn)題(3)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新的能力和素質(zhì)的培養(yǎng)來(lái)得更為有效。這是因?yàn)?，?wèn)題(3)將在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的這個(gè)實(shí)際問(wèn)題直接展現(xiàn)給學(xué)生，連丙烷在不同溫度的飽和蒸氣壓的給出形式也是從文獻(xiàn)查閱所得的最普遍形式。這樣，就培養(yǎng)了學(xué)生善于從表面復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中分析抽提其實(shí)質(zhì)(丙烷平衡分壓與溫度的關(guān)系)，并加以解決的能力。

3.2 科學(xué)視野、鉆研精神、大國(guó)工匠精神

流體在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)相變，是在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中常常需要避免的問(wèn)題，而相應(yīng)成功策略，一定要基于對(duì)應(yīng)的相變平衡曲線。下面的實(shí)驗(yàn)室實(shí)際問(wèn)題，特別有利于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)順勢(shì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。

為研究貧燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NO的消除技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室需要在線配制含有確定濃度的N2+ O2+NH3+ H2O + CO2的模擬汽車尾氣?，F(xiàn)將35 °C的H2O/N2混合氣體再與NH3/N2混合氣及O2/N2混合氣以1 : 1 : 3的體積比混合，然后將上述所得最終混合氣體通入到不銹鋼管中傳輸。如果該不銹鋼管的溫度由于實(shí)驗(yàn)室溫度變化最低可能降低到10 °C，問(wèn)：是否需要對(duì)不銹鋼管采取保溫加熱的措施，以避免混合氣中水蒸汽部分液化？

3.3 開(kāi)拓進(jìn)取、民族自信、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神

物理化學(xué)課程思政，在于從物理化學(xué)知識(shí)點(diǎn)中解析出思政元素，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。挖掘“熱棒”原理技術(shù)效果，即可促進(jìn)學(xué)生的民族自信意識(shí)，又有利于學(xué)生深入理解本節(jié)“液氣相變”知識(shí)，起到強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的效果。

青藏鐵路，由青海省西寧站起至西藏自治區(qū)拉薩站結(jié)束，全長(zhǎng)1956公里，被譽(yù)為“天路”。美國(guó)現(xiàn)代火車旅行家保羅·泰魯曾在《游歷中國(guó)》一書中寫道：“有昆侖山脈在，鐵路就永遠(yuǎn)到不了拉薩?！痹蚴乔嗖罔F路，不得不穿越約550公里的凍土區(qū)。在夏天凌晨氣溫為零下幾°C，凍土“堅(jiān)如磐石”，但在白天日照下會(huì)融化成稀泥而“不堪重負(fù)”[9]。

我國(guó)建設(shè)者利用“液-氣相變”規(guī)律，創(chuàng)造性地提出了“熱棒”技術(shù)，成功地攻破了上述凍土融化問(wèn)題。“熱棒”技術(shù)的設(shè)想如下：在封閉的碳素?zé)o縫鋼管(長(zhǎng)7米)中裝入加壓的液氨，使氨在較高的壓強(qiáng)下處于氣液兩相平衡。將該“熱棒”插入到鐵路路基兩側(cè)(地下5米，地上2米)。熱棒地上部分為冷凝段，即使在夏季，凌晨地上的較低氣溫也可將地上部分高壓氨氣冷凝成液氨儲(chǔ)存于地下；當(dāng)?shù)叵聹囟雀哂谡舭l(fā)溫度時(shí)，地下部分為蒸發(fā)段，蒸發(fā)段液氨吸熱汽化上升，從而確保路基下凍土永不融化。問(wèn)題I：氨的常壓沸點(diǎn)是-33.5 °C。要做到讓“熱棒”中的氨蒸氣在-2 °C就開(kāi)始冷凝為液氨，“熱棒”氨蒸氣的壓強(qiáng)至少應(yīng)該高于哪一數(shù)值？問(wèn)題II：要做到讓“熱棒”中的液氨在0 °C就開(kāi)始蒸發(fā)為氨蒸氣，“熱棒”氨蒸氣的壓強(qiáng)至多不該高于哪一數(shù)值？問(wèn)題III：要讓“熱棒”利用凌晨地上的較低氣溫將氨氣冷凝液化，而當(dāng)?shù)叵聹囟雀哂? °C時(shí)液氨就開(kāi)始蒸發(fā)吸熱的設(shè)計(jì)效果，“熱棒”中充入氨蒸氣的壓強(qiáng)應(yīng)控制在哪一數(shù)值范圍？

4 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)實(shí)踐表明，“液-氣相變”這一知識(shí)點(diǎn)按照該教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性可得到大幅度提升。學(xué)生的情緒和表現(xiàn)教師不僅可直接在相應(yīng)課堂上感受到，從課后問(wèn)卷調(diào)查也可以確認(rèn)學(xué)生更喜歡這樣的教學(xué)形式。正如他們所說(shuō)：“這樣可以更多地感受科學(xué)，更有利于解決實(shí)際問(wèn)題”。

在“液-氣相變”教學(xué)中，基于液體飽和蒸氣壓隨溫度的變化曲線，深入挖掘前人在科研、生產(chǎn)、生活中創(chuàng)新應(yīng)用，不僅有利于學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)的理解，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)。