促進(jìn)物理化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的改革措施,化學(xué)教學(xué)論文

促進(jìn)物理化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的改革措施,化學(xué)教學(xué)論文物理化學(xué)是高等學(xué)?；瘜W(xué)、化工、材料、環(huán)境、生物及能源等理工科專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)理論課。該課程不僅能使學(xué)生對(duì)所學(xué)的無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)從理性上加以提高,而且為后續(xù)的化工原理、化學(xué)反響工程、功能高分子、新能源等課程打下了必要的數(shù)理基礎(chǔ),其重要性不容置疑。因而,為了提高物理化學(xué)教學(xué)質(zhì)量,很多從事該課程教學(xué)的老師嘗試了各種改革措施。[1-3]本文從培養(yǎng)和提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力出發(fā),在課堂教學(xué)中引入化工研發(fā)的詳細(xì)案例,這種理論與實(shí)際嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)的案例式教學(xué)形式,既能向?qū)W生教授知識(shí),又能通過對(duì)實(shí)際問題的分析與探尋求索,激發(fā)學(xué)生的求知欲。一、化學(xué)熱力學(xué)原理的教學(xué)與應(yīng)用化學(xué)熱力學(xué)既是物理化學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。這部分內(nèi)容概念多、公式多,且抽象不好理解、不易把握。假如課堂教學(xué)中只注重講解基本概念、數(shù)學(xué)推導(dǎo)及理論計(jì)算,學(xué)生不僅會(huì)感到枯燥乏味,而且也不知道所學(xué)理論有何應(yīng)用,最終影響學(xué)習(xí)興趣和對(duì)知識(shí)點(diǎn)的把握。為此,我們?cè)谡n堂教學(xué)中,引入化工開發(fā)中的實(shí)際例子,構(gòu)成了理論與應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)形式?；瘜W(xué)熱力學(xué)的中心就是討論化學(xué)變化的方向、限度及變化經(jīng)過中的能量交換等問題,牽涉U、H、S及G等熱力學(xué)量的諸多公式推導(dǎo)及計(jì)算。很多公式靠死記硬背是不可能正確把握的,當(dāng)使用條件稍有改變就會(huì)用錯(cuò)。如Kirchhoff公式:【1】其在化工工藝開發(fā)中常用于能量交換的計(jì)算。但是,該公式適用于298.15KT的溫度范圍內(nèi),介入反響的各組分只要溫度變化的簡(jiǎn)單經(jīng)過。[4]而實(shí)際的化學(xué)反響體系經(jīng)常是一個(gè)既有化學(xué)變化,也有相變化、溫度變化及壓力變化的復(fù)雜經(jīng)過。學(xué)生對(duì)于復(fù)雜變化經(jīng)過中,相關(guān)熱力學(xué)量的計(jì)算很難把握準(zhǔn)確。為此,課堂教學(xué)中引入化工開發(fā)中的熱力學(xué)計(jì)算實(shí)例,有助于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解和把握。如碳酸二甲酯(DMC)綠色合成工藝的開發(fā),其反響方程為:【2】碳酸二甲酯分子構(gòu)造中由于有甲氧基、羰基、甲基等多種官能團(tuán),且無毒,所以是一種應(yīng)用廣泛的綠色化工中間體。按反響方程(1)的合成工藝,原子利用率高,原料易得、無環(huán)境污染,是公認(rèn)的綠色合成工藝。[5]該反響體系的起始狀態(tài)是室溫、常壓下的液態(tài)甲醇、氣態(tài)O2和CO,終態(tài)為393.2K和2.5MPa下的產(chǎn)物碳酸二甲酯和水。反響體系從始狀態(tài)到終狀態(tài)中既有化學(xué)變化,也有相變化、溫度變化及壓力變化。怎樣用化學(xué)熱力學(xué)的基本理論,推算實(shí)際反響體系的rHm、rSm、rGm及K等熱力學(xué)量,是開發(fā)該工藝的重要理論根據(jù)?；瘜W(xué)熱力學(xué)的計(jì)算中常用到狀態(tài)函數(shù)法,即在一樣的始、終狀態(tài)之間將復(fù)雜經(jīng)過分解成若干個(gè)單因素變化的簡(jiǎn)單經(jīng)過,如此圖1?！?】在常壓下,反響物甲醇及產(chǎn)物碳酸二甲酯和水的沸點(diǎn)分別為337.7K、363.5K和373.2K,根據(jù)Clausius-Clapeyron方程:【4】可估算,在2.5MPa時(shí)的沸點(diǎn)分別為448.2K、561.8K和496.2K。所以,在393.2K和2.5MPa的條件下,反響物甲醇及產(chǎn)物碳酸二甲酯和水均為液態(tài)。因而,圖1中的狀態(tài)變化不牽涉相態(tài)變化,經(jīng)過的狀態(tài)變化設(shè)計(jì)合理。由于狀態(tài)函數(shù)只與狀態(tài)有關(guān),其改變量與變化的途徑無關(guān)。所以,存在以下關(guān)系:【5】華而不實(shí),H1是在298.2K,0.1MPa條件下單純化學(xué)變化經(jīng)過的焓變。根據(jù)化學(xué)反響的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反響焓rHm、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓fHm、標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓cHm等概念及相互的關(guān)系,可根據(jù)公式【6】H3和H4是恒壓變溫經(jīng)過的焓變。根據(jù)摩爾定壓熱容Cp,m的概念及應(yīng)用,通過下述基本公式:H=Cp,mdT,在298.2K~393.2K范圍內(nèi)積分計(jì)算,即:【7】H2和H5是恒溫變壓經(jīng)過的焓變。對(duì)于氣體O2和CO可近似視為理想氣體,理想氣體的熱力學(xué)能、焓僅僅僅是溫度的函數(shù),壓力對(duì)液體性質(zhì)的影響很小,一般可忽略。所以,H20,H50;因而,在393.2K和2.5MPa的實(shí)際反響條件下,化學(xué)反響(1)的焓變可根據(jù)關(guān)系式(2)計(jì)算,為H6=-368.6kJmol-1。同理,由熱力學(xué)第三定律,借助各物質(zhì)在298.2K的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵Sm及Cp,m等基礎(chǔ)熱數(shù)據(jù),對(duì)于單純的化學(xué)變化的熵變,根據(jù)S1=BBSB,m(298.2K)計(jì)算;單純溫度變化的S3和S4,根據(jù)S=Cp,mTdT基本公式計(jì)算;忽略壓力對(duì)液體性質(zhì)的影響,氣體O2和CO可視為理想氣體時(shí),單純壓力變化的S20,S50。[6,7]由關(guān)系式(3)能夠計(jì)算在393.2K和2.5MPa的實(shí)際反應(yīng)條件下,化學(xué)反應(yīng)(1)的熵變?yōu)镾6=-269.8Jmol-1。根據(jù)熱力學(xué)關(guān)系式G6=H6-TS6和G=-RTlnK,能夠計(jì)算反響(1)在393.2K和2.5MPa實(shí)際條件下的反響吉布斯函變和平衡常數(shù)分別為,G6=-262.5kJmol-1,K=7.471034。上述熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果講明,甲醇液相氧化羰化反響為放熱反響,溫度升高不利于平衡向產(chǎn)物方向移動(dòng)。但是,溫度太低時(shí),反響速率太小,影響生產(chǎn)效率。當(dāng)溫度升高到393.2K時(shí),已經(jīng)知道足生產(chǎn)實(shí)際效率的需要,此時(shí)反響的平衡常數(shù)為7.471034,極大地趨于產(chǎn)物?？梢?甲醇和CO的理論轉(zhuǎn)化率應(yīng)該很大。只要有高效的催化劑,該工藝的熱力學(xué)趨勢(shì)將極大地趨向產(chǎn)物碳酸二甲酯。通過上述化工開發(fā)實(shí)際案例的講授,學(xué)生能夠全方位梳理所學(xué)理論知識(shí)點(diǎn),提高對(duì)所學(xué)理論的認(rèn)知程度,同時(shí)了解實(shí)際化工工藝研發(fā)經(jīng)過,培養(yǎng)了應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的綜合能力。二、化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理的教學(xué)與應(yīng)用物理化學(xué)中動(dòng)力學(xué)的基本內(nèi)容是動(dòng)力學(xué)方程的建立,溫度、濃度及壓力等各種因素對(duì)反響速率的影響。課堂教學(xué)中講授了很多相關(guān)知識(shí),習(xí)題也做了不少。但學(xué)生對(duì)于動(dòng)力學(xué)方程的建立及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定僅局限于教學(xué)材料中的紙上談兵,不會(huì)詳細(xì)應(yīng)用。因而,課堂教學(xué)中仍以甲醇氧化羰化合成碳酸二甲酯的反響動(dòng)力學(xué)研究為例,進(jìn)行理論與科研實(shí)際相結(jié)合的案例式教學(xué)。甲醇氧化羰化合成碳酸二甲酯,其反響方程如(1)式,反響經(jīng)過中存在的副反響為CO2的生成反響:CO+1/2O2CO2(4)反響體系中的甲醇既做反響物又做溶劑,在單程反響經(jīng)過中甲醇的總量變化很小,可近似以為濃度不變。根據(jù)化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)方程的一般表示出式可得:[4]【8】反響進(jìn)行時(shí),可測(cè)定的物理量只要體系的總壓力和反響時(shí)間。體系的總壓包含CO,O2,CO2的分壓,以及甲醇、碳酸二甲酯和水的蒸氣壓。怎樣將不可測(cè)量的物理量反響物CO分壓隨時(shí)間的變化率,轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的物理量體系的總壓力隨時(shí)間的變化率,是建立該反響動(dòng)力學(xué)模型的關(guān)鍵,也是物理化學(xué)動(dòng)力學(xué)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生要重點(diǎn)把握的內(nèi)容。通過對(duì)此實(shí)際問題的詳細(xì)分析、討論,捋清怎樣用所學(xué)理論知識(shí)建立該反響體系動(dòng)力學(xué)模型的思路,引導(dǎo)學(xué)生通過分析、演繹得到動(dòng)力學(xué)方程:[8]pt=[(n-1)K(t+tc)]11-n+p0(6)式中的Pt是反響體系的總壓,能夠通過反響釜上的壓力表測(cè)定,t是時(shí)間,能夠用秒表記錄,n是反響總級(jí)數(shù),K是與速率常數(shù)有關(guān)的常數(shù)。將建立的動(dòng)力學(xué)方程與不同催化體系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,可得到不同催化體系的反響速率常數(shù)、反響級(jí)數(shù)及活化能等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。[8]【9】比照上述不同催化體系的速率常數(shù)、反響級(jí)數(shù),學(xué)生能夠清楚明晰了解到催化劑能夠明顯改變反響速率,但對(duì)反響級(jí)數(shù)沒有影響。參加有機(jī)含氮化合物后,CuCl的催化劑性能明顯提高,反響的活化能從單純CuCl催化劑的64.68kJ/mol降到以phen/CuCl為催化劑的44.31kJ/mol,所以,反響速度明顯提高,后者是前者的十倍。通過引入科研開發(fā)中用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的案例,學(xué)生能切實(shí)體會(huì)到所學(xué)理論對(duì)實(shí)際的指導(dǎo),開闊了視野,激發(fā)并培養(yǎng)了對(duì)科學(xué)研究的興趣及創(chuàng)新意識(shí)。三、結(jié)束語以上基本理論與實(shí)際案例相結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐,提高了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)質(zhì)量,學(xué)生在課間和課后能積極主動(dòng)地與教師討論和溝通,迫切希望介入教師的科研與開發(fā),表現(xiàn)出對(duì)本門課程學(xué)習(xí)的極大興趣,在作業(yè)和考試中對(duì)相關(guān)問題的理解和解決能力都有所提高。以下為參考文獻(xiàn):[1]朱志昂.物理化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方法的改革[J].大學(xué)化學(xué),2020,27(5):9-13.[