淺談標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓教學(xué)的拓展與延伸獲獎科研報(bào)告論文

淺談標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓教學(xué)的拓展與延伸獲獎科研報(bào)告論文【關(guān)鍵詞】課堂教學(xué)拓展延伸生成焓科學(xué)研究

【基金項(xiàng)目】重慶市教委化學(xué)特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目，長江師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（201107）。

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拓展延伸教學(xué)是素質(zhì)教育的一個(gè)重要方面，它不但可以鞏固所學(xué)知識、運(yùn)用知識解決相關(guān)實(shí)際問題，而且可以訓(xùn)練學(xué)生的技能技巧、促進(jìn)智力發(fā)展。如今，小學(xué)、初中和高中階段的新課標(biāo)與新教材要求教師積極開展拓展教學(xué)，對于高等教育階段的課堂教學(xué)來說，授課對象是即將步入社會或者繼續(xù)深造的本科生和研究生，因此更應(yīng)該注重教學(xué)的拓展延伸。然而，縱觀時(shí)下的課堂拓展教學(xué)，仍然存在一些問題。一種情況是部分老師畏首畏尾、不敢拓展，把拓展延伸視為在教學(xué)過程中簡單地進(jìn)行題型變換。而另一種情況是有些老師一味地追求課堂內(nèi)容的新鮮感，脫離了教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)狀況，無限制地拓展，導(dǎo)致許多學(xué)生不堪重負(fù)、一片迷惘。由此可見，教師應(yīng)該將拓展教學(xué)和教材內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間開展深度適宜的拓展延伸，著眼于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，這樣拓展教學(xué)才是有效而又成功的。對此，筆者根據(jù)大學(xué)理工科課程的特點(diǎn)和自己的科研經(jīng)歷，淺談物理化學(xué)課程中標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的拓展教學(xué)，意在拋磚引玉，以期更多的高校教師將科研成果運(yùn)用于課堂教學(xué)的拓展與延伸。

1.標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的作用與重要性

首先，了解一下標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的概念。在溫度為T的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下，由穩(wěn)定相態(tài)的單質(zhì)生成化學(xué)計(jì)量數(shù)νB=1的β相態(tài)的化合物B（β），該生成反應(yīng)的焓變即為該化合物B（β）在溫度T時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓[1]。通過學(xué)習(xí)物理化學(xué)教材，學(xué)生只知道標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓是計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓的基礎(chǔ)熱數(shù)據(jù)。這樣的認(rèn)識顯然是不夠的，有必要對標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的作用與重要性進(jìn)行拓展延伸。為此，筆者將自己在含能材料領(lǐng)域的科學(xué)研究作為拓展教學(xué)的資源。大家熟知的炸藥、推進(jìn)劑和煙火藥劑都屬于含能材料，生成焓是含能材料研發(fā)過程中涉及到的一個(gè)重要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，性能優(yōu)異的含能材料通常具有高的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。因此，生成焓可以作為評價(jià)含能材料性能的一項(xiàng)指標(biāo)。這樣就拓寬了學(xué)生對標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓重要性的認(rèn)識和理解。

2.標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的獲取方法

通過對教材內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解到憑借儀器設(shè)備可以測定各種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。但是，他們并不知道通過一些已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再加上必要的理論計(jì)算就能夠得到新物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。對于這個(gè)問題，可進(jìn)行如下的拓展教學(xué)。經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研得知，根據(jù)量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果可以預(yù)估氣相生成焓，歸納起來主要有三種方法。第一種方法[2]就是運(yùn)用已知的單個(gè)原子的氣相生成焓和計(jì)算得到的原子化能預(yù)估目標(biāo)化合物的氣相生產(chǎn)焓；第二種方法[3]是基于赫斯定律，結(jié)合量子化學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)所得信息計(jì)算目標(biāo)體系的氣相生產(chǎn)焓；第三種方法[4]主要是采用原子和基團(tuán)等效機(jī)制，此方法也需要大量與目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)生成焓。顯然，從理論上準(zhǔn)確預(yù)測物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓是非常有意義的，這可以節(jié)省大量的時(shí)間和資金。尤其是對于含能材料這類爆炸性物質(zhì)來說，實(shí)驗(yàn)上測定它們的生成焓具有一定危險(xiǎn)性，通過理論計(jì)算預(yù)估其標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓就更有必要了，據(jù)此可以預(yù)測新型含能材料的爆炸性能，為含能材料的設(shè)計(jì)與制備提供極具參考價(jià)值的理論信息。

3.代表物的理論標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓

通過前面的拓展教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)掌握了標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的重要作用，也知道可以從理論上計(jì)算物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。但是，他們對標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的理論模擬計(jì)算沒有直觀和清晰的認(rèn)識。接下來，以兩個(gè)具體的例子比較分析標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。

首先，講解一個(gè)已經(jīng)公開報(bào)道的關(guān)于含能材料生成焓的密度泛函理論估算的研究實(shí)例[5]。針對含能材料設(shè)計(jì)時(shí)缺乏生成焓的問題，2015年駱艷嬌運(yùn)用多種密度泛函方法計(jì)算了59種已知實(shí)驗(yàn)氣相生成焓的含能化合物。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得知，標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的最小平均絕對偏差僅為7.3kcal/mol，這表明采用合適的密度泛函方法和基組可以較準(zhǔn)確地預(yù)估含能化合物的氣相標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。

其次，為了讓同學(xué)們能夠?qū)⒊Ｒ娢镔|(zhì)的理論標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓與教材中收錄的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，同時(shí)了解理論計(jì)算過程的注意事項(xiàng)，筆者選擇最常見的無機(jī)物水和有機(jī)物甲烷作為代表物，采用上述第一種方法即原子化能法計(jì)算研究二者的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。由于物理化學(xué)教材中收錄的是298.15K下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，所以理論計(jì)算需要分兩步完成。第一步計(jì)算0K時(shí)物質(zhì)的生成焓，第二步計(jì)算298.15K時(shí)物質(zhì)的生成焓。通過查閱物理化學(xué)教材[1]的附錄得知，甲烷和水在298.15K下的氣相標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓分別為-74.81kJ/mol和-241.82kJ/mol。此外，本文利用Gaussian03軟件優(yōu)化甲烷和水分子的結(jié)構(gòu)，二者分別屬于Td點(diǎn)群和C2v點(diǎn)群。表1給出了各種理論計(jì)算水平下甲烷和水在298.15K時(shí)的氣相標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。

根據(jù)表1所列出的數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：（1）在密度泛函方法相同的情況下，基組對標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的計(jì)算值有較大影響，并且隨著基組的增大，標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的誤差基本上減小。（2）基組相同時(shí)，各種密度泛函方法的準(zhǔn)確度也存在很大差別。當(dāng)基組為6-311++G**時(shí)，對于甲烷和水來說，局域密度近似方法LSDA的誤差都是最大的，分別為250%和59%。而混合密度泛函方法B3LYP與廣義梯度近似方法PBE的誤差都比較小。（3）對于不同種類的化合物，計(jì)算生成焓的最佳方法可能也不一樣。如表1所示，采用PBE方法計(jì)算典型無機(jī)物水的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的誤差最小，僅為1%；采用B3LYP和PBE方法計(jì)算典型有機(jī)物甲烷的精度相當(dāng)，誤差均為8%。由此可見，運(yùn)用量子化學(xué)方法能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)估各種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，但首先必須對方法和基組進(jìn)行系統(tǒng)地篩選，這樣才能保證計(jì)算結(jié)果的正確性和可信度。

顯然，以上關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的拓展教學(xué)內(nèi)容主要還是一些純理論性的知識，這雖然可以增加學(xué)生的知識面、培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新思維，但是在訓(xùn)練學(xué)生實(shí)踐動手能力方面的作用不大。由于標(biāo)準(zhǔn)