物理化學(xué)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1、物理化學(xué)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用 化學(xué)化工學(xué)院 化學(xué)師范專(zhuān)業(yè) 徐佳 摘要：用物理化學(xué)中的知識(shí)討論了中學(xué)化學(xué)教學(xué)中關(guān)于書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)方程式時(shí)要注明物質(zhì)的狀態(tài)的原因，用不同反應(yīng)物或生成物表示的化學(xué)反應(yīng)速度存在的關(guān)系，壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響，陽(yáng)離子放電順序判別等問(wèn)題。得到了一些適用于中學(xué)教學(xué)的結(jié)論。關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；中學(xué)化學(xué)；應(yīng)用在中學(xué)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容中, 物理化學(xué)知識(shí)占了較大比重, 中學(xué)教學(xué)過(guò)程中和歷年高考題及競(jìng)賽題常遇到一些可應(yīng)用物理化學(xué)知識(shí)解決的問(wèn)題, 如判斷幾種離子共存的可能性, 金屬在溶液中的存在狀態(tài), 陰陽(yáng)離子的放電順序等, 教師苦于此類(lèi)題的解答, 學(xué)生也難于解題的繁雜。本文利用物理化學(xué)知識(shí)對(duì)有關(guān)問(wèn)

2、題作出解釋, 并給出了一些適合中學(xué)化學(xué)教學(xué)的規(guī)律。1 書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)方程式時(shí)要注明物質(zhì)的狀態(tài)的原因?qū)τ跉錃夂脱鯕獾姆磻?yīng), 中學(xué)化學(xué)中給出如下兩個(gè)方程式：2H2(氣) + O2(氣) = 2H2O（氣） + 483.6千焦 （1）2H2(氣) + O2(氣) = 2H2O（液） + 571.6千焦 （2）兩個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)熱為何存在如此大的差別, 中學(xué)化學(xué)中只是給出了定性的說(shuō)明, 即呈不同聚集狀態(tài)的物質(zhì)其能量不同1(P48)。實(shí)際上, 一冷反應(yīng)的反應(yīng)熱從理論上講可以由參加反應(yīng)的各物質(zhì)的生成熱來(lái)計(jì)算2(P30), 即Hm = VBHm,f(B)產(chǎn)物 - VBHm,f(B)反應(yīng)物 （3）由于穩(wěn)定單質(zhì)的生成熱

3、規(guī)定為零, 即Hm,f(H2,g)=0、Hm,f(O2,g)=0,液態(tài)水和氣態(tài)水的生成熱分別為Hm,f(H2O,l)=-285.8KJ.mol-1、Hm,f(H2O,g)=-241.8KJ.mol-1，將上述數(shù)值代入（3）式計(jì)算出反應(yīng)（1）、（2）的反應(yīng)熱分別為 Hm(1) = 2 (-241.8) = -483.6KJHm(2) = 2 (-285.8) = -571.6KJ負(fù)號(hào)表示反應(yīng)是放熱的, 這與(1)、(2)兩式中的”+”號(hào)是一致的?？梢?jiàn), 反應(yīng)(1)、(2)反應(yīng)熱的差別是由氣態(tài)水和液態(tài)水生成熱不同所致, 因生成熱是與物質(zhì)聚集狀態(tài)有關(guān)的物理量, 而生成熱的數(shù)值決定反應(yīng)熱的大小, 所以

4、在書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)方程式時(shí)必須注明各反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)。2 用不同反應(yīng)物或生成物表示的化學(xué)反應(yīng)速度存在的關(guān)系?；瘜W(xué)反應(yīng)的速度通常用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物或生成物濃度的變化來(lái)表示3(P2), 但用不同反應(yīng)物或生成物表示的反應(yīng)速度數(shù)值上存在差別并存在一定的關(guān)系, 例如下列反應(yīng) N2 + 3H2 = 2NH3 (4)可以用反應(yīng)物N2和H2的消耗速度(-dCN2/dt和-dCH2/dt)來(lái)表示反應(yīng)速度, 也可以用生成物的生成速度(-dCNH3/dt)表示反應(yīng)速度, 從反應(yīng)方程式可以看出, 由于每生成2molNH3, 需要消耗1molN2和3molH2,故NH3的生成速率應(yīng)該是N2消耗速率的二倍，是H2消耗速率的

5、2/3倍。即 dCNH3dt = -2dCN2/dt = -2/3dCH2/dt (5-a)或 1/2dCNH3dt = -dCN2/dt = -1/3dCH2/dt (5-b)可見(jiàn)我們可以選用反應(yīng)中任何一種物質(zhì)(反應(yīng)物或生成物)濃度的變化率來(lái)表示該反應(yīng)的速率, 但采用不同物質(zhì)的濃度變化率來(lái)表示時(shí), 反應(yīng)速率的數(shù)值各不相同, 它們之間存在(5-a)或(5-b)式所示的關(guān)系,即與反應(yīng)方程式中各物質(zhì)的計(jì)量系數(shù)之間存在定量的關(guān)系4(P274)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí), 通常采用容易測(cè)定的反應(yīng)物或生成物的濃度變化率來(lái)表示反應(yīng)速度。3 壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響理想氣體反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp與Ke均只是溫度的函數(shù), 不隨壓

6、力而改變。但Kx卻隨壓力而改變, 所以討論壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響必須從Kx與壓力的關(guān)系開(kāi)始。根據(jù)Kx = KpP - v (6)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)lnKx = lnKpP - vlnp (7)在溫度不變的條件下, 兩邊同時(shí)對(duì)壓力求導(dǎo)后可以看出，Kx隨p的變化關(guān)系與反應(yīng)方程中各物質(zhì)計(jì)量系數(shù)的代數(shù)和v有關(guān),分以下幾種情況：對(duì)于v 0的反應(yīng)，如2SO3 = 2SO2 + O2 v=1 (10)則Kx隨壓力增加而減小, 平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng), 有利于SO3的生成;反之,隨著壓力的減小, Kx卻增大, 平衡向正反應(yīng)的方向移動(dòng), 有利于SO2的生成。4 陽(yáng)離子放電順序判別中學(xué)化學(xué)中判斷陽(yáng)離子放電順序是一個(gè)既重要

7、又困難的問(wèn)題, 什么離子先放電?幾種不同離子共存時(shí), 誰(shuí)先被還原?尤其是析出H2的順序等, 這些間題屢屢在中學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)。這里, 我們以中學(xué)教學(xué)中金屬活動(dòng)性順序表為基礎(chǔ), 從離子析出電位的角度來(lái)討論陽(yáng)離子放電順序, 尤其是析出H2的順序。中學(xué)常根據(jù)金屬活動(dòng)性順序來(lái)判斷金屬的活潑性,事實(shí)上,在電解金屬鹽類(lèi)水溶液時(shí)究竟發(fā)生了什么反應(yīng),是析出H2還是金屬,還是哪類(lèi)金屬離子先放電, 不僅要考慮它們的平,亦要考慮一定電流密度下的超電勢(shì), 陽(yáng)離子在陰極的析出電勢(shì)為5:陽(yáng)，析 = 平 陰 且平 = + 0.0592/nlgCmm+故 陽(yáng)，析 = + 0.0592/nlgCmm+ -陰電極上先進(jìn)行還原反應(yīng)的是

8、陽(yáng)，析較大(或負(fù)值較小)的反應(yīng)。下面討論金屬的析出順序：在酸性條件下, 使用惰性電極(此時(shí)金屬和氫在電極上過(guò)電位0) , 若Mn+ = 1mol/L時(shí)，則陽(yáng)，析 = ，此時(shí)可用離子標(biāo)準(zhǔn)電位判斷放電順序, 此順序表為： K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Fe2+ H+ Cu2+ Hg2+ Ag+該順序表與金屬活動(dòng)性順序表基本一致5, 按此規(guī)律, 學(xué)生們很容易作出離子放電順序的判斷, 如溶液中存在Zn2+、Mg2+、Fe2+、Cu2+、H+等離子誰(shuí)先放電, 放電順序又怎樣？此時(shí)只要查找它們各自的值(分別為： -0.7628V,-2.363V,-0.4402V,0.3370V,+

9、0.000V)6按陰極析出規(guī)律, 就很容易判斷出它們的析出順序?yàn)? Mg2+ Zn2+ Fe2+ H+ Cu2+。若CMn+1mol/L時(shí)，就應(yīng)考慮濃度對(duì)放電順序的影響, 尤其是當(dāng)兩種金屬離子的差值不太大時(shí), 很可能會(huì)因濃度變化而引起兩種離子CM1n+、CM2n+放電順序的改變, 如Ag+、Hg22+兩種離子, 若濃度C1 =C2=1mol/L時(shí)，按照判斷, Ag+先放電；若Hg22+濃度C2增加, 當(dāng)滿足0.0592/nlgC2/C1(1-2)時(shí)（其中：1-2 =Ag+/Ag-Hg22+/Hg）,便會(huì)改變?cè)瓉?lái)的析出順序而先析出Hg。按照與上式的同樣方法, 我們可得公式:0.0592/nlgC2/C1 = (11)由（11）式可計(jì)算出不同價(jià)數(shù)（n值）的離子因濃度從C1變化為C2而引起電極電位的改變值 。則c2 =c1 + ，若C1=1mol/L,則c2 =c+ 根據(jù)濃度對(duì)不同價(jià)數(shù)離子電位的影響圖，可查找出若要改變離子的放電順序（在可能的范圍內(nèi)）所需的離子濃度。因此, 前面的離子放電順序在考慮離子濃度的影響時(shí)就可能引起局部的變動(dòng)。教師在掌握這些原理后, 就能靈活解決教學(xué)中離子放電的有關(guān)問(wèn)題。參考文獻(xiàn)：1高級(jí)中學(xué)課本.化學(xué)(第一冊(cè))M.北京:人民教育出版社, 1994.2上海師范大學(xué)等編.物理化學(xué)(第三版, 上冊(cè))M.北京:高等教育出