促進物理化學教學質量的改革措施,化學教學論文

促進物理化學教學質量的改革措施,化學教學論文物理化學是高等學?；瘜W、化工、材料、環(huán)境、生物及能源等理工科專業(yè)學生必修的一門基礎理論課。該課程不僅能使學生對所學的無機化學、分析化學、有機化學等基礎化學知識從理性上加以提高,而且為后續(xù)的化工原理、化學反響工程、功能高分子、新能源等課程打下了必要的數(shù)理基礎,其重要性不容置疑。因而,為了提高物理化學教學質量,很多從事該課程教學的老師嘗試了各種改革措施。[1-3]本文從培養(yǎng)和提升學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力出發(fā),在課堂教學中引入化工研發(fā)的詳細案例,這種理論與實際嚴密聯(lián)絡的案例式教學形式,既能向學生教授知識,又能通過對實際問題的分析與探尋求索,激發(fā)學生的求知欲。一、化學熱力學原理的教學與應用化學熱力學既是物理化學的重點也是難點。這部分內容概念多、公式多,且抽象不好理解、不易把握。假如課堂教學中只注重講解基本概念、數(shù)學推導及理論計算,學生不僅會感到枯燥乏味,而且也不知道所學理論有何應用,最終影響學習興趣和對知識點的把握。為此,我們在課堂教學中,引入化工開發(fā)中的實際例子,構成了理論與應用相結合的教學形式?；瘜W熱力學的中心就是討論化學變化的方向、限度及變化經(jīng)過中的能量交換等問題,牽涉U、H、S及G等熱力學量的諸多公式推導及計算。很多公式靠死記硬背是不可能正確把握的,當使用條件稍有改變就會用錯。如Kirchhoff公式:【1】其在化工工藝開發(fā)中常用于能量交換的計算。但是,該公式適用于298.15KT的溫度范圍內,介入反響的各組分只要溫度變化的簡單經(jīng)過。[4]而實際的化學反響體系經(jīng)常是一個既有化學變化,也有相變化、溫度變化及壓力變化的復雜經(jīng)過。學生對于復雜變化經(jīng)過中,相關熱力學量的計算很難把握準確。為此,課堂教學中引入化工開發(fā)中的熱力學計算實例,有助于學生對所學知識點的理解和把握。如碳酸二甲酯(DMC)綠色合成工藝的開發(fā),其反響方程為:【2】碳酸二甲酯分子構造中由于有甲氧基、羰基、甲基等多種官能團,且無毒,所以是一種應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)中既有化學變化,也有相變化、溫度變化及壓力變化。怎樣用化學熱力學的基本理論,推算實際反響體系的rHm、rSm、rGm及K等熱力學量,是開發(fā)該工藝的重要理論根據(jù)?；瘜W熱力學的計算中常用到狀態(tài)函數(shù)法,即在一樣的始、終狀態(tài)之間將復雜經(jīng)過分解成若干個單因素變化的簡單經(jīng)過,如此圖1?！?】在常壓下,反響物甲醇及產物碳酸二甲酯和水的沸點分別為337.7K、363.5K和373.2K,根據(jù)Clausius-Clapeyron方程:【4】可估算,在2.5MPa時的沸點分別為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)變化設計合理。由于狀態(tài)函數(shù)只與狀態(tài)有關,其改變量與變化的途徑無關。所以,存在以下關系:【5】華而不實,H1是在298.2K,0.1MPa條件下單純化學變化經(jīng)過的焓變。根據(jù)化學反響的標準摩爾反響焓rHm、標準摩爾生成焓fHm、標準摩爾燃燒焓cHm等概念及相互的關系,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的概念及應用,通過下述基本公式:H=Cp,mdT,在298.2K~393.2K范圍內積分計算,即:【7】H2和H5是恒溫變壓經(jīng)過的焓變。對于氣體O2和CO可近似視為理想氣體,理想氣體的熱力學能、焓僅僅僅是溫度的函數(shù),壓力對液體性質的影響很小,一般可忽略。所以,H20,H50;因而,在393.2K和2.5MPa的實際反響條件下,化學反響(1)的焓變可根據(jù)關系式(2)計算,為H6=-368.6kJmol-1。同理,由熱力學第三定律,借助各物質在298.2K的標準摩爾熵Sm及Cp,m等基礎熱數(shù)據(jù),對于單純的化學變化的熵變,根據(jù)S1=BBSB,m(298.2K)計算;單純溫度變化的S3和S4,根據(jù)S=Cp,mTdT基本公式計算;忽略壓力對液體性質的影響,氣體O2和CO可視為理想氣體時,單純壓力變化的S20,S50。[6,7]由關系式(3)能夠計算在393.2K和2.5MPa的實際反應條件下,化學反應(1)的熵變?yōu)镾6=-269.8Jmol-1。根據(jù)熱力學關系式G6=H6-TS6和G=-RTlnK,能夠計算反響(1)在393.2K和2.5MPa實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。上述熱力學計算結果講明,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物方向移動。但是,溫度太低時,反響速率太小,影響生產效率。當溫度升高到393.2K時,已經(jīng)知道足生產實際效率的需要,此時反響的平衡常數(shù)為7.471034,極大地趨于產物?？梢?甲醇和CO的理論轉化率應該很大。只要有高效的催化劑,該工藝的熱力學趨勢將極大地趨向產物碳酸二甲酯。通過上述化工開發(fā)實際案例的講授,學生能夠全方位梳理所學理論知識點,提高對所學理論的認知程度,同時了解實際化工工藝研發(fā)經(jīng)過,培養(yǎng)了應用理論知識解決實際問題的綜合能力。二、化學動力學原理的教學與應用物理化學中動力學的基本內容是動力學方程的建立,溫度、濃度及壓力等各種因素對反響速率的影響。課堂教學中講授了很多相關知識,習題也做了不少。但學生對于動力學方程的建立及動力學參數(shù)的測定僅局限于教學材料中的紙上談兵,不會詳細應用。因而,課堂教學中仍以甲醇氧化羰化合成碳酸二甲酯的反響動力學研究為例,進行理論與科研實際相結合的案例式教學。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)化學反響動力學方程的一般表示出式可得:[4]【8】反響進行時,可測定的物理量只要體系的總壓力和反響時間。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。怎樣將不可測量的物理量反響物CO分壓隨時間的變化率,轉化為可測量的物理量體系的總壓力隨時間的變化率,是建立該反響動力學模型的關鍵,也是物理化學動力學課堂教學與實驗教學中學生要重點把握的內容。通過對此實際問題的詳細分析、討論,捋清怎樣用所學理論知識建立該反響體系動力學模型的思路,引導學生通過分析、演繹得到動力學方程:[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定,t是時間,能夠用秒表記錄,n是反響總級數(shù),K是與速率常數(shù)有關的常數(shù)。將建立的動力學方程與不同催化體系的實驗數(shù)據(jù)擬合,可得到不同催化體系的反響速率常數(shù)、反響級數(shù)及活化能等動力學參數(shù)。[8]【9】比照上述不同催化體系的速率常數(shù)、反響級數(shù),學生能夠清楚明晰了解到催化劑能夠明顯改變反響速率,但對反響級數(shù)沒有影響。參加有機含氮化合物后,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)中用理論知識解決實際問題的案例,學生能切實體會到所學理論對實際的指導,開闊了視野,激發(fā)并培養(yǎng)了對科學研究的興趣及創(chuàng)新意識。三、結束語以上基本理論與實際案例相結合的教學實踐,提高了相關知識點的教學質量,學生在課間和課后能積極主動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)出對本門課程學習的極大興趣,在作業(yè)和考試中對相關問題的理解和解決能力都有所提高。以下為參考文獻:[1]朱志昂.物理化學課程教學內容和教學方式方法的改革[J].大學化學,2020,27(5):9-13.[