大學(xué)化學(xué)中的案例教學(xué)

摘 要：大學(xué)化學(xué)課程信息量大、知識(shí)點(diǎn)多、面廣，而且學(xué)時(shí)數(shù)有限，在教學(xué)過程中引入“案例教學(xué)法”，將課本上很多的知識(shí)點(diǎn)通過一個(gè)典型例子有機(jī)地聯(lián)系起來，從而取得良好的教學(xué)效果。該文以氫氧化合反應(yīng)為例，將化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、氧化還原反應(yīng)、電化學(xué)、清潔能源氫燃料電池以及其在軍事中的應(yīng)用等知識(shí)點(diǎn)有機(jī)聯(lián)系起來，對(duì)大學(xué)化學(xué)的課堂教學(xué)將起到事半功倍之效。

關(guān)鍵詞：大學(xué)化學(xué) 案例教學(xué) 氫氧化合反應(yīng)

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2014）01（a）-0084-01

大學(xué)化學(xué)是一門涵蓋無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等豐富知識(shí)的基礎(chǔ)課程，知識(shí)點(diǎn)多、面廣。作為我校的一門全校性公共基礎(chǔ)課，除少數(shù)文科專業(yè)的學(xué)生外，絕大部分專業(yè)的學(xué)生都要學(xué)習(xí)這門課程。因此，學(xué)生構(gòu)成比較復(fù)雜，既有高中學(xué)理科甚至參加過中學(xué)生化學(xué)奧林匹克競(jìng)賽的學(xué)生，也有高中階段幾乎沒有學(xué)過化學(xué)的學(xué)生。授課中學(xué)生反映，部分學(xué)生習(xí)慣于高中學(xué)習(xí)階段化學(xué)少而精的知識(shí)學(xué)習(xí)模式，對(duì)大學(xué)化學(xué)信息量大、知識(shí)點(diǎn)多的授課特點(diǎn)不適應(yīng)，學(xué)習(xí)上面臨著困難。

針對(duì)大學(xué)化學(xué)課程的這一特點(diǎn)，以及目前學(xué)時(shí)數(shù)的限制，在化學(xué)教學(xué)中引入“案例教學(xué)法”，引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識(shí)對(duì)案例進(jìn)行分析，將課本上很多的知識(shí)點(diǎn)通過一個(gè)典型例子有機(jī)地聯(lián)系起來，從而取得更好的教學(xué)效果。案例教學(xué)法起源于1918年，由美國哈佛大學(xué)工商管理研究院首創(chuàng)，是在教學(xué)過程中，運(yùn)用事例激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的一種教學(xué)方法。[1～3]下面以氫氧化合反應(yīng)為案例，來聯(lián)系大學(xué)化學(xué)中的多方面內(nèi)容，從而對(duì)該案例進(jìn)行全面的綜合分析。氫氣和氧氣反應(yīng)生成水是學(xué)生在剛開始接觸化學(xué)就學(xué)習(xí)過的簡單的化學(xué)反應(yīng)，以之為例可以聯(lián)系大學(xué)化學(xué)課程中多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，使同學(xué)們更好地聯(lián)系和掌握大學(xué)化學(xué)中的內(nèi)容，提高教學(xué)效果。

氫氧化合反應(yīng)方程式：

1 與化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)的聯(lián)系

（1）氫氣的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓。

1 mol標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的某物質(zhì)B完全燃燒（或完全氧化）生成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的生成物的反應(yīng)熱效應(yīng)稱為該物質(zhì)B的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓，用符號(hào)表示。所以此化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)就等于氫氣的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓。

（2）水的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。

標(biāo)準(zhǔn)壓力下，在進(jìn)行反應(yīng)的溫度時(shí)，由最穩(wěn)定的單質(zhì)合成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 mol物質(zhì)時(shí)的反應(yīng)熱，稱為該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，用符號(hào)表示。所以此化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)就等于氫氣的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓。

（3）該化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)如何？

化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)可以有以下兩種計(jì)算方法：用標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓計(jì)算，

則=；

用標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓計(jì)算，則：

。

（4）該反應(yīng)室溫下（298 K）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下能否自發(fā)進(jìn)行？

等溫等壓條件下，封閉系統(tǒng)不做非體積功時(shí)，化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)是其吉布斯（Gibbs）自由能變是否小于零。即

<0，所以該反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，且趨勢(shì)很大。

2 與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的聯(lián)系

（1）這是一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，為什么兩者混合的氣體在室溫下長時(shí)間也觀察不到水生成？

盡管氫氧化合反應(yīng)在常溫下是一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，但是由于兩者的反應(yīng)的活化能非常高，因此，室溫下的反應(yīng)速率極其小，幾乎不反應(yīng)，以至于在長時(shí)間后也觀察不到水的生成。

（2）為什么點(diǎn)燃后能迅速反應(yīng)，甚至發(fā)生爆炸？

通過點(diǎn)燃，使氫氧混合物獲得初始反應(yīng)的能量，氫氣解離成兩個(gè)自由基，這種自由基具有非常強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性，成為反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行的活化中心，從而進(jìn)行快速的熱-鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（也叫鏈鎖反應(yīng)）。如果氫氣和氧氣混合物的比例在氫氣爆炸界限范圍內(nèi)（4%～74%），則可能發(fā)生爆炸。

3 與氧化還原反應(yīng)和電化學(xué)的聯(lián)系

（1）這是一個(gè)氧化還原反應(yīng)，氫氣是還原劑，被氧化，氧氣是氧化劑被還原。

（2）可做氫燃料電池，半電池反應(yīng)如何？電池符號(hào)如何表達(dá)？標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)是多少？

任何的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池，現(xiàn)在利用氫燃料制備氫燃料電池是清潔能源發(fā)展的一個(gè)重要方向。該電池的電池反應(yīng)如下：

負(fù)極

正極

電池總反應(yīng)，

與氫氧化合反應(yīng)方程相同。

電池符號(hào)可用下式表示：（—）C|H2（p）|KOH（aq）|O2（p）|C（+），該電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)Ecell=φ（+）-φ（-）=0.401-（-0.827）=1.228V，也可以根據(jù)吉布斯自由能變計(jì)算Ecell =1.229 V。

（3）在電池中不能點(diǎn)燃，如何解決氫氧化合反應(yīng)速率慢的問題？

可以通過催化法，提高反應(yīng)的速率。催化劑是一種能改變化學(xué)反應(yīng)速率，其本身在反應(yīng)前后質(zhì)量和化學(xué)組成均不改變的物質(zhì)。所以在燃料電池中，為了便于進(jìn)行電極反應(yīng)，要求電極材料兼具有催化劑的特性，可用多孔碳、多孔鎳和鉑、銀等貴金屬作電極材料。

（4）燃料電池中能量轉(zhuǎn)換效率如何？

燃料電池是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的工作原理不同，燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率不受卡諾（Carnot）循環(huán)的限制，而是取決于化學(xué)反應(yīng)的吉布斯（Gibbs）自由能和反應(yīng)熱。燃料電池的理論極限效率。由于電極極化損失、內(nèi)阻和燃料利用率等因素影響，燃料電池的實(shí)際發(fā)電效率可以達(dá)到60%～80%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的發(fā)電方式（發(fā)電效率不超過50%）。則標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，298 K時(shí)氫燃料電池的理論極限效率為。

4 與軍事應(yīng)用的聯(lián)系

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是運(yùn)載火箭等航天飛行器和各種戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，而推進(jìn)劑則是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的能源。雙組份液體火箭推進(jìn)劑由于氧化劑和燃料分別裝在兩個(gè)獨(dú)立儲(chǔ)箱中，使用比較安全，是目前火箭、導(dǎo)彈動(dòng)力系統(tǒng)中使用最多的液體推進(jìn)劑組合。其中氧化劑使用的較多的是液氧，而液氫是其最常用的燃料之一。氫氣和氧氣在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中進(jìn)行燃燒，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生高溫高壓氣體。這些氣體在噴管中進(jìn)行絕熱膨脹，把釋放出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，通過以上分析可以看到，該案例很好地將化學(xué)反應(yīng)的基本規(guī)律（化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)以及氧化還原反應(yīng)）及其應(yīng)用（燃料電池、火箭動(dòng)力）等知識(shí)聯(lián)系起來，進(jìn)一步深化該案例還可以引入物質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面的相關(guān)內(nèi)容。

本科教學(xué)中一個(gè)很重要的任務(wù)就是教師在課堂教學(xué)中要自覺引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，在課堂中引入簡單的例子，而從不同的角度對(duì)其進(jìn)行分析，聯(lián)系多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于學(xué)生掌握書本知識(shí)，增強(qiáng)綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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