基本理論與科研應用結合的物理化學教學實例

摘 ?要：針對物理化學教學內容基礎性和理論性強的問題，作者在課程中將科研應用與課程內容結合，使學生認識到基本理論的重要性，提高對課程的學習興趣，從而更好地掌握課程中的基本概念和規律。這種教學方式同時拓寬了學生的視野，培養了學生的創新科研意識。

關鍵詞：物理化學;科研應用;光催化;潤濕方程;量子點

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）01-0112-04

Abstract： Because the course of Physical Chemistry includes the basic and classical theories of chemistry， we developed a teaching method by combining the research applications with course contents. Our teaching design enables the students to realize the importance of basic theories and improve their interest on the course， which made the students better grasp the basic concepts and rules. At the same time， this teaching method broadens the students' horizon and cultivates students' consciousness of innovative scientific research.

Keywords： physical chemistry; application; photocatalysis; wetting equation; quantum dot

物理化學是化學、材料、能源以及環境等專業本科生的基礎理論課之一[1]。課程內容包括化學熱力學、化學平衡、相平衡、電化學、動力學、表面化學和膠體化學七大版塊[2]。課程中的基本理論和規律對于推動多專業創新交叉人才的培養，支撐理工科發展的基礎理論以及從根源上來開展基礎研究等方面有著極其重要的意義和作用。物理化學的基本理論已廣泛應用于新材料的合成、新能源的設計、高效催化劑的制備以及生物體系的探索等諸多領域。將這些科研應用與授課內容結合，不僅能夠使學生更深入地理解課程中的概念、模型以及基本規律，而且能夠拓寬學生的視野，培養學生的創新意識[3]。

在本文中，作者介紹了科研應用與化學動力學、表面化學以及膠體化學教學內容結合的教學設計。如圖1所示，在講授一級反應的動力學特征時，將光催化降解有機物反應引入課堂，引導學生利用課程知識研究光催化反應的動力學特征。在講授表面張力和楊氏潤濕方程時，利用上述概念和方程來推導粗糙“濕接觸”表面的Wenzel方程。在討論膠團模型和膠體穩定理論知識點時，分析如何利用基本理論來設計制備穩定的膠體量子點。這種基礎理論與科研應用結合的教學設計使學生認識到課程內容對科研應用的指導作用，從而反思課程中基礎理論的重要性，有利于課堂教學。作者在下文中對這三個教學實例進行詳細的介紹。

一、將簡單一級反應的動力學特征與光催化降解有機物反應結合的教學設計

具有簡單級數（零級、一級、二級和三級）反應的速率方程和動力學特征是化學動力學重要的教學內容之一。例如，對于具有簡單級數的一級反應[4]：

因此，對于一個未知反應，如果在反應過程中反應物濃度的變化滿足上述速率方程，即反應速率和反應物濃度的一次方成正比，則該反應是一級（或準一級）反應。

為了使學生更好地理解如何利用反應速率方程來判斷未知反應的反應級數，作者把光催化降解有機物反應引入課堂。光催化技術是利用光能來分解有機污染物的一門新興技術，具有高活性、低成本、良好的化學穩定性以及綠色環保等優點，為治理環境污染提供了一條行之有效的途徑。光催化的研究開始于“藤島-本多”效應，其基本原理是光催化劑（如二氧化鈦）在光照射下吸收一個光子后，電子由價帶躍遷到導帶上，同時在價帶上產生一個帶正電的空穴。光生電子和空穴能夠和氧氣、水反應產生強氧化性的中間體（如羥基自由基、超氧自由基和過氧化氫）。這些中間體在常溫常壓下能夠有效氧化水或空氣中的有機污染物[5]。

苯酚是工業廢水中常見的有機污染物之一。在紫外光照射下，利用光催化劑，苯酚被分解為CO2的總反應如下：

在上述光催化反應過程中，需對溶液進行連續空氣鼓泡，因此氧氣的濃度可認為保持不變。反應速率僅和苯酚的濃度有關。通過測量反應過程中苯酚濃度和反應時間之間的關系，可以確定上述光催化反應的級數[6]。

圖2A是苯酚起始濃度c0=21mg/L的水溶液在光催化降解過程中，苯酚濃度（c）隨反應時間（t）的變化曲線。苯酚濃度可利用高壓液相色譜來測定。隨著光催化反應的進行，苯酚的濃度逐漸下降，說明苯酚能夠被光催化分解。進一步計算出不同反應時間下的ln（c0/c）值，c0為苯酚的起始濃度[6]，發現ln（c0/c）與t呈線性關系（圖2B），說明苯酚的光催化降解是準一級反應，反應的速率常數為圖2B中的斜率，即k=0.215h-1。上述課程設計能夠使學生更好地理解化學動力學基本原理在探索新型反應動力學機理方面的作用，提高學生對學習基本原理的興趣。

二、利用表面張力和楊氏潤濕方程推導粗糙“濕接觸”表面Wenzel方程的教學設計

表（界）面張力和表面自由能是表面物理化學的兩個基本概念。表面張力指的是在兩相（特別是氣-液）界面上，作用于單位長度上的力，用γ表示，單位是N·m-1。表面自由能指的是在溫度、壓力和組成保持不變的情況下，增加單位表面積時，體系Gibbs自由能的增加值，用γ表示，單位是J·m-2。表面張力和表面自由能是從“力”和“能”的角度引出的兩個不同的概念，它們的單位和數值相同[4]。

即：γ表面張力=γ表面自由能

液體在固體表面形成的液滴的形狀，主要是由各個界（表）面張力的大小決定的。楊氏潤濕方程給出了液體在固體表面的接觸角和各個界面張力之間的關系[4]。如圖3左圖所示，液滴達到平衡時，A點受力平衡：

液體在固體表面形成的液滴的接觸角表達式（楊氏方程）為：

楊氏潤濕方程適用于光滑固體表面液體接觸角的計算。研究表明，將一液滴置于一個粗糙的固體表面，實驗測得的液滴接觸角（即表觀接觸角θr）無法用楊氏潤濕方程來描述。利用表面自由能的概念和楊氏潤濕方程可以推導出表觀接觸角θr的表達式。如果液體能夠填滿粗糙表面的凹槽（圖3右圖），這種表面稱為“濕接觸”表面[7]。在等溫、等壓條件下，液滴（固液接觸界面的直徑為D）在粗糙表面發生微小（dx）可逆鋪展引起的自由能變化主要來自3個界面：固液界面增加，固氣界面減少，液氣界面增加。粗糙度因子r為實際的固-液接觸表面積與表觀的固-液接觸表面積之比。液滴鋪展引起的自由能變化（dG）可表示為：

可逆鋪展：dG=0

結合楊氏潤濕方程，液滴在粗糙固體表面表觀接觸角θr的表達式如下：

式中，θ為液滴在相同材料光滑固體表面的接觸角。上式是由Wenzel提出的用于描述液滴在粗糙固體表面表觀接觸角的Wenzel方程。此方程表明，對于“濕接觸”固液界面，增加表面的粗糙度能夠使親水表面（θ<90°）更加親水，使疏水表面（θ>90°）更加疏水。正是基于Wenzel方程這一基本原理，實際科研工作中常用增加表面粗糙度的方法來構筑超疏水或超親水表面[8]。

三、利用膠團模型和膠體穩定理論設計制備穩定膠體量子點的教學設計

膠團模型是膠體化學的一個核心概念。膠團的電學性質取決于膠核表面和膠粒界面[9]。膠體的穩定性取決于粒子之間吸引和排斥能量之和。在膠核不變的情況下，隨著電解質濃度降低，膠粒的雙電層變厚（ζ電勢增加），膠粒之間的排斥力增加，膠體變得更加穩定。在膠核表面引入電荷，同樣能夠增加膠核表面雙電層的厚度（ζ電勢增加），有利于膠體的穩定。在膠核表面包覆有機配體、表面活性劑或聚合物，有機物的空阻效應能夠減少膠核之間的引力，從而提高膠體的穩定性。

上述理論能夠指導合成穩定的膠體量子點溶液。膠體量子點（如CdS、CdSe和CdTe等）是一種重要的零維半導體材料，顆粒大小小于10nm。由于其獨特的熒光性質，在生物標記、發光二極管以及太陽能電池等領域有廣泛的應用。制備穩定的膠體量子點是實現上述應用的前提[10]。高質量熒光量子點的膠核通常不帶電荷，粒子之間的吸引力使量子點膠體有聚沉的趨勢。在科學研究中，需對量子點表面進行配體修飾來減少膠核之間的引力，從而制備穩定性的量子點膠體。文獻利用含巰基的“樹枝狀”分子對CdSe量子點進行表面包覆，得到穩定的水溶性膠體量子點（圖4）。“樹枝狀”分子不僅降低了量子點之間的引力，同時能夠阻止液相中氧氣分子對量子點的光氧化作用，提高膠體在光照下的穩定性[11]。圖4表明，“樹枝狀”分子的分支越多，包覆之后的CdSe膠體量子點就越穩定。在紫外光照射下，CdSe膠體量子點的特征激子吸收（吸光度OD）在40小時之內保持基本不變。上述量子點穩定性的前沿研究能夠使學生更好地理解膠團模型和膠體穩定理論。

四、教學效果

通過在物理化學課程中引入光催化降解有機物反應、粗糙“濕接觸”表面Wenzel方程的推導以及膠體量子點穩定性三個科研應用實例，使學生認識到基本理論能夠應用于科研應用，培養了學生的創新意識。學生成績有所改善，優秀率提高至10%以上。2016、2017、2018和2019年期末考試優秀率分別為5%、6.52%、11.11%和10%。學生能夠初步將物理化學基本原理與科學研究和實際應用相聯系，增強了自身的創新意識以及科學探索精神。作者指導本科生在北京市高校大學生化學實驗競賽和北航“馮如杯”學生學術科技作品競賽中獲獎，參加全國大學生創新創業訓練計劃。作者也獲得大學生學科競賽“優秀指導教師”、馮如杯“優秀指導教師”榮譽稱號。在以后的授課過程中，我們將會繼續挖掘科學研究和實際應用中的基本物理化學原理，完善課程設計，使師生得到共同成長。

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