《物理化學》課程中啟發式教學

吳 霞，齊艷杰，周 瑞，陜 潔

（昌吉學院 化學與化工學院，新疆昌吉 831100）

物理化學是大多數理工科、綜合類院校開設的專業基礎必修課程，課程內容包含化學熱力學、電化學、化學動力學、表面化學、界面化學等，具有極強的理論性、邏輯性和實踐性。本文將物理化學專業知識與生產生活中的常識、實踐經驗結合，不僅增加了物理化學課程的趣味性，同時提高了學生的積極性，還培養了學生理論聯系實際的能力，實現理論與實踐相統一，為物理化學課程多元化教學提供一定的依據。

1 熱力學定律的應用

熱力學是自然科學中建立最早的學科之一，主要包括熱力學三大定律，三大定律是建立在人類長期的社會生產經驗基礎和科學實驗基礎上的，因此本節主要將熱力學理論知識和日常經驗結合起來綜述，讓熱力學知識更加貼近生活，增加理論知識趣味性的同時也使得理論知識通俗易懂[1-3]。

1.1 克勞修斯不等式

熱力學第二定律可以用來判斷某個過程發生的方向以及限度問題。由熱力學第二定律的數學表達式即克勞修斯不等式：

可知，在可逆過程中熵變等于熱溫商；在不可逆過程熵變大于熱溫商。把克勞修斯不等式推廣至絕熱系統，則上式變為dS≥0，即系統在絕熱狀態下只可能發生熵增加（不可逆）或者熵不變（可逆）過程，不可能發生熵減小過程，這就是熵增加原理。根據熵的定義式：

其中Ω代表系統的混亂度，說明熵變和系統的混亂度成正比，結合克勞修斯不等式，即系統總是自發地朝著混亂度增加的方向反應[3]。將以上理論知識和生活中的實際情況結合，比如“病來如山倒，病去如抽絲”可以用熵增原理解釋：病毒攻擊人的免疫系統使人的系統變混亂，這是一個熵增加過程；反之可以用藥物等治療手段殺死病毒從而使人的系統恢復正常即從混亂變得有序屬于使熵減小的過程，該過程很難，因而耗時相對較長。“從善如登，從惡如崩”也從人性變化的哲學角度揭示了熵變化的原理，想要一直保持善良像登山一樣難，想要變壞就是一瞬間，因此也有“浪子回頭金不換”一說。

1.2 化學勢

熱力學第二定律中另一個重要的應用即為化學勢的大小可以判斷化學反應的方向，溶液的化學勢公式：

當xA小于1時，LnxA小于0，因此經計算溶液的化學勢小于純溶劑的化學勢。當采用溶劑分子可透過的半透膜將溶液和純溶劑隔開后，溶劑轉移的方向是從純溶劑向稀溶液滲透，直到稀溶液無限稀釋，即純溶劑的化學勢近似等于稀溶液的化學勢，滲透現象停止[3-4]。P-P*= 我們可以利用這一現象，增大溶液上方的壓力使之與純溶劑的壓力差大于滲透壓就會發生反滲透。如圖所示，左邊為海水，右邊為純水，當在海水上方施加的外壓大于溶液與純溶劑的滲透壓時，海水中的溶劑（水）就會反滲透到右邊，完成海水脫鹽實現海水淡化。

圖1 海水淡化示意圖

1.3 稀溶液中的依數性

非揮發性溶質的溶液其溶劑蒸汽壓的下降、沸點升高及涉滲透壓都只和溶質粒子的質點數有關，與其他物理量無關[5]。例如稀溶液的凝固點降低公式為

其中Kf為溶劑的凝固點降低系數，只和溶劑的性質有關；bB為溶質的質量摩爾分數，可以解讀只有非揮發性溶質的多少影響溶劑的凝固點[3-6]。在北方下雪天，為了減少道路上交通事故的發生，會在道路上撒鹽，鹽和雪形成鹽水，而鹽又是非揮發性溶質，會使水的凝固點降低，因此雪溶劑融化，降低了道路的濕滑，從而可以減少交通事故的發生。天冷之后大部分水果會變甜也遵循凝固點降低原理。比如有名的新疆的阿克蘇冰糖心蘋果，在農歷十一月下雪之后口感最佳，究其根本原因就是蘋果內部的淀粉為了降低凝固點轉化為糖，當溫度越低，ΔTf越大，根據凝固點降低公式，溶質的質量分數越大，即糖分越多。

2 電化學

干電池耗電完了，都會用牙咬一咬或者用腳踩一踩，然后電池又能放電，如此反復幾次之后再受外力擠壓，電池也不再放電，為什么？手機剛買回來充一次電能待機幾十小時，用一至兩年之后充一次電待機時間明顯變短為什么，且非常容易發熱？為什么剛充滿電的手機在寒冷的冬天容易死機，而回到溫暖的室內時手機又能正常使用？這些問題都和物理化學中的電化學知識息息相關，下面我們就一一解答。

2.1 一次電池—堿性鋅錳干電池

堿性鋅錳干電池屬于一次放電電池，當放電一段時間，電池內部的電解質KOH被不斷消耗，且靠近負極處的電解質溶液消耗得快，中間的電解質相對消耗較慢，導致負極的放電反應不能有效發生，故電池不放電；當該類電池受到外力擠壓后，如圖2所示，中間的電解質溶液被擠到電極兩端，此時電解質與負極接觸又能發生負極反應，直至電池內部的電解質幾乎被消耗盡，此時電池再受外力擠壓也不會表現對外放電了[7]。

圖2 堿性鋅錳干電池受擠壓前后電極物質分布示意圖

2.2 二次電池—鋰離子電池

手機電池屬于二次電池，可以多次充放電使用。當手機連接外接電源時，外接高壓電經過充電器轉化成低壓電輸入手機，此時手機電池將電能轉化成化學能；當接打電話或者播放視頻使用手機時，電池內部發生化學反應又將化學能轉變成電能[8-9]。目前最常用的手機電池是鋰離子電池，在其內部充放電時發生的反應如下：

其中負極材料一般為LixC6，正極材料中的M多為過渡金屬Fe、Co、Ni和Mn。電池的充放電，實際是鋰離子在充電時的正極脫出，負極嵌入；放電時負極脫鋰，正極嵌鋰[10]。因此，只從充放電的可逆性來看，鋰電池反應是一種理想可逆反應。但在實際應用中，鋰離子電池在充放電過程中其內部材料會發生不可逆的結構缺陷導致電池容量減小，內阻增大；同時電池內部的電解液、隔膜、記憶效應等也會導致電池不可逆；而且電池內部的電極材料和電解液之間也會發生不可逆的副反應，導致電池充放電反應不可逆[11-14]。因此，手機使用時間越長，內部的有效參與充放電的電極物質越少，待機時間越短；同時由于電極材料結構的缺陷會造成電池內阻增大，也會出現手機使用時間長明顯發熱這一現象。

為什么剛充滿電的手機在寒冷的冬天容易死機，而回到溫暖的室內時手機又能正常使用？這和電池內部發生充放電反應的陰陽離子遷移速率有關，此物理量不僅和離子的半徑、所帶電荷多少、周圍離子的本性、溶液的濃度等有關外，還受外部環境比如溫度等的影響。外界環境溫度越低，離子遷移速率越慢，當溫度低至零下十幾、甚至二十幾度時，電池內部離子幾乎不遷移，此時手機就死機了；當返回在溫暖的室內時，手機能開機且顯示有電，這是因為溫度升高時，離子遷移速率加快，電池又可以正常放電了。

3 動力學

動力學主要研究反應速率、機理等問題，與熱力學相輔相成密不可分[15]。比如有些反應從熱力學理論判斷是可以發生的，但實際生產中還要考慮速率問題：速率過慢用于批量生產意義不大；速率過快反應不可控，有些反應可能還會引起爆炸。因此還要從熱力學、動力學綜合考慮，使反應速率適中以及通過控制反應條件使得反應條件最優化，減少副反應對產率的影響、有效防止催化劑中毒等問題。

3.1 合成氨

以合成氨為例，探討熱力學、動力學對其反應速率的影響，合成氨反應條件為高溫、高壓加催化劑。

首先探討高壓條件對反應的影響。從熱力學化學平衡角度考慮，由于Kq=Kx（nP/Pq）Δμ（其中P是總壓，Δμ為生成物的系數之和減去反應物的系數之和），Kq為標準平衡常數，當溫度不變時，Kq不變，此時增大總壓，Kx減小，平衡向氣體分子數減小的方向進行，即正向進行；加入催化劑會改變反應的歷程，降低反應的活化能，由Ea=E平均-E所有（E平均代表活化分子的平均能量，E所有代表所有分子的能量）公式可知，活化能越低，所有分子的能量越接近活化分子的能量，也就代表活化分子的數目越多，反應速率越快；合成氨反應正向是放熱反應，從熱力學角度考慮，反應條件應該是低溫，有利于正向進行，但實際生產過程中采用高溫，主要原因就是綜合考慮溫度對化學平衡和化學反應速率影響[16]。由Van't Hoff 近似規則可以估算溫度對反應速率的影響，見式（6）溫度每升高10K，反應速率加快2～4倍。因此合成氨選擇最優反應溫度500℃左右。

3.2 藥物動力學

藥物動力學是最近幾十年發展起來的學科，采用動力學方法研究分析藥物在體內動態，從而提供有效的藥物濃度、給藥周期以及給藥方案等[17]。比如給藥劑量實際就是濃度，藥物在生物體內發生一系列的變化，如吸收、代謝、殘留等，都可以用相應的吸收半衰期、消除半衰期、分布半衰期以及殘留半衰期等衡量。探究藥物在體內的動力學方程，可以判斷藥物的釋放是否連續，是否可以維持較高的血藥濃度從而達到較好的治療效果。因此藥物動力學可以為設計最優給藥方案提供重要的理論依據和實用 價值[18-19]。

四川農業大學的喬艷在研究中采用動力學中的半衰期研究鐵、鈷兩種微量元素參與家兔機體的生理活動，以及研究家兔體內鐵、鈷復合微囊抗貧血效果。藥物對照組和鐵、鈷微囊組的吸收半衰期、消除半衰期、分布半衰期這幾個測試研究結果如表1所示。結果顯示鐵鈷復合微囊在囊材的保護下幾乎很少受到消化液的破壞，藥物能連續釋放，在腸道內停留時間長說明鐵、鈷復合微囊能維持較長時間的有效血藥濃度[20]。

表1 藥物對照組和微囊組在家兔體內的半衰期

4 界面現象

學習物理化學中的界面張力可以很好地解釋日常生產生活中的界面現象[21]。當分子處在不同的項中，實際是分子處在不平衡的力場中，因此在相界面就會出現界面張力，界面張力可以很好地解釋為什么大多數微小液滴呈現球形？為什么面粉廠之類的微小粉塵場所需要安裝除塵裝置？為什么農民在春耕時需要鋤地？這些現象和界面張力息息相關。

4.1 界面張力

界面張力的方向總是指向凹液面曲率半徑中心，即球心。假設把一個液面平分成兩份，兩個半液面都受到指向球心的力，如圖4所示。這種表面之間的吸引力造成了液體表面收縮的趨勢，因此微小液滴呈現圓形，因為在相同體積下球形的面積最小。

圖3 微小液滴呈現圓形的示意圖

在許多微小顆粒的生產或儲存場所放有除塵設備，防止引起爆炸。以D=1cm的液滴為例，將液滴分散成1018個D=1nm時（如圖5所示），利用面積公式S=π×D計算可知液滴面積由3.14×10-4m2增大至3.14×102m2，增至原來的106倍。假設這些液滴抵抗本身的表面張力所做的功為：

圖5 直徑1cm的液滴分散成1018個直徑1nm的液滴

表面積越大，做功越大，反過來這些分散成納米的液滴具有的能量越高，當遇到摩擦或者點火源很容易引發爆炸。

4.2 毛細現象

由于表面張力的存在，會引起毛細現象。當把毛細管垂直插入某種液體中，液體不能潤濕管壁時，接觸角q＞90°，cosq＜0，則液體在毛細管內呈現凸液面，液面在毛細管中下降（毛細管插入水銀會出現此現象）；反之，當液體可以潤濕管壁時，接觸角q＜90°，cosq＞0，則液體在毛細管內呈現凹液面，液面在毛細管中上升[4]。雜草的根莖類似于毛細管（見圖5），因此土中殘留的雜草由于毛細現象，會將土壤中的水分上升到表面，所以在春耕時，不僅可以除去雜草還可以保持土壤中的水分，有利于農作物的生長。

圖5 植物體內的毛細現象

5 結語

本論文把物理化學中晦澀難懂的理論知識和日常生活相結合，在實際教學中采用問題探究式和啟發式教學，可以充分調動學生學習的積極性，發揮學生的主觀能動性，同時使得物理化學專業課的理論知識通俗易懂，既有助于學生了解掌握理論知識也有助于增加學生學以致用、理論聯系實際以及解決問題的能力。