本研課程一體化教學助力理解物理化學課程難點
——以計算化學研究表面吸附過程為例

＊周欣 王茗倩 果崇申* 趙美玉 顏美 韓曉軍

（1.哈爾濱工業大學化工與化學學院 黑龍江 150001 2.黑龍江建筑職業技術學院 公共教學部 黑龍江 150025）

我國高等教育要立足中華民族偉大復興戰略全局和世界百年未有之大變局，心懷“國之大者”，把握大勢，敢于擔當，善于作為，為服務國家富強、民族復興、人民幸福貢獻力量[1]。傳播知識是大學最最重要的任務之一，并且希望學生能運用知識解決經濟、社會、政治等方面的問題。“重大原始創新成果往往萌發于深厚的基礎研究，產生于學科交叉領域，大學在這兩方面具有天然優勢。要保持對基礎研究的持續投入，鼓勵自由探索，敢于質疑現有理論，勇于開拓新的方向”[1]。

哈工大化學專業旨在培養以化學理論基礎扎實、具有創新精神、實踐能力及國際視野的高素質化學專業人才。化學專業擁有一流的教學和科研條件，在人才培養方面注重培養學生掌握扎實的學科基礎知識和解決實際問題的能力。主要科研方向凝練為：功能性納米材料的設計合成及在環境、能源、生命領域的應用；綠色化學合成及催化；化學反應過程的理論模擬等。本專業方向注重培養學生掌握扎實的學科基礎知識和解決工程實際問題的能力。

1.物理化學的教學現狀

物理化學是現代生命科學、材料科學和環境科學發展的基礎，在資源的有效開發利用、環境保護與治理、社會和經濟的可持續發展、人口與健康和人類安全、高新材料的開發和應用等方面也做出了卓越的貢獻。哈工大化學系本科生專業主干課程就包括物理化學。隨著科學的迅速發展和各門學科之間的相互滲透，物理化學與物理學、無機化學、有機化學之間存在著越來越多的相互重疊的新領域[2-3]。哈工大化工與化學學院遵循人才培養規律將本研課程打通，培養新工科理念下的學科交叉型高級專業人才，鼓勵本科生選修學習研究生課程內容，如有趣的計算化學、DFT春季創新課程等。此外我校化學系在研究生階段開設了量子化學、分子動力學模擬、統計熱力學、群論、物理化學前沿、高等物化、密度泛函理論、計算化學等多門課程，為推動本研貫通，幫助學生深化理解物理化學知識，全面打通學生成長成才的通道。

物理化學是從物質的物理現象和化學現象的聯系入手，來探求化學變化基本規律的一門科學，它所擔負的主要任務是探討和解決下列幾個方面的問題：（1）化學變化的方向和限度問題。（2）化學反應的速率、機理問題。（3）物質結構和性能之間的關系。三個方面的問題往往相互聯系制約。物理化學課程內容有很多抽象的定理、公式，學生們往往很難真正理解掌握要義，更別說在科研和實際生活中加以應用。

接下來將用實例闡述計算化學課程對于幫助學生理解抽象物化知識的重要性。

2.課程實例

(1)時代背景

大學生應該拿什么來提升自己的“學力”？掌握扎實的基礎知識無疑是一個最佳的途徑。在科技發展日新月異的今天，應用領域里很多看似高深的技術在幾年后就會被新的技術或工具取代。只有對基礎知識深入理解才可以受用終身。此外，如果沒有打下良好的基礎，大學生們很難真正理解高深的應用技術[4-6]。

目前全世界處于病毒肆虐的特殊時期，病毒主要通過呼吸道飛沫傳播，而口罩是阻礙病毒傳播的有效防護用具，在高風險地區，病人、醫生、甚至普通民眾都普遍使用一次性醫用口罩。中國航發航材院日前研發出石墨烯口罩（正在試驗階段，尚未市場化），性能優于普通熔噴布口罩，可能抗擊肆虐的病毒，為人類提供更好的保護。

石墨烯口罩是在構成普通口罩的紡粘無紡布之間的關鍵過濾層中，創新應用了新型石墨烯聚丙烯熔噴布材料而形成的新型防護口罩。高品質的口罩之所以能有效阻隔病毒，最關鍵的材料是采用了熔噴無紡布[7]。這種熔噴無紡布由聚丙烯制造而成，是一種超細靜電纖維，最大的特點是經過駐極處理后，會擁有靜電吸附能力。呼吸的氣流通過無紡布時，空氣正常通過，而所有的粉塵和含毒飛沫，全部被靜電吸附[7]。

石墨烯自2004年首次成功分離以來，以其蜂窩狀的二維結構和廣泛的有趣特性，一直受到材料科學家的深入研究[8-9]。石墨烯的結構雖然簡單，但性質和功能卻不簡單，因而在碩士研究生期間，學生們有極大的概率接觸石墨烯類材料。接下來將以石墨烯上吸附氣體的實例為載體，展開本研課程一體化教學助力理解物理化學課程難點的探究。

(2)本研課程打通

物理化學涉及多個學科領域，教學時應注意知識點之間的銜接[10]。要理解新聞報道中石墨烯口罩的科學原理，必須深刻理解物理化學第十三章中固體表面的吸附知識。

學生們在無機化學和結構化學的學習中可以知道石墨烯中C原子采用sp2雜化軌道，彼此之間以σ單鍵連接在一起，每個碳原子周圍形成3個σ單鍵，鍵角120°，每個碳原子還有一個2pz軌道，由一個2p電子占據，這些2pz軌道都垂直于sp2雜化軌道的平面，且互相平行，形成大Π鍵[11]。結構決定性質，那么石墨烯的這種結構如何使得它有那么多神奇的性質呢？這就需要聯系到物理化學下冊的知識。

在學習物化中固體表面的吸附時，可得知按照吸附質和吸附劑相互作用的性質，可以將固體表面吸附分為物理吸附和化學吸附兩大類。物理吸附過程不發生電子轉移，吸附質分子依靠范德華力作用而吸附在吸附劑表面上，吸附無選擇性，吸附熱接近于氣體液化熱，吸附溫度低，幾乎不需要活化能，既可能是單分子層吸附又可能是多分子層吸附，吸附速度快且不穩定。化學吸附時，吸附質和吸附劑之間發生電子轉移，吸附熱接近化學鍵生成熱，吸附需要相當高的活化能，吸附有選擇性且很穩定，是單分子層吸附，隨著溫度升高吸附速度加快。對用于氣相反應的固體催化劑，氣相反應物分子在催化劑表面的吸附最好是中等強度的，吸附太弱達不到活化目的，吸附太強將永久占有活性位繼而成為毒物[12]。

化學是一門以實驗為基礎的科學，實驗課在本科及研究生的課程安排中必不可少，實驗探究的直觀性與科學性使得學生對所學知識有了形象認知，本科生的有機實驗、無機實驗等大多涉及制備合成、現象觀察、實驗操作規范及儀器原理的學習。然而，物理化學中的部分抽象難懂知識，在大學生的傳統認知里是無法通過實驗進行探究證實的，很多知識只是停留在理論層面，這可能是學生吸收物化知識的一大阻礙。將碩士研究生耳熟能詳的理論計算知識，融入到本科物理化學教學中，或許有絕妙效果。

化學系的本科生可以選修神奇的計算化學、DFT創新性課程，這些課程富有特色的將理論知識和實踐操作相結合，學生可以在密度泛函理論的基礎上展開第一性原理計算體會原子級別的實驗。防護口罩的主要作用就是隔離污染物，不同材質的隔離效果有所不同，石墨烯材料加入口罩中為什么會有神奇的功效呢？很大一部分學生就會自然將其聯系到物理化學課程中物理吸附與化學吸附的知識點，在傳統課堂上，學生對這部分知識只停留在字面的了解與認識，存在抽象難懂的問題。將計算化學課程內容滲透到本科教學中，這一問題或許可以得到圓滿解決，學生首先可以采用專業建模軟件Materials Studio進行石墨烯模型的構建，如圖1所示，學生可以在軟件中查看石墨烯各個角度的結構，查看原子之間的鍵長鍵角，對石墨烯的結構有更全面形象的認識。

圖1 石墨烯超胞結構俯視圖

對于物理吸附和化學吸附的區別，教師可引導學生嘗試通過理論計算探究石墨烯對于常見氣體分子如CO是物理吸附還是化學吸附。首先將建立好的石墨烯結構和CO分子分別進行優化，得到二者最穩定的能量，然后將CO分子放置在石墨烯上不同的位點進行優化，如圖2中CO分子的初始放置方式可以是垂直于石墨烯表面或者是平行于石墨烯表面，CO分子的O端或者C端都有可能靠近石墨烯表面。在學習吸附知識時，學生知道物理吸附和化學吸附的一大區別就是是否有化學鍵生成，即吸附質與吸附劑的相互作用究竟是強還是弱。如圖3根據吸附能計算結果和最穩定吸附模型中CO距離石墨烯的距離遠近，可以初步粗略判斷石墨烯對于CO的吸附較弱。

圖2 CO分子在石墨烯上不同的吸附位點

圖3 CO在石墨烯上最穩定的吸附狀態

結構決定性質，為了更嚴謹考慮問題，探尋吸附氣體前后，材料究竟有何變化，學生可以對吸附前后的材料模型進行電子結構的計算，最典型的就是態密度的計算，態密度表示單位能量范圍內（E～E+ΔE）的電子數目，從態密度（DOS）圖中可以得到很多信息，例如成鍵信息、價帶寬度、導帶寬度、每個軌道對于總的態密度的貢獻等。態密度可以說是在第一性原理計算當中相當重要的概念之一，不論是對于光電催化材料、半導體材料、凝聚態物理，所有的分析都離不開DOS，本科生可以通過對簡單的態密度分析對所學化學知識有更深層次的理解，多層次多角度探究證實這一微觀級別的實驗。如圖4，吸附CO分子前后，石墨烯在費米能級附近的電子結構沒有明顯差別，說明石墨烯和CO分子的相互作用為較弱，結合之前吸附能計算結果和CO分子與石墨烯之間的距離，判斷該吸附類型為較弱的物理吸附。

圖4 a.石墨烯的態密度圖；b.石墨烯上吸附CO之后的態密度圖

綜上實例所述，計算化學可以實現實驗無法完成的操作過程，對知識點理解具有重要輔助作用。因此計算化學課程的開設有助于加深學生學習興趣，培養學生發現問題、解決問題、驗證結果的探究習慣。

3.總結

高校培養全面發展的高級人才的教育手段是做到教學、科研與社會實踐三結合。大學物理化學課程中對具有基礎性、引領性的問題進行深入挖掘；以實際問題為導向，做到理論與實踐相結合。哈工大化工與化學學院本科期間開設物理化學實驗、選修創新性課程，碩士期間在基礎教學基礎上融合科研知識，融匯貫通層層深化，課程合理配置，致力于培養學術與應用兩條腿走路的人才,為實現中華民族偉大復興中國夢貢獻力量。