促进物理化学教学质量的改革措施,化学教学论文

促进物理化学教学质量的改革措施,化学教学论文物理化学是高等学校化学、化工、材料、环境、生物及能源等理工科专业学生必修的一门基础理论课。该课程不仅能使学生对所学的无机化学、分析化学、有机化学等基础化学知识从理性上加以提高,而且为后续的化工原理、化学反响工程、功能高分子、新能源等课程打下了必要的数理基础,其重要性不容置疑。因而,为了提高物理化学教学质量,很多从事该课程教学的老师尝试了各种改革措施。[1-3]本文从培养和提升学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力出发,在课堂教学中引入化工研发的详细案例,这种理论与实际严密联络的案例式教学形式,既能向学生教授知识,又能通过对实际问题的分析与探寻求索,激发学生的求知欲。一、化学热力学原理的教学与应用化学热力学既是物理化学的重点也是难点。这部分内容概念多、公式多,且抽象不好理解、不易把握。假如课堂教学中只注重讲解基本概念、数学推导及理论计算,学生不仅会感到枯燥乏味,而且也不知道所学理论有何应用,最终影响学习兴趣和对知识点的把握。为此,我们在课堂教学中,引入化工开发中的实际例子,构成了理论与应用相结合的教学形式。化学热力学的中心就是讨论化学变化的方向、限度及变化经过中的能量交换等问题,牵涉U、H、S及G等热力学量的诸多公式推导及计算。很多公式靠死记硬背是不可能正确把握的,当使用条件稍有改变就会用错。如Kirchhoff公式:【1】其在化工工艺开发中常用于能量交换的计算。但是,该公式适用于298.15KT的温度范围内,介入反响的各组分只要温度变化的简单经过。[4]而实际的化学反响体系经常是一个既有化学变化,也有相变化、温度变化及压力变化的复杂经过。学生对于复杂变化经过中,相关热力学量的计算很难把握准确。为此,课堂教学中引入化工开发中的热力学计算实例,有助于学生对所学知识点的理解和把握。如碳酸二甲酯(DMC)绿色合成工艺的开发,其反响方程为:【2】碳酸二甲酯分子构造中由于有甲氧基、羰基、甲基等多种官能团,且无毒,所以是一种应用广泛的绿色化工中间体。按反响方程(1)的合成工艺,原子利用率高,原料易得、无环境污染,是公认的绿色合成工艺。[5]该反响体系的起始状态是室温、常压下的液态甲醇、气态O2和CO,终态为393.2K和2.5MPa下的产物碳酸二甲酯和水。反响体系从始状态到终状态中既有化学变化,也有相变化、温度变化及压力变化。怎样用化学热力学的基本理论,推算实际反响体系的rHm、rSm、rGm及K等热力学量,是开发该工艺的重要理论根据。化学热力学的计算中常用到状态函数法,即在一样的始、终状态之间将复杂经过分解成若干个单因素变化的简单经过,如此图1。【3】在常压下,反响物甲醇及产物碳酸二甲酯和水的沸点分别为337.7K、363.5K和373.2K,根据Clausius-Clapeyron方程:【4】可估算,在2.5MPa时的沸点分别为448.2K、561.8K和496.2K。所以,在393.2K和2.5MPa的条件下,反响物甲醇及产物碳酸二甲酯和水均为液态。因而,图1中的状态变化不牵涉相态变化,经过的状态变化设计合理。由于状态函数只与状态有关,其改变量与变化的途径无关。所以,存在以下关系:【5】华而不实,H1是在298.2K,0.1MPa条件下单纯化学变化经过的焓变。根据化学反响的标准摩尔反响焓rHm、标准摩尔生成焓fHm、标准摩尔燃烧焓cHm等概念及相互的关系,可根据公式【6】H3和H4是恒压变温经过的焓变。根据摩尔定压热容Cp,m的概念及应用,通过下述基本公式:H=Cp,mdT,在298.2K~393.2K范围内积分计算,即:【7】H2和H5是恒温变压经过的焓变。对于气体O2和CO可近似视为理想气体,理想气体的热力学能、焓仅仅仅是温度的函数,压力对液体性质的影响很小,一般可忽略。所以,H20,H50;因而,在393.2K和2.5MPa的实际反响条件下,化学反响(1)的焓变可根据关系式(2)计算,为H6=-368.6kJmol-1。同理,由热力学第三定律,借助各物质在298.2K的标准摩尔熵Sm及Cp,m等基础热数据,对于单纯的化学变化的熵变,根据S1=BBSB,m(298.2K)计算;单纯温度变化的S3和S4,根据S=Cp,mTdT基本公式计算;忽略压力对液体性质的影响,气体O2和CO可视为理想气体时,单纯压力变化的S20,S50。[6,7]由关系式(3)能够计算在393.2K和2.5MPa的实际反应条件下,化学反应(1)的熵变为S6=-269.8Jmol-1。根据热力学关系式G6=H6-TS6和G=-RTlnK,能够计算反响(1)在393.2K和2.5MPa实际条件下的反响吉布斯函变和平衡常数分别为,G6=-262.5kJmol-1,K=7.471034。上述热力学计算结果讲明,甲醇液相氧化羰化反响为放热反响,温度升高不利于平衡向产物方向移动。但是,温度太低时,反响速率太小,影响生产效率。当温度升高到393.2K时,已经知道足生产实际效率的需要,此时反响的平衡常数为7.471034,极大地趋于产物。可见,甲醇和CO的理论转化率应该很大。只要有高效的催化剂,该工艺的热力学趋势将极大地趋向产物碳酸二甲酯。通过上述化工开发实际案例的讲授,学生能够全方位梳理所学理论知识点,提高对所学理论的认知程度,同时了解实际化工工艺研发经过,培养了应用理论知识解决实际问题的综合能力。二、化学动力学原理的教学与应用物理化学中动力学的基本内容是动力学方程的建立,温度、浓度及压力等各种因素对反响速率的影响。课堂教学中讲授了很多相关知识,习题也做了不少。但学生对于动力学方程的建立及动力学参数的测定仅局限于教学材料中的纸上谈兵,不会详细应用。因而,课堂教学中仍以甲醇氧化羰化合成碳酸二甲酯的反响动力学研究为例,进行理论与科研实际相结合的案例式教学。甲醇氧化羰化合成碳酸二甲酯,其反响方程如(1)式,反响经过中存在的副反响为CO2的生成反响:CO+1/2O2CO2(4)反响体系中的甲醇既做反响物又做溶剂,在单程反响经过中甲醇的总量变化很小,可近似以为浓度不变。根据化学反响动力学方程的一般表示出式可得:[4]【8】反响进行时,可测定的物理量只要体系的总压力和反响时间。体系的总压包含CO,O2,CO2的分压,以及甲醇、碳酸二甲酯和水的蒸气压。怎样将不可测量的物理量反响物CO分压随时间的变化率,转化为可测量的物理量体系的总压力随时间的变化率,是建立该反响动力学模型的关键,也是物理化学动力学课堂教学与实验教学中学生要重点把握的内容。通过对此实际问题的详细分析、讨论,捋清怎样用所学理论知识建立该反响体系动力学模型的思路,引导学生通过分析、演绎得到动力学方程:[8]pt=[(n-1)K(t+tc)]11-n+p0(6)式中的Pt是反响体系的总压,能够通过反响釜上的压力表测定,t是时间,能够用秒表记录,n是反响总级数,K是与速率常数有关的常数。将建立的动力学方程与不同催化体系的实验数据拟合,可得到不同催化体系的反响速率常数、反响级数及活化能等动力学参数。[8]【9】比照上述不同催化体系的速率常数、反响级数,学生能够清楚明晰了解到催化剂能够明显改变反响速率,但对反响级数没有影响。参加有机含氮化合物后,CuCl的催化剂性能明显提高,反响的活化能从单纯CuCl催化剂的64.68kJ/mol降到以phen/CuCl为催化剂的44.31kJ/mol,所以,反响速度明显提高,后者是前者的十倍。通过引入科研开发中用理论知识解决实际问题的案例,学生能切实体会到所学理论对实际的指导,开阔了视野,激发并培养了对科学研究的兴趣及创新意识。三、结束语以上基本理论与实际案例相结合的教学实践,提高了相关知识点的教学质量,学生在课间和课后能积极主动地与教师讨论和沟通,迫切希望介入教师的科研与开发,表现出对本门课程学习的极大兴趣,在作业和考试中对相关问题的理解和解决能力都有所提高。以下为参考文献:[1]朱志昂.物理化学课程教学内容和教学方式方法的改革[J].大学化学,2020,27(5):9-13.[