熵变与化学教学

　　摘 要： 在化学教学中结合熵增加原理的应用实例进行教学可以帮助学生认识化学科学在生产生活中的应用，使学生认识到我们所学的化学是在生产和生活中有着广泛应用的科学，进而激发学生学好化学的兴趣。
　　关键词： 高中化学新课程 熵变 激发兴趣
　　
　　《普通高中化学课程标准（实验）》（以下简称化学课程标准）在内容标准中明确要求：能用焓变和熵变说明化学反应的方向。这是我国自1949年以来首次在中学化学课程目标中提出熵变的知识要求，根据化学课程标准编写的高中化学教材中也以不同的方式呈现了熵变的相关内容。为什么在中学化学课程中要增加熵变的内容呢？在化学教学中如何进行熵变的教学？我就这一问题谈谈想法。
　　1.熵和熵变
　　熵（entroy）的概念最早由克劳修斯引进热力学的。1877年，波尔兹曼从微观角度对熵加以诠注：熵是组成系统的微观粒子热运动混乱程度大小的量度，系统微观态数目（Ω）与组成系统的微观粒子热运动的混乱程度（S）成正比，即S=klnΩ。
　　当系统发生变化时，其方向和限度可以用熵变来度量。在孤立系统（体系与环境之间既没有物质交换，也没有能量交换）中进行的一切不可逆变化过程总是向熵增加的方向进行，这就是著名的熵增大原理。对于可逆过程，在孤立体系中，系统自发地由非平衡态趋向平衡态的过程是一种熵增加的过程，平衡态的熵最大。
　　对于通常讨论的化学反应系统，往往都不是孤立（或绝热）系统，而是与环境之间仅有能量交换没有物质交换的封闭体系，体系的自由能变与体系的焓变和熵变之间存在着下列关系：
　　ΔG=ΔH-T•ΔS。
　　体系的自由能变ΔG可用作化学反应的方向和限度的判据。
　　ΔG＜0（反应正向自发进行）=0（反应达到平衡状态）＞0（反应逆向自发进行）
　　2.中学化学教学中熵变的教学要求
　　为了落实化学课程标准对熵变的教学要求，人民教育出版社出版的高中化学教材在《化学反应原理》中给出了这样的描述：“在自然界还存在着另一种能够推动体系变化的因素，即在密闭条件下，体系有由有序自发转变为无序的倾向……在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，这个原理也叫熵增加原理，在用得来判断过程方向时，就称为熵判据。由能量判据（以焓变为基础）和熵判据组合而成的复合判据，将更适合于所有的过程。”江苏教育出版社出版的高中化学教材在《化学反应原理》中也给出了相似的描述：“除了热效应外，决定化学反应能否自发性进行的另一个因素是体系的混乱程度，衡量一个体系混乱程度的物理量叫做熵，反应前后体系熵的变叫做反应的熵变（ΔS）。化学反应的ΔS越大，越有利于反应自发进行……体系能量降低和体系混乱度增大都有促使反应自发进行的倾向，要正确判断一个化学反应是否能自发进行，必须综合考虑反应的焓变和熵变。”
　　分析化学课程标准熵变的教学要求和高中化学教材中熵变内容的呈现方式，中学化学课程中“熵变”的学习目标可概括为：
　　（1）知道可以用熵衡量一个体系混乱程度。
　　（2）知道体系的熵增大有利于反应的自发进行。
　　（3）能用焓变和熵变对常见简单化学反应方向做出说明。
　　因而，在实际化学教学中，我们应根据课程标准和教材的教学要求组织教学，重点是让学生知道不仅仅是放热有利于反应的自发进行，体系的熵增大也能促使反应自发进行。而对于“能用焓变和熵变说明化学反应的方向”的教学要求的落实，我们要很好地理解“说明”二字，不能要求学生用焓变和熵变“判断”化学反应的方向，因为对反应方向的判断必须要综合考虑反应的焓变和熵变。例如，我们可以要求学生：说明常温常压下反应2H（g）+O（g）=2HO（g）能自发进行的原因（答案：ΔH＜0），或说明高温下反应2HO（g）=2H（g）+O（g）能自发进行的原因（答案：ΔS＞0），由于学生已有的知识和经验知道氢气在氧气中燃烧是放热反应，而水分解成氢气和氧气的反应体系的混乱度增加，因而学生能够顺利地回答这类问题。但是我们不能要求学生回答诸如“判断下列反应能否自发进行”或“指出下列反应自发进行的方向”等问题，因为学生已有的知识不能回答这类问题，而且这类问题的解决也超出了中学化学课程标准的要求。
　　3.中学化学课程中增加熵变内容的意义
　　3.1激发学生学习化学的兴趣
　　虽然熵和熵变最初是两个基本的热力学的概念，但熵的概念已经渗透到化学、生物学、经济学、社会学等自然科学和社会科学的各个领域。近代社会中的资源问题，环境问题，人口爆炸性增长问题，也存在着熵的问题，已有人提出，熵是一种新的世界观。在化学教学中结合熵增加原理的应用实例进行教学可以帮助学生认识化学科学在生产生活中的应用，使学生认识到我们所学的化学是在生产和生活中有着广泛应用的科学，是能够造福社会造福人类的科学，进而激发学生学好化学的兴趣。
　　例如，生命体的生长、发展、繁殖和新陈代谢，是靠生物体中成千上万个生物化学反应高度有序、协同一致来实现的。破坏了这种对于生命系统的有序，生命就无法持维。生命体是一个与周围环境不断进行物质和能量交换的开放系统，该系统的总熵变为：
　　ΔS=ΔS+ΔS。
　　式中ΔS为系统的总熵变化率，ΔS为系统与外界交换物质和能量所引起的熵变，ΔS为系统内部的不可逆过程引起的熵变，根据熵增加原理，ΔS≥0，若ΔS＜ΔS，即系统通过与外界交换物质和能量获取的负熵足够强。它除了抵消系统内部的熵增外，还能使系统的总熵减少，表示系统将从无序转向有序。
　　达尔文进化论指出，进化的方向由简单到复杂、由低级到高级。总之，是朝有序的方向发展的。生物体从外界吸收营养、排出废物就是吸收高度有序的低熵大分子物质（如蛋白质、淀粉）而排出无序的高熵小分子物体，使体系的总熵减小，从而维持生命。
　　3.2帮助学生形成科学发展观
　　让学生形成构建和谐社会和可持续发展的科学发展观是化学教育的重要目标之一，在化学教学中增加熵变内容的教学可以帮助学生很好地理解科学发展观的本质，促使学生为构建和谐社会和可持续发展做出努力。
　　从热力学角度来看社会，人类社会是一个开放的系统。社会系统要维持内部的有序性与进化，必须首先依靠能量、负熵的输入。在这个意义上，“能量流”是社会的生命与发展之源，社会发展依赖于更大规模的获取、储存和利用能量。但论在地球上还是在宇宙任何地方建立起任何秩序，都必须以周围环境的更大混乱为代价，因为宇宙的能量总和是个常数，总的熵是不断增加的。当熵达到最大值时，则表示一切有效能量均消耗殆尽。
　　地球环境—能源（资源）—人类社会共同构成一个复杂的复合系统。人类通过生产活动（进行能量转换的活动）从自然界获得能量，当能量通过生产活动进入人类社会以后，它要流经社会的每一部分，最后被消耗掉，废物排放到自然环境。由于人类无节制地开采和消耗化石能源和其他矿物资源，从而不仅使大面积的地质环境和地表环境受到破坏，使海洋环境受到严重污染，而且由于超极限的排放CO、SO、NO等温室气体和酸性气体的污染物质，引发了气候变暖、酸沉降和大气污染、土地荒漠化、生物多样性锐减等全球性的环境问题，使人类的可持续生存和发展面临空前的危机。
　　熵增加原理告诉我们，要摆脱社会可持续发展与昂贵的生存环境代价的两难境地，人类必须自觉走进低能耗和低熵社会。要以环境能源（资源）伦理道德体系和法律政策体系为社会支持，规范人们的能源（资源）开发和消费方式、生产活动方式和社会生活方式，实现人类社会由工业化的生产、生活方式向生态社会的生产、生活方式的转型，实现低熵的人类社会与低熵的地球环境系统的和谐相处、共同进化和发展。
　　
　　参考文献：
　　［1］中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准［M］.北京：人民教育出版社，2003.
　　［2］宋心琦主编.普通高中化学教材（实验）化学反应原理［M］.北京：人民教育出版社，2003.
　　［3］王祖浩主编.普通高中化学教材（实验）化学反应原理［M］.南京：江苏教育出版社，2003.
　　［4］王西明.熵、耗散结构与生命科学［J］.中学物理教学参考，1994，（10）.