物理化学教学过程中的实例应用探索——以吉布斯函数判据为例

白志强，刘 园



物理化学教学过程中的实例应用探索——以吉布斯函数判据为例

白志强，刘 园

（河南机电高等专科学校，河南 新乡 453003）

从物理化学课程的重要性和“教”与“学”中存在的难点着手，以吉布斯函数判据为例，通过引入化工生产实例，将教学内容与企业生产实际相结合，旨在培养学生的学习兴趣和思维能力，拓宽并深化学生的知识体系，为其今后从事技术研发和优化工艺流程奠定基础。

物理化学；吉布斯函数（G）判据；应用实例；教学效果

0 引言

物理化学是一门理论性和实用性兼具的化工专业基础必修课，其相关原理及应用涉及化工、生物、材料、冶金及环境等诸多领域[1]，是学生从事工业产品研发和生产工艺设计等工作不可或缺的理论基础[2,3]。

在教学过程中，笔者发现，若过于强调理论的严谨性和推导的严密性，学生容易感到枯燥无味，缺乏学习热情，从而导致理论的实用性难以被理解。但若生硬地将工业生产案例照搬到教学当中，其所涉条件却又过于繁杂，尤其是参量常以隐函数或非线性的形式表现，致使计算难度加大，仍然无法达到学以致用的效果。

为此，笔者针对性地提出了“面向应用、降低难度、激发兴趣、建立联系”的教学思路。即在教学过程中，要敢于援引化工生产实例；善于根据实际生产过程的特征，结合教学目的，分清主次[4]，提出恰当假设，简化模型；在降低理论理解和过程计算难度的基础上，为学生梳理知识脉络、构建系统的知识体系。

下文以G判据及其应用的讲授过程为主线展开叙述，阐明物理化学教学过程中实例法的应用技巧和体会。

1 引用生产实例，面向工业应用，激发学习兴趣

实例1：生石灰采用化学吸收法除去水蒸气常用于干燥剂，也用于钢铁、医药、干燥及醇的脱水等。在实际生产中，常以天然岩石如石灰岩、白垩、白云质石灰岩等为原料，经高温锻造制备生石灰。那么如何通过理论来计算石灰窑烧制生石灰所需的温度呢？

解析：根据反应式，并查出有关热力学数据：

-1207 -635 -393

93 40 214

从计算结果可知，反应吸热，且在298.15K的标准状态下不能自发进行，结论符合我们的生活实际，但如何使得分解反应进行呢？根据G判据，当时，反应方能自发，即：

则：

实例2：工业炼铁用的设备叫高炉，又称鼓风炉。炼铁时，将矿石、焦炭、石灰石从炉顶加入，从炉底向炉内通入空气。在焦炭燃烧时，三者一起反应，最终形成铁水和炉渣，那么在高炉炼铁时炉内的温度有何要求？

相关的实例还有很多，如工业制硝酸、工业制粗硅等。切合生产的实例可以使学生认识到G判据的应用价值，有利于激发学生的学习兴趣。

2 得出相悖结论，引发学生质疑，鼓励主动探究

经过若干正面实例练习之后，学生初步掌握了利用G判据判定反应自发的方向及如何调节温度T，使常温常压下无法自发的反应能够在特定环境中进行。此时，再列举反例，如工业制氨（见图1）。

学生采用同样的方法却得出与实际生活生产截然相悖的结论，类似的反例还有很多，如和在空气中的燃烧，从而引发学生对G判据应用的质疑，进而加以引导并鼓励其主动探究个中缘由。

3 援引关联知识，疏通知识脉络，构建聚合网络

实际的工业生产，常涉及诸多知识的交叉聚合，仍以工业制氨为例，如图2所示。

图1 以工业制氨为例，开展启发性教学

图2 工业合成氨及制备尿素与纯碱的简明流程图

在氨的合成和应用过程中，从原料制备、反应合成到产品应用，整个过程涉及热力学、动力学、电化学、气体等内容。在讲解G判据时，必须重点精讲虚框中所涉及反应的条件，即：如何利用G判据进行判定和优化。而原料的制备、气体的分离以及工业成品的利用等过程，我们可以援引相关方面的知识简单讲解，最后加以串联，以便于学生对不同知识模块间的相关性及其实际应用有一个较为系统的认知。如是，才能在教学过程中有的放矢、精简得当、贴近生产，最终达到学以致用的目的。

4 严格把握细节，优化工艺流程，彰显细微之重

实例3：以工业制取硝酸中的一个过程为例：

实例4：高炉炼铁过程中常加入一定量的石灰石，其目的为何？

实际生产不仅关注生产速率，同时需要重视经济效益、环境保护、安全生产等，这就对产品的纯度、原料的转化率及设备的工作环境提出了严格的要求。而这些都源自于细节，所以在教学过程中，应着力培养学生注重细节的习惯。

5 敢于优化方案，凸显“灵变”之利，强化钻研意识

实例5：苯乙烯作为合成树脂和橡胶的重要单体，广泛应用于制药、染料、选矿等多个行业，那么如何依据不同的温度条件设计其合成反应的方案呢？

首先指导学生采用乙苯直接脱氢制苯乙烯：

通过计算，可知上述方法：乙苯在铁系催化剂作用下，温度达到℃时，方可脱氢生产苯乙烯。此时，我们可以引导学生去思考，是否存在其他方法来降低反应所需的温度？比如加入氧气。我们知道：

依据G判据，常温下此反应能够自发进行，与具体的生产实际相符。这其中的缘由又是什么呢？据此我们可以引出耦合反应的相关知识，并且告知学生，这是合成反应优化时的常用方案。当然，方法固然重要，但更重要的是通过剖析使学生了解并掌握其中的内涵，不仅知其然，更知其所以然。唯有此，才能正确培养学生举一反三的能力。

在教学过程中，不仅要鼓励学生尝试运用学得的理论知识去寻求解决问题的新方案，更要善于引导学生挖掘理论知识在其他领域的应用及对事物发展的启示作用。如G判据为探寻与开发定压条件下的新能源及利用现有能源开发新的反应途径或新的产物给出了重要启示；水的电解、植物的光合作用及新反应过程的高能燃料电池等均属于此范畴[5]。

6 结语

针对物理化学“两多三强”的特点[6]，将生动的生产生活实例恰当地引入教学过程中。一方面，可以调动学生学习的积极性，化被动接受为主动思考；另一方面，又可使学生在掌握理论知识的基础上，具备一定的工程应用意识和能力，有利于应用型、创新型人才的培养。这既贴近学生的学习实际，又符合现实的生产实际。

（责任编辑吕春红）

[1] 伊廷锋,金红,朱彦荣,等.工科专业物理化学教学提高学生学习兴趣的几点尝试[J].化工高等教育,2010(2):71-74.

[2] 木合塔尔·依米提，帕提古丽·依明.重新认识物理化学的地位和教学改革的必要性[J].化工高等教育,2007(3)：98-101.

[3] 吴文健,胡碧茹,满亚辉.诺贝尔奖与现代化学发展[J].大学化学,1998,13(4):55-61.

[4] 佘启明.“化工热力学”的应用教学改革与实践[J].长春理工大学学报,2012,7(7):221-222.

[5] 王新平,王旭珍,王新葵等.关于熵判据、亥姆霍兹函数判据和吉布斯函数判据的讨论[J].大学化学,2012,12(3):66-70.

[6] 孟素慈,谢吉民,陈敏.物理化学教学方法初探[J].教学研究,2012(10):160-161.

Exploration on Application Examples in Teaching Physical Chemistry——In the Cases of Gibbs Function Criterion

BAI Zhi-qiang，et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang 453003, China)

The Physics Chemistry has been a very important course for students majoring in chemistry engineering, which, however, is difficult to be taught rigorously and attractive for students at the same time. In this paper, a few new teaching techniques are presented as a summary of the thoughts and explorations in practical teaching. These techniques focus on making full use of chemical production examples to improve quality of teaching Physics Chemistry.

physical chemistry; Gibbs function criterion; examples of application; teaching effect

G642

A

1008–2093(2016)02–00018–05

2016-02-03

白志强（1986―），男，河南温县人，助教，硕士，主要从事新能源技术研究。