基本理论与科研应用结合的物理化学教学实例

摘  要：针对物理化学教学内容基础性和理论性强的问题，作者在课程中将科研应用与课程内容结合，使学生认识到基本理论的重要性，提高对课程的学习兴趣，从而更好地掌握课程中的基本概念和规律。这种教学方式同时拓宽了学生的视野，培养了学生的创新科研意识。

关键词：物理化学;科研应用;光催化;润湿方程;量子点

中图分类号：G640 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）01-0112-04

Abstract： Because the course of Physical Chemistry includes the basic and classical theories of chemistry， we developed a teaching method by combining the research applications with course contents. Our teaching design enables the students to realize the importance of basic theories and improve their interest on the course， which made the students better grasp the basic concepts and rules. At the same time， this teaching method broadens the students' horizon and cultivates students' consciousness of innovative scientific research.

Keywords： physical chemistry; application; photocatalysis; wetting equation; quantum dot

物理化學是化学、材料、能源以及环境等专业本科生的基础理论课之一[1]。课程内容包括化学热力学、化学平衡、相平衡、电化学、动力学、表面化学和胶体化学七大版块[2]。课程中的基本理论和规律对于推动多专业创新交叉人才的培养，支撑理工科发展的基础理论以及从根源上来开展基础研究等方面有着极其重要的意义和作用。物理化学的基本理论已广泛应用于新材料的合成、新能源的设计、高效催化剂的制备以及生物体系的探索等诸多领域。将这些科研应用与授课内容结合，不仅能够使学生更深入地理解课程中的概念、模型以及基本规律，而且能够拓宽学生的视野，培养学生的创新意识[3]。

在本文中，作者介绍了科研应用与化学动力学、表面化学以及胶体化学教学内容结合的教学设计。如图1所示，在讲授一级反应的动力学特征时，将光催化降解有机物反应引入课堂，引导学生利用课程知识研究光催化反应的动力学特征。在讲授表面张力和杨氏润湿方程时，利用上述概念和方程来推导粗糙“湿接触”表面的Wenzel方程。在讨论胶团模型和胶体稳定理论知识点时，分析如何利用基本理论来设计制备稳定的胶体量子点。这种基础理论与科研应用结合的教学设计使学生认识到课程内容对科研应用的指导作用，从而反思课程中基础理论的重要性，有利于课堂教学。作者在下文中对这三个教学实例进行详细的介绍。

一、将简单一级反应的动力学特征与光催化降解有机物反应结合的教学设计

具有简单级数（零级、一级、二级和三级）反应的速率方程和动力学特征是化学动力学重要的教学内容之一。例如，对于具有简单级数的一级反应[4]：

因此，对于一个未知反应，如果在反应过程中反应物浓度的变化满足上述速率方程，即反应速率和反应物浓度的一次方成正比，则该反应是一级（或准一级）反应。

为了使学生更好地理解如何利用反应速率方程来判断未知反应的反应级数，作者把光催化降解有机物反应引入课堂。光催化技术是利用光能来分解有机污染物的一门新兴技术，具有高活性、低成本、良好的化学稳定性以及绿色环保等优点，为治理环境污染提供了一条行之有效的途径。光催化的研究开始于“藤岛-本多”效应，其基本原理是光催化剂（如二氧化钛）在光照射下吸收一个光子后，电子由价带跃迁到导带上，同时在价带上产生一个带正电的空穴。光生电子和空穴能够和氧气、水反应产生强氧化性的中间体（如羟基自由基、超氧自由基和过氧化氢）。这些中间体在常温常压下能够有效氧化水或空气中的有机污染物[5]。

苯酚是工业废水中常见的有机污染物之一。在紫外光照射下，利用光催化剂，苯酚被分解为CO2的总反应如下：

在上述光催化反应过程中，需对溶液进行连续空气鼓泡，因此氧气的浓度可认为保持不变。反应速率仅和苯酚的浓度有关。通过测量反应过程中苯酚浓度和反应时间之间的关系，可以确定上述光催化反应的级数[6]。

图2A是苯酚起始浓度c0=21mg/L的水溶液在光催化降解过程中，苯酚浓度（c）随反应时间（t）的变化曲线。苯酚浓度可利用高压液相色谱来测定。随着光催化反应的进行，苯酚的浓度逐渐下降，说明苯酚能够被光催化分解。进一步计算出不同反应时间下的ln（c0/c）值，c0为苯酚的起始浓度[6]，发现ln（c0/c）与t呈线性关系（图2B），说明苯酚的光催化降解是准一级反应，反应的速率常数为图2B中的斜率，即k=0.215h-1。上述课程设计能够使学生更好地理解化学动力学基本原理在探索新型反应动力学机理方面的作用，提高学生对学习基本原理的兴趣。

二、利用表面张力和杨氏润湿方程推导粗糙“湿接触”表面Wenzel方程的教学设计

表（界）面张力和表面自由能是表面物理化学的两个基本概念。表面张力指的是在两相（特别是气-液）界面上，作用于单位长度上的力，用γ表示，单位是N·m-1。表面自由能指的是在温度、压力和组成保持不变的情况下，增加单位表面积时，体系Gibbs自由能的增加值，用γ表示，单位是J·m-2。表面张力和表面自由能是从“力”和“能”的角度引出的两个不同的概念，它们的单位和数值相同[4]。

即：γ表面张力=γ表面自由能

液体在固体表面形成的液滴的形状，主要是由各个界（表）面张力的大小决定的。杨氏润湿方程给出了液体在固体表面的接触角和各个界面张力之间的关系[4]。如图3左图所示，液滴达到平衡时，A点受力平衡：

液体在固体表面形成的液滴的接触角表达式（杨氏方程）为：

杨氏润湿方程适用于光滑固体表面液体接触角的计算。研究表明，将一液滴置于一个粗糙的固体表面，实验测得的液滴接触角（即表观接触角θr）无法用杨氏润湿方程来描述。利用表面自由能的概念和杨氏润湿方程可以推导出表观接触角θr的表达式。如果液体能够填满粗糙表面的凹槽（图3右图），这种表面称为“湿接触”表面[7]。在等温、等压条件下，液滴（固液接触界面的直径为D）在粗糙表面发生微小（dx）可逆铺展引起的自由能变化主要来自3个界面：固液界面增加，固气界面减少，液气界面增加。粗糙度因子r为实际的固-液接触表面积与表观的固-液接触表面积之比。液滴铺展引起的自由能变化（dG）可表示为：

可逆铺展：dG=0

结合杨氏润湿方程，液滴在粗糙固体表面表观接触角θr的表达式如下：

式中，θ为液滴在相同材料光滑固体表面的接触角。上式是由Wenzel提出的用于描述液滴在粗糙固体表面表观接触角的Wenzel方程。此方程表明，对于“濕接触”固液界面，增加表面的粗糙度能够使亲水表面（θ<90°）更加亲水，使疏水表面（θ>90°）更加疏水。正是基于Wenzel方程这一基本原理，实际科研工作中常用增加表面粗糙度的方法来构筑超疏水或超亲水表面[8]。

三、利用胶团模型和胶体稳定理论设计制备稳定胶体量子点的教学设计

胶团模型是胶体化学的一个核心概念。胶团的电学性质取决于胶核表面和胶粒界面[9]。胶体的稳定性取决于粒子之间吸引和排斥能量之和。在胶核不变的情况下，随着电解质浓度降低，胶粒的双电层变厚（ζ电势增加），胶粒之间的排斥力增加，胶体变得更加稳定。在胶核表面引入电荷，同样能够增加胶核表面双电层的厚度（ζ电势增加），有利于胶体的稳定。在胶核表面包覆有机配体、表面活性剂或聚合物，有机物的空阻效应能够减少胶核之间的引力，从而提高胶体的稳定性。

上述理论能够指导合成稳定的胶体量子点溶液。胶体量子点（如CdS、CdSe和CdTe等）是一种重要的零维半导体材料，颗粒大小小于10nm。由于其独特的荧光性质，在生物标记、发光二极管以及太阳能电池等领域有广泛的应用。制备稳定的胶体量子点是实现上述应用的前提[10]。高质量荧光量子点的胶核通常不带电荷，粒子之间的吸引力使量子点胶体有聚沉的趋势。在科学研究中，需对量子点表面进行配体修饰来减少胶核之间的引力，从而制备稳定性的量子点胶体。文献利用含巯基的“树枝状”分子对CdSe量子点进行表面包覆，得到稳定的水溶性胶体量子点（图4）。“树枝状”分子不仅降低了量子点之间的引力，同时能够阻止液相中氧气分子对量子点的光氧化作用，提高胶体在光照下的稳定性[11]。图4表明，“树枝状”分子的分支越多，包覆之后的CdSe胶体量子点就越稳定。在紫外光照射下，CdSe胶体量子点的特征激子吸收（吸光度OD）在40小时之内保持基本不变。上述量子点稳定性的前沿研究能够使学生更好地理解胶团模型和胶体稳定理论。

四、教学效果

通过在物理化学课程中引入光催化降解有机物反应、粗糙“湿接触”表面Wenzel方程的推导以及胶体量子点稳定性三个科研应用实例，使学生认识到基本理论能够应用于科研应用，培养了学生的创新意识。学生成绩有所改善，优秀率提高至10%以上。2016、2017、2018和2019年期末考试优秀率分别为5%、6.52%、11.11%和10%。学生能够初步将物理化学基本原理与科学研究和实际应用相联系，增强了自身的创新意识以及科学探索精神。作者指导本科生在北京市高校大学生化学实验竞赛和北航“冯如杯”学生学术科技作品竞赛中获奖，参加全国大学生创新创业训练计划。作者也获得大学生学科竞赛“优秀指导教师”、冯如杯“优秀指导教师”荣誉称号。在以后的授课过程中，我们将会继续挖掘科学研究和实际应用中的基本物理化学原理，完善课程设计，使师生得到共同成长。

参考文献：

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[9]彭笑刚.物理化学讲义[M].北京：高等教育出版社，2012：459-460.

[10]Aldana J.， Wang Y. A.， Peng X. Photochemical instability of CdSe Nanocrystals coated by hydrophilic thiols[J]. Am.Chem.Soc.，2001，123（36）：8844-8850.

[11]Wang Y.， Li J.， Chen H， et al. Stabilization of inorganic nanocrystals by organic dendrons[J]. Am. Chem. Soc.，2002，124（10）：2293-2298.