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浅谈标准摩尔生成焓教学的拓展与延伸

发布时间:2016-12-05  点击量:

 【摘要】创新是当今社会的热点问题,对于高校教师,教学创新是责无旁贷的。拓展延伸是课程学的组成部分,也是教学创新的一个重要着力点。拓展教学的方式多种多样,本文主要将热力学方面的科研成果应用于物理化学课程中标准摩尔生成焓的拓展与延伸,把较肤浅的理论知识在课堂教学中拓展,难度较大的实际操作作为课外专题性探究拓展,从而使拓展既立足于教材,又超越了教材。这样以科学研究为题材的适时适度的拓展教学,不但可以激发学生的科研兴趣和学习积极性,而且能够提高课堂效率、打造高效课堂。 
  【关键词】课堂教学 拓展 延伸 生成焓 科学研究 
  【基金项目】重庆市教委化学特色专业建设项目,长江师范学院教育教学改革研究项目(201107)。 
  【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2016)08-0160-02 
  拓展延伸教学是素质教育的一个重要方面,它不但可以巩固所学知识、运用知识解决相关实际问题,而且可以训练学生的技能技巧、促进智力发展。如今,小学、初中和高中阶段的新课标与新教材要求教师积极开展拓展教学,对于高等教育阶段的课堂教学来说,授课对象是即将步入社会或者继续深造的本科生和研究生,因此更应该注重教学的拓展延伸。然而,纵观时下的课堂拓展教学,仍然存在一些问题。一种情况是部分老师畏首畏尾、不敢拓展,把拓展延伸视为在教学过程中简单地进行题型变换。而另一种情况是有些老师一味地追求课堂内容的新鲜感,脱离了教学内容和学生的实际学习状况,无限制地拓展,导致许多学生不堪重负、一片迷惘。由此可见,教师应该将拓展教学和教材内容有机地结合起来,在适当的时间开展深度适宜的拓展延伸,着眼于培养学生的创新思维和实践能力,这样拓展教学才是有效而又成功的。对此,笔者根据大学理工科课程的特点和自己的科研经历,浅谈物理化学课程中标准摩尔生成焓的拓展教学,意在抛砖引玉,以期更多的高校教师将科研成果运用于课堂教学的拓展与延伸。 
  1.标准摩尔生成焓的作用与重要性 
  首先,了解一下标准摩尔生成焓的概念。在温度为T的标准态下,由稳定相态的单质生成化学计量数νB=1的β相态的化合物B(β),该生成反应的焓变即为该化合物B(β)在温度T时的标准摩尔生成焓[1]。通过学习物理化学教材,学生只知道标准摩尔生成焓是计算标准摩尔反应焓的基础热数据。这样的认识显然是不够的,有必要对标准摩尔生成焓的作用与重要性进行拓展延伸。为此,笔者将自己在含能材料领域的科学研究作为拓展教学的资源。大家熟知的炸药、推进剂和烟火药剂都属于含能材料,生成焓是含能材料研发过程中涉及到的一个重要的热力学数据,性能优异的含能材料通常具有高的标准摩尔生成焓。因此,生成焓可以作为评价含能材料性能的一项指标。这样就拓宽了学生对标准摩尔生成焓重要性的认识和理解。 
  2.标准摩尔生成焓的获取方法 
  通过对教材内容的学习,学生了解到凭借仪器设备可以测定各种物质的标准摩尔生成焓。但是,他们并不知道通过一些已有的实验数据,再加上必要的理论计算就能够得到新物质的标准摩尔生成焓。对于这个问题,可进行如下的拓展教学。经过文献调研得知,根据量子化学计算结果可以预估气相生成焓,归纳起来主要有三种方法。第一种方法[2]就是运用已知的单个原子的气相生成焓和计算得到的原子化能预估目标化合物的气相生产焓;第二种方法[3]是基于赫斯定律,结合量子化学模拟和实验所得信息计算目标体系的气相生产焓;第三种方法[4]主要是采用原子和基团等效机制,此方法也需要大量与目标化合物结构相似的物质的实验生成焓。显然,从理论上准确预测物质的标准摩尔生成焓是非常有意义的,这可以节省大量的时间和资金。尤其是对于含能材料这类爆炸性物质来说,实验上测定它们的生成焓具有一定危险性,通过理论计算预估其标准摩尔生成焓就更有必要了,据此可以预测新型含能材料的爆炸性能,为含能材料的设计与制备提供极具参考价值的理论信息。 
  3.代表物的理论标准摩尔生成焓 
  通过前面的拓展教学,学生已经掌握了标准摩尔生成焓的重要作用,也知道可以从理论上计算物质的标准摩尔生成焓。但是,他们对标准摩尔生成焓的理论模拟计算没有直观和清晰的认识。接下来,以两个具体的例子比较分析标准摩尔生成焓的理论计算和实验研究。 
  首先,讲解一个已经公开报道的关于含能材料生成焓的密度泛函理论估算的研究实例[5]。针对含能材料设计时缺乏生成焓的问题,2015年骆艳娇运用多种密度泛函方法计算了59种已知实验气相生成焓的含能化合物。经过统计分析得知,标准摩尔生成焓的最小平均绝对偏差仅为7.3 kcal/mol,这表明采用合适的密度泛函方法和基组可以较准确地预估含能化合物的气相标准摩尔生成焓。 
  其次,为了让同学们能够将常见物质的理论标准摩尔生成焓与教材中收录的实验值进行比较,同时了解理论计算过程的注意事项,笔者选择最常见的无机物水和有机物甲烷作为代表物,采用上述第一种方法即原子化能法计算研究二者的标准摩尔生成焓。由于物理化学教材中收录的是298.15K下的标准摩尔生成焓,所以理论计算需要分两步完成。第一步计算0K时物质的生成焓,第二步计算298.15K时物质的生成焓。通过查阅物理化学教材[1]的附录得知,甲烷和水在298.15K下的气相标准摩尔生成焓分别为-74.81 kJ/mol和-241.82 kJ/mol。此外,本文利用Gaussian03软件优化甲烷和水分子的结构,二者分别属于Td点群和C2v点群。表1给出了各种理论计算水平下甲烷和水在298.15K时的气相标准摩尔生成焓。 
  根据表1所列出的数据可以得到如下结论:(1)在密度泛函方法相同的情况下,基组对标准摩尔生成焓的计算值有较大影响,并且随着基组的增大,标准摩尔生成焓的误差基本上减小。(2)基组相同时,各种密度泛函方法的准确度也存在很大差别。当基组为6-311++G**时,对于甲烷和水来说,局域密度近似方法LSDA的误差都是最大的,分别为250%和59%。而混合密度泛函方法B3LYP与广义梯度近似方法PBE的误差都比较小。(3)对于不同种类的化合物,计算生成焓的最佳方法可能也不一样。如表1所示,采用PBE方法计算典型无机物水的标准摩尔生成焓的误差最小,仅为1%;采用B3LYP和PBE方法计算典型有机物甲烷的精度相当,误差均为8%。由此可见,运用量子化学方法能够比较准确地预估各种物质的标准摩尔生成焓,但首先必须对方法和基组进行系统地筛选,这样才能保证计算结果的正确性和可信度。 
  显然,以上关于标准摩尔生成焓的拓展教学内容主要还是 一些纯理论性的知识,这虽然可以增加学生的知识面、培养学生的发散思维和创新思维,但是在训练学生实践动手能力方面的作用不大。由于标准摩尔生成焓的理论计算比较复杂,所以这部分实际操作的拓展教学可以延伸到课外,把它作为课后专题性探究拓展。这样既不占用有限的课堂学时,又使得学生有充足的时间和精力完成拓展教学任务,由理论过渡到了实践,使学生的能力得到了及时迁移和显著提高,从而真正打造出高效课堂。 
  参考文献: 
  [1]天津大学物理化学教研室. 物理化学(简明版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010. 
  [2]Ochterski J W. Thermochemistry in Gaussian[M]. Pittsburgh: Gaussian Inc., 2000. 
  [3]Atkins P W. Physical Chemistry[M]. Oxford: Oxford University Press, 1982. 
  [4]Habibollahzadeh D, Grice M E, Concha M C, et al. Nonlocal density functional calculation of gas phase heats of formation[J]. Journal of Computational Chemistry, 1995, 16: 654-658. 
  [5]骆艳娇.多氮含能材料生成焓的密度泛函理论估算[D].西安: 陕西师范大学, 2015. 
  作者简介: 
  黄辉胜 (1982—),男,重庆武隆人,博士,副教授,研究方向为含能材料、理论和计算化学。


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