以热力学为主线的无机化学反应原理教学内容再思考_刘宗怀.pdf
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1、 Univ.Chem.2023,38(2),253259 253 收稿:2022-05-08;录用:2022-07-04;网络发表:2022-09-08*通讯作者,Email: 基金资助:陕西师范大学一流课程无机化学教学资源建设(2021)师生笔谈 doi:10.3866/PKU.DXHX202205028 以热力学为主线的无机化学反应原理教学内容再思考以热力学为主线的无机化学反应原理教学内容再思考 刘宗怀*,何学侠,陈沛,石峰 陕西师范大学材料科学与工程学院,西安 710119 摘要:摘要:针对大学无机化学教材虽讲授热力学初步原理但应用不足的实际情况,以化学反应过程Gibbs自由能变化rGm
2、为主线,处理以离子反应为特征的沉淀溶解平衡、氧化还原平衡、酸碱平衡及配位平衡,使学生从热力学角度理解和认识“化学平衡”,克服以化学反应速率动力学引入和描述“化学平衡”导致的弊端,实现对“化学平衡”本质认识及在以离子反应为特征反应体系中的应用,期待构建热力学主线下的无机化学反应原理教学内容。关键词:关键词:无机化学;化学热力学;化学平衡;化学反应原理 中图分类号:中图分类号:G64;O6 Reconsideration of the Teaching Content of the Inorganic Chemical Reaction Principles with Thermodynamics
3、 as the Main Line Zonghuai Liu*,Xuexia He,Pei Chen,Feng Shi School of Materials Science and Engineering,Shaanxi Normal University,Xian 710119,China.Abstract:The preliminary principles of chemical thermodynamics have been introduced in current inorganic chemistry text books but have not been well app
4、lied to examples.In this paper,the Gibbs free energy change rGm is taken as the main line of the teaching content of chemical reaction process.It is used to deal with the precipitation-dissolution equilibrium,oxidation-reduction equilibrium,acid-base equilibrium and coordination equilibrium with ion
5、ic reaction characteristics.These enable students to understand“chemical equilibrium”from the perspective of thermodynamics,overcome the drawbacks of describing“chemical equilibrium”in terms of chemical reaction rate kinetics,and achieve the essential understanding of“chemical equilibrium”and its ap
6、plication in reaction systems with ionic reaction characteristics.Moreover,the teaching content of the inorganic chemical reaction principles is reconstructed according to the main line of chemical thermodynamics.Key Words:Inorganic chemistry;Chemical thermodynamics;Chemical equilibrium;Chemical rea
7、ction principle 1 引言引言 化学反应原理是中学化学及大学无机化学中逻辑性强、内容丰富而应用广泛的教学内容,而化学平衡是化学反应原理教学的主要载体,包括以离子反应为特征的酸碱平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原平衡及配位平衡等,主要研究化学反应进行程度及影响因素等各类平衡问题,具有基础理论系统性和应用广泛性1。同时,化学平衡不仅是学生掌握化学反应本质和基本规律的基础,也是认识科学本质的过程。从学生角度来看,化学平衡概念最早出现在高中化学必修或选修教材选修四化254 大 学 化 学 Vol.38学反应原理2,3中,是从化学反应与能量、化学反应速率和化学平衡以及溶液中的离子平衡等方面,探索
8、化学反应的规律及应用。化学平衡属于第二章“化学反应速率和化学平衡”第三节内容,包括可逆反应与不可逆反应、化学平衡状态和化学平衡常数,教学目标是学生建立变化观,初步达到具备认识化学反应规律和理解化学反应理论的能力。但是,学生在无机化学课程学习化学平衡知识时,大部分采用与高中教材相类似的动力学处理方式,即从动力学反应速率概念引入化学平衡,通过正逆反应速率相等来判定化学反应平衡达成与否;不同系统达到平衡所需时间各不相同,但其共同特点是平衡后系统中各物质的数量均不再随时间而改变46。这样的教学体系和知识内容安排与高中化学教学内容相比,学生感到尽管化学平衡教学体系和教学内容有变化,但雷同点多、区分度不明
9、显、本质描述不够。导致学生学习时感觉轻松而本质性理解不足,学习兴趣锐减。因此,如何根据学生在高中阶段对化学平衡知识点的掌握程度及大学无机化学对于热力学学习知识点需要,在无机化学课程教学中增强学生对以离子反应为特征的平衡反应本质的认识和理解,是无机化学反应原理教学内容迫切需要关注的课题。目前,已有学者从热力学出发讨论建立化学平衡概念的方法,如厦门大学黄华奇等7不采用动力学处理方式,而纯粹采用热力学循环推导了化学平衡常数的热力学表达式,在克服上述弊端方面进行了有益尝试。2 热力学为基础“化学平衡”建立热力学为基础“化学平衡”建立 化学平衡属于热力学研究范畴,而化学反应速率是动力学讨论内容。通过调研
10、发现,现有高中化学及大部分无机化学教材关于化学平衡概念,均是以时间变量化学反应速率动力学体系导入,这种通过时间变量动力学方法来处理无时间变量热力学体系,显然存在概念混乱和处理方法欠妥,导致高中和大学无机化学关于化学平衡教学体系与内容雷同点多。既然化学平衡属于热力学研究范畴,理应从热力学体系出发理解和认识化学平衡本质。从目前国内使用的大部分无机化学教材知识体系来看,知识编排体系主要以“物质结构反应热力学和动力学水溶液化学平衡及其应用元素及其化合物应用”的逻辑顺序展开,也即化学反应热力学教学内容是在以离子反应为特征溶液体系四大平衡及其应用教学之前完成1,46。学生通过化学热力学基础内容学习,初步掌
11、握了应用化学热力学研究化学反应的基本方法,即从研究对象的起始状态和终止状态出发,对化学反应进行规律性讨论。尽管学生学习了化学热力学初步知识,但大多无机化学教材在处理水溶液化学平衡及其应用教学内容时,也未应用化学热力学知识进行化学平衡讨论。虽有少数教材引入了热力学,但在化学平衡处理上并没有应用热力学推导,而是直接给出了化学反应等温式8,9。这样的知识处理使得学生对于化学平衡及其应用缺少本质上的认识,也使得化学反应原理部分教学内容科学性、系统性和应用性显得不足。为此,如何在学生掌握化学热力学知识基础上,通过化学热力学讨论化学平衡本质及其应用于以离子反应为特征的溶液体系四大平衡,实现学生对化学平衡从
12、初期经验认识到热力学本质理解,也是以离子反应为特征溶液体系四大平衡及其应用教学体系与教学内容改革的有益尝试。热力学是从宏观角度研究体系变化过程能量变化和过程的方向与限度,化学热力学则是热力学在化学中的应用,主要涉及化学反应的热效应、化学反应的方向与限度、化学平衡、溶液与相平衡、电化学热力学、表面与界面化学热力学等内容。在众多无机化学教材体系中,热力学主要讨论化学反应的热效应、化学反应的方向与限度及溶液体系化学平衡1,8。热力学在讨论一个化学变化时,只关注反应体系的起点和终点,而不考虑变化过程中物质的微观结构和变化过程机理。同时,只关注在确定条件下体系变化能否发生,发生后能够进行到什么程度,而无
13、需考虑变化需要的时间,即只考虑体系变化前后的净结果,而不考虑变化进行的细节。对于一个按照化学计量(反应进度为1 mol)进行的反应,一定状态下(确定的温度、分压、浓度、物相)的反应物(始态)完全转变为产物(终态),其状态函数变化量作为热力学判断依据,但变化量与过程经历的反应历程无关。即化学反应是宏观体系变化过程,只要反应始态(反应物)和反应终态(生成物)确定,反应过程的总变化量一定,因而只关注变化量是热力学认识化学反应的基本特征7。No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202205028 2551873年,美国物理化学家Gibbs提出用化学反应过程的自由能变化来处理化学反应平衡问题
14、。指出化学反应达到平衡时,反应体系的Gibbs自由能最小,即所有生成物的Gibbs自由能之和等于所有反应物的Gibbs自由能之和,提出rGm=0 kJmol1是化学平衡建立的充分必要条件10,建立了化学反应标准摩尔Gibbs自由能变化rGm与化学平衡常数K之间的定量关系rGm=RTlnK。其中rGm是化学反应标准摩尔Gibbs自由能变化,可以通过查热力学数据表依据公式rGm=fGm(生成物)fGm(反应物)计算得到。因此,对于标准状态下的化学反应体系,通过计算反应过程的标准摩尔Gibbs自由能变化rGm,就可以计算反应平衡常数,并根据平衡常数大小判断反应进行程度及理解平衡常数物理意义。依据类似
15、标准状态处理方法,对于非标准状态下的化学反应变化,是否可通过化学反应过程Gibbs自由能变理解化学反应呢?对于任意状态下的化学反应,按照化学计量比从反应物始态完全转变为产物终态,其转换过程Gibbs自由能变rGm也是判断化学反应方向及程度的唯一依据。为计算任意状态下化学反应过程Gibbs自由能变rGm,就需要计算等温条件下反应物和产物浓度从标准浓度c(molL1)到任意浓度c变化过程中Gibbs自由能变化。为此,可设计如图1所示化学反应过程热力学循环,进而推导出任意状态及标准状态下摩尔反应Gibbs自由能变化关系7。图图1 溶液相化学反应过程热力学循环图溶液相化学反应过程热力学循环图 图1中c
16、为标准浓度1 molL1,cA、cB、cC和cD分别为反应物和产物在任意状态的浓度。对于一个化学反应,其在标准状态下反应进度为l mol时的Gibbs自由能rGm变化是一常数,其值可通过查表计算获得。循环过程中的G1和G2分别是在等温条件下,反应物和产物从标准浓度c变化到浓度c过程中的Gibbs自由能变化。因此,借助于图1所示的热力学循环,任意状态变化过程的Gibbs自由能变化rGm可以由盖斯定律得到:rGm=rGm G1 G2 在等温条件下,将循环体系中反应物浓度从开始的c变化到任意状态c,即反应物A浓度从c cA,B浓度从c cB,则此过程的Gibbs自由能变化为G1:G1=RTln(cA
17、/c)a+RTln(cB/c)b 同理,在等温条件下,将循环体系中生成物浓度从任意状态c变化到c,即生成物C浓度从cC c,D浓度从cD c,此过程的Gibbs自由能变化为G2:G2=RTln(c/cC)c+RTln(c/cD)d 因此,任意状态下从反应物到生成物的Gibbs自由能变rGm为:rGm=rGm (RTln(cA/c)a+RTln(cB/c)b)(RTln(c/cC)c+RTln(c/cD)d)=rGm+RTln(cC/c)c(cD/c)d)/(cA/c)a(cB/c)b)=rGm+RTlnQ 由于rGm=RTlnK,因而 256 大 学 化 学 Vol.38rGm=RTlnK+R
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