橡皮筋與化學熱力學

文章編號：1005－6629(2006)12－0041－02中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

美國化學教育中有一個利用橡皮筋為主要實驗器材幫助學生主動建構有關化學熱力學知識的課堂學生活動設計案例，對于我們理解、實施新的化學課程標準有一定的借鑒作用，現介紹如下：

1活動設計的背景

化學熱力學知識由于其內容的抽象性，往往成為學生學習的一個難點，如何設計并實施一個有效的課堂活動，幫助學生在活動中去體驗、建構這一內容？這是本活動設計的主要目的，該活動利用學生生活中常見的橡皮筋為主要器材，將抽象的理論知識融入形象有趣的活動之中。這一活動適用于普通高中化學課程標準中選修模塊“化學反應原理”中“主題2化學反應速率和化學平衡”的“能用焓變和熵變說明化學反應方向[1]”及勒夏特列原理的課堂教學中，可以在活動中讓學生形成熵、焓、吉布斯自由能的概念及勒夏特列原理。

2活動設計的原理

橡皮筋的主要成份是橡膠，天然橡膠是聚異戊二烯的長鏈結構(如圖1)，合成

橡膠也是有著相似結構的線型

聚合物，橡膠的彈性是這些長

鏈結構處于不同的程度拉伸和收縮狀態下的表現結果。

熵是一種用來衡量分子混亂程度的物理量，當分子混亂度變大時，熵發生變化△S是正數。當分子混亂度變小時，△S是負數。橡皮筋在拉伸和收縮狀態之間的變化時，熵發生了變化：拉伸狀態下結構更加有序——熵值變小，當收縮狀態時它恢復到更加混亂的狀態——熵值變高(如圖2)，因此，熵的變化(△S)在拉伸時是一個負數。當物質從一種狀態變到另一狀態時，與環境也同時發生能量交換，在一定的壓強下，某一過程中能量以熱能的形式傳遞給環境時，焓變(△H)為一負值。橡皮筋拉伸后很快地接觸前額會感覺到明顯的發熱，當被繃緊的橡皮筋被拿著在空氣中保持幾秒鐘后，突然收縮并迅速接觸前額，會有明顯的涼意。這是因為橡皮筋在拉伸狀態下，更強的分子間吸引力使分子排列更加整齊、有序，而形成這種吸引力的過程是放熱的，所以當橡皮筋收縮時有熱傳遞到周圍環境，也就是說，拉伸時焓變(△H)為負數。

在一定的溫度和壓強下對于一個自發進行的過程，吉布斯自由能的變化△G＝△H－T△S(△G是吉布斯自由能；T是熱力學溫度或絕對溫度；△H是焓變；△S是熵變)一定是一個負數，因為溫度總是正值，一個負的焓變和正的熵變(即通過對環境釋放能量和熵值變大)可以支持自發過程。當然，兩個因素也不必對自發過程同時有利，溫度恰當時其中一個能提供足夠的支持即可。橡皮筋拉伸時需要外部施力提供能量，是一個非自發過程(△G＞0)，該過程中熵變和焓變均為負數；橡皮筋收縮時是一個自發過程(△G＜0)，該過程中熵變和焓變均為正數。

勒夏特列原理是平衡移動原理，是一種能夠預測平衡移動方向的有效工具。當外力作用于橡皮筋使其“松緊”平衡趨于拉緊狀態時，平衡將促使其收縮以減緩繃緊程度，即拉伸越來越困難；同時由于橡皮筋拉伸過程中放熱(焓變減小)，因此升溫時將促進其收縮。活動中把一個被橡皮筋拉緊的約150g的物體輕輕放在電子天平上使其質量約為20g，當用一個高照度的白熾燈照射橡皮筋使之受熱時，經過大約45s后會發現質量明顯減輕，這表明拉緊的橡皮筋在受熱時收縮。

3活動開展的過程

實驗器材：橡皮筋，高照度的白熾燈，精確到0.1g的電子天平，鐵架臺，重約150g的砝碼(或質量相近的普通掛鎖)，秒表。

實驗步驟：

(1)把一根處于正常收縮狀態的橡皮筋靠近你的前額幾秒鐘，然后拉緊它直到其正常長度的三倍，并很快接觸你的前額，感受橡皮筋的溫度變化。如果需要，重復幾次直到你得到一個確切的結論。

(2)拉緊橡皮筋至其正常時長度的三倍并在空氣中保持大約20秒，現在讓其小心地收縮并快速靠近你的前額，感受橡皮筋的溫度變化。

(3)運用勒夏特列原理預測升溫對橡皮筋會產生什么樣的影響。

(4)將橡皮筋剪斷，一端系在固定架上，另一端系上重約150g左右的砝碼，調節固定架的高度使砝碼落在電子天平上的質量顯示約為20g(如圖)，當天平的數字穩定時記錄下來。

(5)把高照度的白熾燈盡可能地靠近橡膠帶，不能接觸，然后打開開關， 45s時記錄其質量變化， 你是否觀察到你在第三步所預測的結果了? 說明原因？

4活動中可能生成的問題設計

(1)橡皮筋不會自動拉伸，你能說出橡皮筋拉伸和收縮時什么發生了變化？這些變化過程中吉布斯自由能又如何變化？在“松緊”的箭頭上方或下方標上“自發”或“非自發”。(參考答案：拉伸橡皮筋不是一個自發過程，△G一定是正值；當橡皮筋放松時它自動縮短，△G是負值；在“松

緊”變化過程中：從松到緊是非自發的，從緊到松是自發的。)

(2)鍵的形成或分子間的引力的加強導致放熱過程，根據你第一步所觀察到的現象，解釋當橡皮筋拉緊時，橡膠分子間的引力加強導致發生了什么？(當橡皮筋拉伸時分子間的引力被加強)

(3)橡皮筋自動收縮時的焓變是否有利于自發過程的進行？為了使自動收縮發生，熵變必須怎樣變化？當其拉伸或收縮時，你的答案是如何與橡膠分子結構相聯系的？(橡皮筋的收縮是一個吸熱過程即△H＞0，這對一個自發過程是不利的。所以熵必須增加，△S是正數。這個過程是當橡皮筋收縮時橡膠中的分子鏈變得更加混亂導致熵值增大產生的。)

參考文獻：

[1][3]中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學課程標準(實驗)[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2]Warren Hirsch. Journal of Chemical Education， 2002，79(2): 200A-200B.

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