熵變與化學教學

　　摘 要： 在化學教學中結合熵增加原理的應用實例進行教學可以幫助學生認識化學科學在生產生活中的應用，使學生認識到我們所學的化學是在生產和生活中有著廣泛應用的科學，進而激發學生學好化學的興趣。
　　關鍵詞： 高中化學新課程 熵變 激發興趣
　　
　　《普通高中化學課程標準（實驗）》（以下簡稱化學課程標準）在內容標準中明確要求：能用焓變和熵變說明化學反應的方向。這是我國自1949年以來首次在中學化學課程目標中提出熵變的知識要求，根據化學課程標準編寫的高中化學教材中也以不同的方式呈現了熵變的相關內容。為什么在中學化學課程中要增加熵變的內容呢？在化學教學中如何進行熵變的教學？我就這一問題談談想法。
　　1.熵和熵變
　　熵（entroy）的概念最早由克勞修斯引進熱力學的。1877年，波爾茲曼從微觀角度對熵加以詮注：熵是組成系統的微觀粒子熱運動混亂程度大小的量度，系統微觀態數目（Ω）與組成系統的微觀粒子熱運動的混亂程度（S）成正比，即S=klnΩ。
　　當系統發生變化時，其方向和限度可以用熵變來度量。在孤立系統（體系與環境之間既沒有物質交換，也沒有能量交換）中進行的一切不可逆變化過程總是向熵增加的方向進行，這就是著名的熵增大原理。對于可逆過程，在孤立體系中，系統自發地由非平衡態趨向平衡態的過程是一種熵增加的過程，平衡態的熵最大。
　　對于通常討論的化學反應系統，往往都不是孤立（或絕熱）系統，而是與環境之間僅有能量交換沒有物質交換的封閉體系，體系的自由能變與體系的焓變和熵變之間存在著下列關系：
　　ΔG=ΔH-T?ΔS。
　　體系的自由能變ΔG可用作化學反應的方向和限度的判據。
　　ΔG＜0（反應正向自發進行）=0（反應達到平衡狀態）＞0（反應逆向自發進行）
　　2.中學化學教學中熵變的教學要求
　　為了落實化學課程標準對熵變的教學要求，人民教育出版社出版的高中化學教材在《化學反應原理》中給出了這樣的描述：“在自然界還存在著另一種能夠推動體系變化的因素，即在密閉條件下，體系有由有序自發轉變為無序的傾向……在與外界隔離的體系中，自發過程將導致體系的熵增大，這個原理也叫熵增加原理，在用得來判斷過程方向時，就稱為熵判據。由能量判據（以焓變為基礎）和熵判據組合而成的復合判據，將更適合于所有的過程。”江蘇教育出版社出版的高中化學教材在《化學反應原理》中也給出了相似的描述：“除了熱效應外，決定化學反應能否自發性進行的另一個因素是體系的混亂程度，衡量一個體系混亂程度的物理量叫做熵，反應前后體系熵的變叫做反應的熵變（ΔS）。化學反應的ΔS越大，越有利于反應自發進行……體系能量降低和體系混亂度增大都有促使反應自發進行的傾向，要正確判斷一個化學反應是否能自發進行，必須綜合考慮反應的焓變和熵變。”
　　分析化學課程標準熵變的教學要求和高中化學教材中熵變內容的呈現方式，中學化學課程中“熵變”的學習目標可概括為：
　　（1）知道可以用熵衡量一個體系混亂程度。
　　（2）知道體系的熵增大有利于反應的自發進行。
　　（3）能用焓變和熵變對常見簡單化學反應方向做出說明。
　　因而，在實際化學教學中，我們應根據課程標準和教材的教學要求組織教學，重點是讓學生知道不僅僅是放熱有利于反應的自發進行，體系的熵增大也能促使反應自發進行。而對于“能用焓變和熵變說明化學反應的方向”的教學要求的落實，我們要很好地理解“說明”二字，不能要求學生用焓變和熵變“判斷”化學反應的方向，因為對反應方向的判斷必須要綜合考慮反應的焓變和熵變。例如，我們可以要求學生：說明常溫常壓下反應2H（g）+O（g）=2HO（g）能自發進行的原因（答案：ΔH＜0），或說明高溫下反應2HO（g）=2H（g）+O（g）能自發進行的原因（答案：ΔS＞0），由于學生已有的知識和經驗知道氫氣在氧氣中燃燒是放熱反應，而水分解成氫氣和氧氣的反應體系的混亂度增加，因而學生能夠順利地回答這類問題。但是我們不能要求學生回答諸如“判斷下列反應能否自發進行”或“指出下列反應自發進行的方向”等問題，因為學生已有的知識不能回答這類問題，而且這類問題的解決也超出了中學化學課程標準的要求。
　　3.中學化學課程中增加熵變內容的意義
　　3.1激發學生學習化學的興趣
　　雖然熵和熵變最初是兩個基本的熱力學的概念，但熵的概念已經滲透到化學、生物學、經濟學、社會學等自然科學和社會科學的各個領域。近代社會中的資源問題，環境問題，人口爆炸性增長問題，也存在著熵的問題，已有人提出，熵是一種新的世界觀。在化學教學中結合熵增加原理的應用實例進行教學可以幫助學生認識化學科學在生產生活中的應用，使學生認識到我們所學的化學是在生產和生活中有著廣泛應用的科學，是能夠造福社會造福人類的科學，進而激發學生學好化學的興趣。
　　例如，生命體的生長、發展、繁殖和新陳代謝，是靠生物體中成千上萬個生物化學反應高度有序、協同一致來實現的。破壞了這種對于生命系統的有序，生命就無法持維。生命體是一個與周圍環境不斷進行物質和能量交換的開放系統，該系統的總熵變為：
　　ΔS=ΔS+ΔS。
　　式中ΔS為系統的總熵變化率，ΔS為系統與外界交換物質和能量所引起的熵變，ΔS為系統內部的不可逆過程引起的熵變，根據熵增加原理，ΔS≥0，若ΔS＜ΔS，即系統通過與外界交換物質和能量獲取的負熵足夠強。它除了抵消系統內部的熵增外，還能使系統的總熵減少，表示系統將從無序轉向有序。
　　達爾文進化論指出，進化的方向由簡單到復雜、由低級到高級。總之，是朝有序的方向發展的。生物體從外界吸收營養、排出廢物就是吸收高度有序的低熵大分子物質（如蛋白質、淀粉）而排出無序的高熵小分子物體，使體系的總熵減小，從而維持生命。
　　3.2幫助學生形成科學發展觀
　　讓學生形成構建和諧社會和可持續發展的科學發展觀是化學教育的重要目標之一，在化學教學中增加熵變內容的教學可以幫助學生很好地理解科學發展觀的本質，促使學生為構建和諧社會和可持續發展做出努力。
　　從熱力學角度來看社會，人類社會是一個開放的系統。社會系統要維持內部的有序性與進化，必須首先依靠能量、負熵的輸入。在這個意義上，“能量流”是社會的生命與發展之源，社會發展依賴于更大規模的獲取、儲存和利用能量。但論在地球上還是在宇宙任何地方建立起任何秩序，都必須以周圍環境的更大混亂為代價，因為宇宙的能量總和是個常數，總的熵是不斷增加的。當熵達到最大值時，則表示一切有效能量均消耗殆盡。
　　地球環境—能源（資源）—人類社會共同構成一個復雜的復合系統。人類通過生產活動（進行能量轉換的活動）從自然界獲得能量，當能量通過生產活動進入人類社會以后，它要流經社會的每一部分，最后被消耗掉，廢物排放到自然環境。由于人類無節制地開采和消耗化石能源和其他礦物資源，從而不僅使大面積的地質環境和地表環境受到破壞，使海洋環境受到嚴重污染，而且由于超極限的排放CO、SO、NO等溫室氣體和酸性氣體的污染物質，引發了氣候變暖、酸沉降和大氣污染、土地荒漠化、生物多樣性銳減等全球性的環境問題，使人類的可持續生存和發展面臨空前的危機。
　　熵增加原理告訴我們，要擺脫社會可持續發展與昂貴的生存環境代價的兩難境地，人類必須自覺走進低能耗和低熵社會。要以環境能源（資源）倫理道德體系和法律政策體系為社會支持，規范人們的能源（資源）開發和消費方式、生產活動方式和社會生活方式，實現人類社會由工業化的生產、生活方式向生態社會的生產、生活方式的轉型，實現低熵的人類社會與低熵的地球環境系統的和諧相處、共同進化和發展。
　　
　　參考文獻：
　　［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準［M］.北京：人民教育出版社，2003.
　　［2］宋心琦主編.普通高中化學教材（實驗）化學反應原理［M］.北京：人民教育出版社，2003.
　　［3］王祖浩主編.普通高中化學教材（實驗）化學反應原理［M］.南京：江蘇教育出版社，2003.
　　［4］王西明.熵、耗散結構與生命科學［J］.中學物理教學參考，1994，（10）.