大學化學中的案例教學

摘 要：大學化學課程信息量大、知識點多、面廣，而且學時數有限，在教學過程中引入“案例教學法”，將課本上很多的知識點通過一個典型例子有機地聯系起來，從而取得良好的教學效果。該文以氫氧化合反應為例，將化學熱力學、化學動力學、氧化還原反應、電化學、清潔能源氫燃料電池以及其在軍事中的應用等知識點有機聯系起來，對大學化學的課堂教學將起到事半功倍之效。

關鍵詞：大學化學 案例教學 氫氧化合反應

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）01（a）-0084-01

大學化學是一門涵蓋無機化學、分析化學、物理化學、有機化學等豐富知識的基礎課程，知識點多、面廣。作為我校的一門全校性公共基礎課，除少數文科專業的學生外，絕大部分專業的學生都要學習這門課程。因此，學生構成比較復雜，既有高中學理科甚至參加過中學生化學奧林匹克競賽的學生，也有高中階段幾乎沒有學過化學的學生。授課中學生反映，部分學生習慣于高中學習階段化學少而精的知識學習模式，對大學化學信息量大、知識點多的授課特點不適應，學習上面臨著困難。

針對大學化學課程的這一特點，以及目前學時數的限制，在化學教學中引入“案例教學法”，引導學生利用已有知識對案例進行分析，將課本上很多的知識點通過一個典型例子有機地聯系起來，從而取得更好的教學效果。案例教學法起源于1918年，由美國哈佛大學工商管理研究院首創，是在教學過程中，運用事例激發學生學習興趣，啟發學生學習的一種教學方法。[1～3]下面以氫氧化合反應為案例，來聯系大學化學中的多方面內容，從而對該案例進行全面的綜合分析。氫氣和氧氣反應生成水是學生在剛開始接觸化學就學習過的簡單的化學反應，以之為例可以聯系大學化學課程中多個知識點，使同學們更好地聯系和掌握大學化學中的內容，提高教學效果。

氫氧化合反應方程式：

1 與化學反應熱力學的聯系

（1）氫氣的標準摩爾燃燒焓。

1 mol標準狀態的某物質B完全燃燒（或完全氧化）生成標準狀態的生成物的反應熱效應稱為該物質B的標準摩爾燃燒焓，用符號表示。所以此化學反應的熱效應就等于氫氣的標準摩爾燃燒焓。

（2）水的標準摩爾生成焓。

標準壓力下，在進行反應的溫度時，由最穩定的單質合成標準狀態下1 mol物質時的反應熱，稱為該物質的標準摩爾生成焓，用符號表示。所以此化學反應的熱效應就等于氫氣的標準摩爾燃燒焓。

（3）該化學反應的熱效應如何？

化學反應的熱效應可以有以下兩種計算方法：用標準摩爾燃燒焓計算，

則=；

用標準摩爾生成焓計算，則：

。

（4）該反應室溫下（298 K）標準狀態下能否自發進行？

等溫等壓條件下，封閉系統不做非體積功時，化學反應能否自發進行判斷的標準是其吉布斯（Gibbs）自由能變是否小于零。即

<0，所以該反應可以自發進行，且趨勢很大。

2 與化學反應動力學的聯系

（1）這是一個自發進行的反應，為什么兩者混合的氣體在室溫下長時間也觀察不到水生成？

盡管氫氧化合反應在常溫下是一個自發進行的反應，但是由于兩者的反應的活化能非常高，因此，室溫下的反應速率極其小，幾乎不反應，以至于在長時間后也觀察不到水的生成。

（2）為什么點燃后能迅速反應，甚至發生爆炸？

通過點燃，使氫氧混合物獲得初始反應的能量，氫氣解離成兩個自由基，這種自由基具有非常強的化學反應活性，成為反應連續進行的活化中心，從而進行快速的熱-鏈式反應（也叫鏈鎖反應）。如果氫氣和氧氣混合物的比例在氫氣爆炸界限范圍內（4%～74%），則可能發生爆炸。

3 與氧化還原反應和電化學的聯系

（1）這是一個氧化還原反應，氫氣是還原劑，被氧化，氧氣是氧化劑被還原。

（2）可做氫燃料電池，半電池反應如何？電池符號如何表達？標準電動勢是多少？

任何的氧化還原反應都可以設計成原電池，現在利用氫燃料制備氫燃料電池是清潔能源發展的一個重要方向。該電池的電池反應如下：

負極

正極

電池總反應，

與氫氧化合反應方程相同。

電池符號可用下式表示：（—）C|H2（p）|KOH（aq）|O2（p）|C（+），該電池的標準電動勢Ecell=φ（+）-φ（-）=0.401-（-0.827）=1.228V，也可以根據吉布斯自由能變計算Ecell =1.229 V。

（3）在電池中不能點燃，如何解決氫氧化合反應速率慢的問題？

可以通過催化法，提高反應的速率。催化劑是一種能改變化學反應速率，其本身在反應前后質量和化學組成均不改變的物質。所以在燃料電池中，為了便于進行電極反應，要求電極材料兼具有催化劑的特性，可用多孔碳、多孔鎳和鉑、銀等貴金屬作電極材料。

（4）燃料電池中能量轉換效率如何？

燃料電池是直接將化學能轉化為電能的裝置，與傳統內燃機的工作原理不同，燃料電池能量轉化效率不受卡諾（Carnot）循環的限制，而是取決于化學反應的吉布斯（Gibbs）自由能和反應熱。燃料電池的理論極限效率。由于電極極化損失、內阻和燃料利用率等因素影響，燃料電池的實際發電效率可以達到60%～80%，遠高于傳統的發電方式（發電效率不超過50%）。則標準狀態下，298 K時氫燃料電池的理論極限效率為。

4 與軍事應用的聯系

火箭發動機是運載火箭等航天飛行器和各種戰術戰略導彈系統的動力裝置，而推進劑則是火箭發動機中的能源。雙組份液體火箭推進劑由于氧化劑和燃料分別裝在兩個獨立儲箱中，使用比較安全，是目前火箭、導彈動力系統中使用最多的液體推進劑組合。其中氧化劑使用的較多的是液氧，而液氫是其最常用的燃料之一。氫氣和氧氣在火箭發動機燃燒室中進行燃燒，把化學能轉化為熱能，產生高溫高壓氣體。這些氣體在噴管中進行絕熱膨脹，把釋放出的熱能轉變為動能，通過以上分析可以看到，該案例很好地將化學反應的基本規律（化學熱力學、化學動力學以及氧化還原反應）及其應用（燃料電池、火箭動力）等知識聯系起來，進一步深化該案例還可以引入物質結構等方面的相關內容。

本科教學中一個很重要的任務就是教師在課堂教學中要自覺引導、啟發學生發現問題、分析問題、解決問題，在課堂中引入簡單的例子，而從不同的角度對其進行分析，聯系多個知識點，對于學生掌握書本知識，增強綜合運用知識解決問題的能力具有重要意義。

參考文獻

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