航空航天特色的大學化學教學與實踐

鹿現永　　楊青林　　朱　英

（北京航空航天大學化學與環境學院，北京100191）

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航空航天特色的大學化學教學與實踐

鹿現永*楊青林朱英

（北京航空航天大學化學與環境學院，北京100191）

摘要：在大學化學課程教學中，通過結合本校航空航天專業特色，激發學生的學習興趣，培養學生的專業自豪感和靈活運用大學化學基本概念和基本理論的能力。

關鍵詞：大學化學；航空航天特色；興趣；能力

大學化學是我校面向非化學工科專業開設的一門公共基礎課程，是剛入大學的工科大學生系統學習化學基本理論和化學知識的平臺。北京航空航天大學是一所具有航空航天特色和工程技術優勢的多科性、開放式、研究型大學。如何將學校特色和大學化學的教學進行融會貫通，密切聯系航空工業和現代科技發展的實際，體現化學與航空航天工業技術間的橋梁作用，是培養航空航天人才的重要組成部分。本文介紹在大學化學教學過程中如何結合航空航天知識加強學生對基本理論的掌握，激發學生對大學化學學習的興趣。

1　大學化學與航空航天結合的教學實踐

北京航空航天大學核心基礎課程——大學化學共60學時（理論課48學時，實驗課12學時）。課程考核采用習題集、課后習題、緒論小論文、實驗和考試等綜合累計考核方法。由于北京航空航天大學各非化學專業都具有獨特的航空航天特色，如何實現專業特色和大學化學教學有機結合，激發大學生對于大學化學的學習興趣是我們重要的教學理念。我們梳理每章教學內容的知識點與航空航天知識的結合點，重新修訂了大學化學教學大綱，并將其指導思想貫穿于全部的教學環節中。

1.1緒論與航空航天結合的教學實踐

緒論是大學化學課堂教學的第一課，在整個學科教學中起著提綱挈領的作用。通過緒論課，學生在明確本課程學習目的、學習內容和學習方法的同時，更要了解化學對所學專業領域所起的重要作用。我校非化學工科專業均有航空航天特色。通過講授化學在航空航天領域的中心學科作用，激發學生的學習興趣，同時為后續的學習創造一個良好的開端。下面通過具體的教學舉例，闡述在緒論中如何結合航空航天知識背景進行教學探索。例如通過講授航天飛行器——運載火箭、航天飛機所需要的動力來源于燃料的氧化反應，使航天飛行器系的學生了解原來除了數學計算、機械設計、力學測試，還有化學燃料提供飛行器的動力。中國載人航天工程實現了中國人幾千年的登天夢想。宇航員身著的宇航服在維持其生命活動和工作能力方面起到了重要的作用［1］。通過介紹宇航服的高級混合纖維具有高強度、耐高溫、抗撞擊和耐輻射的功能，引起學生對特種纖維成份的好奇。隨后介紹組成特種纖維的滌綸和尼龍的化學結構和化學合成方法，大大激發了材料專業學生開發新型航天材料的熱情。航天員正常的生命活動，必須要源源不斷地吸進空氣中的氧氣，呼出二氧化碳。如果艙內二氧化碳濃度不斷增高，會威脅到航天員的生命。關鍵的化學問題是如何將二氧化碳分解成碳和氧氣。這個化學反應是在化學合成的鐵酸鎳（NiFe2O4）納米晶體催化下完成的。通過此航空知識的介紹使空間生命科學系的學生感受到化學在該領域的重要用途。總之，航空航天與化學結合的緒論不但要讓學生在學習化學時產生一種專業自豪感，更為重要的是激發學生對學習大學化學的熱情。另外，緒論結束后，布置小論文“航空航天中的化學”。通過該論文的寫作，不但能夠培養學生查詢文獻的能力，更能鍛煉其科技論文的寫作能力。

1.2化學的基本原理在航空航天中的應用

大學化學的熱力學內容主要包括熱力學的基本概念和化學反應基本原理，主要研究體系所涉及的熱與其他形式能量間的轉換關系。化學熱力學所要解決的核心問題是，在指定條件下一個熱力學體系中發生的過程變化的方向和限度（即平衡）問題?；瘜W熱力學是大學化學課程學習的重點內容，它是學習化學動力學等內容的基礎，因此要求每位學生要充分理解和掌握化學熱力學的基本概念和基本理論。然而枯燥的概念和理論往往讓學生一頭霧水，難以理解。結合實際的航空航天專業特色，筆者經過幾年結合航空航天知識的熱力學教學實踐，取得了很好的效果。下面通過幾個具體的實例，闡述化學熱力學的內容與航空航天的結合教學實踐。相是化學熱力學中一個重要的概念，它表示系統中相同物理性質和化學性質的均勻部分，而且這種均勻是指分散度達到分子或離子大小的數量級。對于液相、氣相的判斷，學生都容易理解和掌握。而對于固相的判斷，則存在一些疑問。比如，航空發動機大量使用的鈦鋁合金（Ti45Al50Nb5）［2］是幾相？有的學生回答是一相，還有的學生回答是三相。此時利用多媒體手段，將鈦鋁合金的金屬原子示意圖展示在學生面前，然后再結合相的基本概念，確認鈦鋁合金為一相。再如，狀態函數和過程函數。狀態函數表征體系特性的宏觀性質，多數指具有能量量綱的熱力學函數（如內能（U）、焓（H）、吉布斯自由能（G）、亥姆霍茨自由能（A）、體積（V）、壓強（p）、溫度（T）、熵（S）），這些函數僅由系統所處的狀態所決定，與達到平衡態的過程無關。我們可以通過幾個具體的航空航天的例子，讓學生充分理解這些函數的特性。如神舟8號飛船艙內體積假設為200 m3，從酒泉衛星發射中心發射到天空執行任務，不論經過何種途徑（長征火箭發射、空間定軌、天空一號兩次對接）返回地面，其艙內容積還是200 m3，體積不隨途徑變化而變化，只和狀態相關，因此體積（V）為狀態函數。再如嫦娥二號探月衛星從西昌衛星發射中心發射到繞月軌道是直接由長征三號丙運載火箭送入奔月軌道，如果采用嫦娥一號探月衛星發射方式：先發射到地球附近的過渡軌道，繞地球7天以后才飛向月球軌道，同樣也可以達到繞月軌道，由于途徑不一樣，發動機對衛星所做的功是不一樣的，因此功（W）不是狀態函數，只是過程函數。

反應熱是等溫下化學反應釋放或吸收的熱量。有關反應熱與航空航天的結合，主要體現在運載火箭燃料發生的化學反應?；鸺陌l動機需要極端的化學反應產生最大的能量，推動火箭做功克服地球引力?；鸺娜剂弦髥挝蝗莘e和單位質量所產生的熱量大，能在盡可能低的壓強下充分燃燒，同時要求生成物的平均相對分子質量相對低，對高空耐寒性高。這就和大學化學熱力學中反應熱的問題緊密聯系在一起。用于發射衛星的火箭一般為三級火箭，其有關各級火箭的燃料及熱化學方程式如表1所示。第一級火箭的燃料一般為煤油，煤油具有易運輸、加注方便、成本低的特點；液氧煤油推進劑非常便宜。第二級火箭多用液氫和液氧作為推進劑，具有發熱量高、生成物為水、對環境友好的特點。第三級火箭利用肼作為燃料，以硝酸或四氧化二氮為氧化劑；燃燒效率高，易自燃。教師通過對上述液體燃料涉及到熱化學方程式的講解，總結出各種燃料不同的化學反應熱，使學生充分認識到是化學能將衛星送入太空。課堂上留出思考題：通過常見化學燃料的標準摩爾生成焓，設計大功率火箭發動機。通過該思考題更能發揮學生學習的主觀能動性，激發他們的學習熱情。

表1　運載火箭燃料的熱化學問題［3，4］

化學反應自發性的基本判據是化學熱力學的重點內容。筆者通過結合神舟六號艙內空氣凈化系統的具體實例，很好地讓學生掌握了吉布斯函數判據和催化劑兩個知識點。圖1是神舟六號艙內空氣凈化系統。航天員呼出的空氣、CO2和水蒸氣經過分離裝置（I）將混合氣體分開，空氣重新回到艙內，而CO2和水蒸氣分別進入兩個反應器（II和III）。在裝置（III）中，水通過電解生成H2和O2，其中O2進入太空艙供航天員呼吸，而H2作為反應器（II）中和CO2反應的物質，H2和CO2反應生成H2O和C，水又可以作為反應物提供給裝置（III）。課堂提問：能否加入一種催化劑使水自動分解成H2和O2？這個問題涉及到化學反應的可能性和現實性問題，因此引導學生利用吉布斯函數判據考查此反應的可能性。同時介紹催化劑的本質——催化劑只是降低化學反應的活化能，不影響化學反應的平衡、內能變化和吉布斯自由能的變化。假設反應2H2O（l）=2H2（g）+O2（g）能夠進行，計算此反應的?rG?m=474.3 kJ·mol－1＞0，因此不論加入何種催化劑都不能使水自動分解為H2和O2。要使該反應能夠進行，必須通過電能使該反應的吉布斯自由能的變化小于零。通過對上述航空艙空氣凈化系統的講述，使學生不但掌握了利用吉布斯自由能判據來判斷化學反應的自發性，而且理解了催化劑在化學反應中的作用。

圖1　神舟六號艙內空氣凈化系統

1.3化學平衡在航空航天中的應用

電化學電源涉及到電化學的原理，從化學實質上講是氧化還原反應［5］。許多航天器都靠化學能源給艙內儀器提供能源。比如中國的第一顆人造衛星——東方紅一號衛星，其主要任務是向太空播放“東方紅”樂曲，同時進行衛星技術試驗，探測電離層和大氣密度。教師提問：請問現在東方紅一號還能播放東方紅樂曲嗎？為什么？這個問題主要涉及到衛星采用的電源問題，由于當時的技術問題，東方紅一號沒有條件采用太陽能電池給儀器艙提供電源，而是采用了銀鋅蓄電池作電源，電池壽命有限，衛星運行20天后，電池耗盡，“東方紅”樂曲停止播放，衛星結束了它的工作壽命。銀鋅蓄電池放電時電極反應可寫成：負極：Zn+2OH－－2e－=ZnO+H2O；正極：Ag2O+H2O+2e－=2Ag+ 2OH－；電池總反應：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag。因此隨著化學反應的進行，Zn和Ag2O不斷地消耗，當其消耗完畢后，電池耗盡。因此目前衛星的儀器艙失去電源，無法播放樂曲。氫氧燃料電池也是航天飛行器重要的化學電源。如阿波羅登月飛船就是利用氫氧燃料電池為儀器提供能源，同時為航天員提供水源。氫氧燃料電池主要由燃料電極（陽極）、氧化劑電極（陰極）、電解質等組成。燃料是H2，O2是氧化劑。兩個電極之間是浸透KOH溶液的石棉隔膜，隔膜靠陽極的一側有一層含有金屬鉑的催化劑。在堿性條件下，負極電極反應：2H2+4OH－－4e－=4H2O；正極電極反應：O2+4H2O+4e－= 4OH－；電池總反應：2H2+O2=2H2O。電子從陽級上的氫中逸出流向氧；陰極上的氧得到電子后生成氫氧根，并使陰極帶正電。然后，氫氧根通過電解質擴散到陽極，在催化劑的作用下與氫結合生成水，并且放出電子，使陽極帶負電。當在兩個電極之間接上負載時，電子從負極流向正極，從而產生電流。這樣，只要對電池系統維持一定的溫度、一定的電解質濃度、不斷地供給燃料和氧化劑，并且不讓反應產物——水在電池內部儲留，那么就可從電池中源源不斷地輸出電能。同時，從電池中排出來的水經過凈化以后就可供宇航員飲用。目前應用到空間站和衛星上的化學電源主要是再生氫氧燃料電池，其主要原理是將氫氧燃料電池技術與水電解技術相結合（圖2）?？臻g站或衛星在轉向太陽時主要由太陽能電池提供電源并通過水電解技術將水電解成H2和O2。在背向太陽時，燃料電池開始工作，為儀器提供電源。

圖2　再生氫氧燃料電池的原理

1.4化學平衡及生命化學與航空航天結合的教學實踐

化學平衡是指在宏觀條件一定的可逆反應中，化學反應正逆反應速率相等、反應物和生成物各組分濃度不再改變的狀態。生命的存在和持續在一定程度上是依賴機體處于正常環境下，各種能量、功能、信息分子進行有效生理活動的綜合結果。盡管生命是一個極為復雜的過程，但其物質基礎和生命活動都離不開化學分子和化學反應，化學在生命中的作用主要體現在各個方面的平衡因素。航天員在進入空間站后，排尿量比在地球上少了很多，尿液中磷酸鈣（Ca3（PO4）2，溶度積Ks=2.07×10－33）的含量卻比他們在地面時高出很多。磷酸鈣很容易在腎臟部位結晶形成結石。在失重的太空中，人骨骼中鈣質的流失是宇航員得腎結石的主要原因。在我們的骨骼中，既有破骨細胞，也有成骨細胞。成骨細胞不斷地將磷酸鈣儲存在骨基質中，起成骨作用；而破骨細胞則不斷去除骨基質中的磷酸鈣。通常情況下，這兩種活動是平衡的。然而一旦進入太空，由于重力幾乎為零，骨頭缺少壓力，促使成骨細胞活動所需的刺激幾乎不存在，但破骨細胞的活動仍在繼續，導致鈣以及其他組成骨骼的物質流失，繼而引起血液中的鈣增加，容易引發腎結石。

2　航空航天知識背景培養學生大學化學學習能力的效果

（1）在緒論中，教師結合現代航空航天領域中化學知識的介紹，激發了學生對大學化學的學習興趣，提高了學生對該課的學習熱情。

（2）緒論結束后，布置小論文作業“航空航天領域的化學”。通過撰寫小論文，不但鍛煉了學生科技論文的寫作能力，而且使學生進一步了解了航空航天知識，增加了專業自豪感，同時增加了教師學生之間的交流。

（3）通過航空航天領域中化學問題舉例，使學生能夠在快樂學習中掌握枯燥的化學熱力學基本概念。

（4）通過幾年結合航空航天特色的大學化學教學實踐，充分對比兩個教學班（各班人數100人左右）是否實施航空航天特色教學的效果，結果表明，實施教學改革的教學班期末考試優秀率達到60%以上，這比未進行教學改革的班級優秀率提高了25%以上，從而表明具有航空航天特色的大學化學教學實踐在基礎課的學習上起到了很好的促進作用。

（5）學生結束大學化學課程學習后，進入本專業課程的學習中，也主動地把化學的基本理論應用到專業中去，使大學化學成為一門工具學科。

總之，通過幾年的教學實踐，結合最新航空航天大事記對教學內容進行不斷的更新和改進，使學生充分了解化學在航空航天領域中的巨大作用。同時結合航空航天特色的教學與實踐，使學生熟悉了大學化學的基本知識和基本理論，能夠運用這些理論、觀點和方法解決本專業和生活中的實際問題。

感謝化學與環境學院院長江雷院士、常務副院長郭林教授對于大學化學教學改革的大力推動與支持。

參考文獻

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［4］Lide，D.R.CRC Handbook of Chemistry and Physics，90th ed.；CRC Press:Boca Raton，FL，2010.

［5］徐端鈞，方文軍，聶晶晶，沈宏.普通化學.第6版.北京:高等教育出版社，2011.

中圖分類號：O6；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX201509023

*通訊作者，Email:xylu@buaa.edu.cn

基金資助：北京航空航天大學2015年校教學改革重點項目；大學化學核心基礎課建設項目

Teaching and Practice of College Chemistry Specialized for Aeronautics and Astronautics

LU Xian-Yong*YANG Qing-LinZHU Ying
（School of Chemistry and Environment，Beihang University，Beijing 100191，P.R.China）

Abstract:A teaching reform of college chemistry by combination of aeronautics and astronautics has been well performed in our university.This reform has stimulated students′interest in studying college chemistry with their professional pride.Above all，most students have solidly mastered the basic concepts and theories of this course.

Key Words:College chemistry；Characteristics of aeronautics and astronautics；Interest；Capacity