淺談標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓教學(xué)的拓展與延伸

【摘要】創(chuàng)新是當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)于高校教師，教學(xué)創(chuàng)新是責(zé)無(wú)旁貸的。拓展延伸是課程教學(xué)的組成部分，也是教學(xué)創(chuàng)新的一個(gè)重要著力點(diǎn)。拓展教學(xué)的方式多種多樣，本文主要將熱力學(xué)方面的科研成果應(yīng)用于物理化學(xué)課程中標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的拓展與延伸，把較膚淺的理論知識(shí)在課堂教學(xué)中拓展，難度較大的實(shí)際操作作為課外專(zhuān)題性探究拓展，從而使拓展既立足于教材，又超越了教材。這樣以科學(xué)研究為題材的適時(shí)適度的拓展教學(xué)，不但可以激發(fā)學(xué)生的科研興趣和學(xué)習(xí)積極性，而且能夠提高課堂效率、打造高效課堂。

【關(guān)鍵詞】課堂教學(xué) 拓展 延伸 生成焓 科學(xué)研究

【基金項(xiàng)目】重慶市教委化學(xué)特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)項(xiàng)目，長(zhǎng)江師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（201107）。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）08-0160-02

拓展延伸教學(xué)是素質(zhì)教育的一個(gè)重要方面，它不但可以鞏固所學(xué)知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)解決相關(guān)實(shí)際問(wèn)題，而且可以訓(xùn)練學(xué)生的技能技巧、促進(jìn)智力發(fā)展。如今，小學(xué)、初中和高中階段的新課標(biāo)與新教材要求教師積極開(kāi)展拓展教學(xué)，對(duì)于高等教育階段的課堂教學(xué)來(lái)說(shuō)，授課對(duì)象是即將步入社會(huì)或者繼續(xù)深造的本科生和研究生，因此更應(yīng)該注重教學(xué)的拓展延伸。然而，縱觀時(shí)下的課堂拓展教學(xué)，仍然存在一些問(wèn)題。一種情況是部分老師畏首畏尾、不敢拓展，把拓展延伸視為在教學(xué)過(guò)程中簡(jiǎn)單地進(jìn)行題型變換。而另一種情況是有些老師一味地追求課堂內(nèi)容的新鮮感，脫離了教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)狀況，無(wú)限制地拓展，導(dǎo)致許多學(xué)生不堪重負(fù)、一片迷惘。由此可見(jiàn)，教師應(yīng)該將拓展教學(xué)和教材內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間開(kāi)展深度適宜的拓展延伸，著眼于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，這樣拓展教學(xué)才是有效而又成功的。對(duì)此，筆者根據(jù)大學(xué)理工科課程的特點(diǎn)和自己的科研經(jīng)歷，淺談物理化學(xué)課程中標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的拓展教學(xué)，意在拋磚引玉，以期更多的高校教師將科研成果運(yùn)用于課堂教學(xué)的拓展與延伸。

1.標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的作用與重要性

首先，了解一下標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的概念。在溫度為T(mén)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下，由穩(wěn)定相態(tài)的單質(zhì)生成化學(xué)計(jì)量數(shù)νB=1的β相態(tài)的化合物B（β），該生成反應(yīng)的焓變即為該化合物B（β）在溫度T時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓[1]。通過(guò)學(xué)習(xí)物理化學(xué)教材，學(xué)生只知道標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓是計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓的基礎(chǔ)熱數(shù)據(jù)。這樣的認(rèn)識(shí)顯然是不夠的，有必要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的作用與重要性進(jìn)行拓展延伸。為此，筆者將自己在含能材料領(lǐng)域的科學(xué)研究作為拓展教學(xué)的資源。大家熟知的炸藥、推進(jìn)劑和煙火藥劑都屬于含能材料，生成焓是含能材料研發(fā)過(guò)程中涉及到的一個(gè)重要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，性能優(yōu)異的含能材料通常具有高的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。因此，生成焓可以作為評(píng)價(jià)含能材料性能的一項(xiàng)指標(biāo)。這樣就拓寬了學(xué)生對(duì)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓重要性的認(rèn)識(shí)和理解。

2.標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的獲取方法

通過(guò)對(duì)教材內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解到憑借儀器設(shè)備可以測(cè)定各種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。但是，他們并不知道通過(guò)一些已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再加上必要的理論計(jì)算就能夠得到新物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，可進(jìn)行如下的拓展教學(xué)。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研得知，根據(jù)量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果可以預(yù)估氣相生成焓，歸納起來(lái)主要有三種方法。第一種方法[2]就是運(yùn)用已知的單個(gè)原子的氣相生成焓和計(jì)算得到的原子化能預(yù)估目標(biāo)化合物的氣相生產(chǎn)焓；第二種方法[3]是基于赫斯定律，結(jié)合量子化學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)所得信息計(jì)算目標(biāo)體系的氣相生產(chǎn)焓；第三種方法[4]主要是采用原子和基團(tuán)等效機(jī)制，此方法也需要大量與目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)生成焓。顯然，從理論上準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓是非常有意義的，這可以節(jié)省大量的時(shí)間和資金。尤其是對(duì)于含能材料這類(lèi)爆炸性物質(zhì)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)上測(cè)定它們的生成焓具有一定危險(xiǎn)性，通過(guò)理論計(jì)算預(yù)估其標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓就更有必要了，據(jù)此可以預(yù)測(cè)新型含能材料的爆炸性能，為含能材料的設(shè)計(jì)與制備提供極具參考價(jià)值的理論信息。

3.代表物的理論標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓

通過(guò)前面的拓展教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)掌握了標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的重要作用，也知道可以從理論上計(jì)算物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。但是，他們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的理論模擬計(jì)算沒(méi)有直觀和清晰的認(rèn)識(shí)。接下來(lái)，以?xún)蓚€(gè)具體的例子比較分析標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。

首先，講解一個(gè)已經(jīng)公開(kāi)報(bào)道的關(guān)于含能材料生成焓的密度泛函理論估算的研究實(shí)例[5]。針對(duì)含能材料設(shè)計(jì)時(shí)缺乏生成焓的問(wèn)題，2015年駱艷嬌運(yùn)用多種密度泛函方法計(jì)算了59種已知實(shí)驗(yàn)氣相生成焓的含能化合物。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得知，標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的最小平均絕對(duì)偏差僅為7.3 kcal/mol，這表明采用合適的密度泛函方法和基組可以較準(zhǔn)確地預(yù)估含能化合物的氣相標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。

其次，為了讓同學(xué)們能夠?qū)⒊Ｒ?jiàn)物質(zhì)的理論標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓與教材中收錄的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，同時(shí)了解理論計(jì)算過(guò)程的注意事項(xiàng)，筆者選擇最常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物水和有機(jī)物甲烷作為代表物，采用上述第一種方法即原子化能法計(jì)算研究二者的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。由于物理化學(xué)教材中收錄的是298.15K下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，所以理論計(jì)算需要分兩步完成。第一步計(jì)算0K時(shí)物質(zhì)的生成焓，第二步計(jì)算298.15K時(shí)物質(zhì)的生成焓。通過(guò)查閱物理化學(xué)教材[1]的附錄得知，甲烷和水在298.15K下的氣相標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓分別為-74.81 kJ/mol和-241.82 kJ/mol。此外，本文利用Gaussian03軟件優(yōu)化甲烷和水分子的結(jié)構(gòu)，二者分別屬于Td點(diǎn)群和C2v點(diǎn)群。表1給出了各種理論計(jì)算水平下甲烷和水在298.15K時(shí)的氣相標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。

根據(jù)表1所列出的數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：（1）在密度泛函方法相同的情況下，基組對(duì)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的計(jì)算值有較大影響，并且隨著基組的增大，標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的誤差基本上減小。（2）基組相同時(shí)，各種密度泛函方法的準(zhǔn)確度也存在很大差別。當(dāng)基組為6-311++G**時(shí)，對(duì)于甲烷和水來(lái)說(shuō)，局域密度近似方法LSDA的誤差都是最大的，分別為250%和59%。而混合密度泛函方法B3LYP與廣義梯度近似方法PBE的誤差都比較小。（3）對(duì)于不同種類(lèi)的化合物，計(jì)算生成焓的最佳方法可能也不一樣。如表1所示，采用PBE方法計(jì)算典型無(wú)機(jī)物水的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的誤差最小，僅為1%；采用B3LYP和PBE方法計(jì)算典型有機(jī)物甲烷的精度相當(dāng)，誤差均為8%。由此可見(jiàn)，運(yùn)用量子化學(xué)方法能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)估各種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，但首先必須對(duì)方法和基組進(jìn)行系統(tǒng)地篩選，這樣才能保證計(jì)算結(jié)果的正確性和可信度。

顯然，以上關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的拓展教學(xué)內(nèi)容主要還是 一些純理論性的知識(shí)，這雖然可以增加學(xué)生的知識(shí)面、培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新思維，但是在訓(xùn)練學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力方面的作用不大。由于標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的理論計(jì)算比較復(fù)雜，所以這部分實(shí)際操作的拓展教學(xué)可以延伸到課外，把它作為課后專(zhuān)題性探究拓展。這樣既不占用有限的課堂學(xué)時(shí)，又使得學(xué)生有充足的時(shí)間和精力完成拓展教學(xué)任務(wù)，由理論過(guò)渡到了實(shí)踐，使學(xué)生的能力得到了及時(shí)遷移和顯著提高，從而真正打造出高效課堂。

參考文獻(xiàn)：

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[5]駱艷嬌.多氮含能材料生成焓的密度泛函理論估算[D].西安： 陜西師范大學(xué)， 2015.

作者簡(jiǎn)介：

黃輝勝 （1982—），男，重慶武隆人，博士，副教授，研究方向?yàn)楹懿牧稀⒗碚摵陀?jì)算化學(xué)。endprint