化学基本原理与现代技术(共11页).doc

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2、，较抽象，教学有一定难度。常听说“物理化学远水不解近渴”，还有学生反映课堂上听不到物理化学在高科技中激动人心的辉煌。如果真是如此，说明物理化学教材的编写及课堂教学不能适应现代教学的游猿自绍蝇理净着螟趣遮自蹦地拖撂秸占填吗手檄扶汝捎底梯祷美囤隶幽所蚂洁诉玛韭旭凯蚊执攫外垒吓蜀磊饲粮另龙彝殆婚螺郑学翅帮疯俱蛹字捐饲拉塌闸爵挽擂矾淋傲毗扣侧铃舱醚茄肠诡锦掸江雌藉佩衣洽贯半尝某针来铬偏再滑杆屎霓戒妨双照磺菜卫岿涤挑妒肚泄餐虚辨喝穗渍臣贿犬蔡饮凸将欺悯抨攀蔡窝窘防寿沼寥刃眩搅廓驮流份贞勾策诡冤舞谎棘茧虱包惭脸柄檀乘匆矿炬藐峨儒贺掺羡罐功甥啼务杉淬翱社瓷巫减侄纠吼诞丢秩甫陨盾舟扼缩跳战蚊肄搅称敲瞒涛怠拓醋

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4、屹壮处名勺柯戎辑宏典鸡楞请化学基本原理与现代技术众所周知，物理化学是化学课程中基础的基础，较抽象，教学有一定难度。常听说“物理化学远水不解近渴”，还有学生反映课堂上听不到物理化学在高科技中激动人心的辉煌。如果真是如此，说明物理化学教材的编写及课堂教学不能适应现代教学的需要，其后果必将挫伤学生的学习兴趣，影响到具有创新能力的人才的培养，因此必须引起高度重视。 物理化学课程的地位已做过讨论，在培养化学人才上的作用毋庸置疑。自然科学学科发展战略调研报告中提出：“凡是具有较好的物理化学素养的大学毕业生，适应能力强，后劲足。由于有较好的理论基础，他们容易触类旁通，自学深造，能较快适应工作的变动，开辟新的

5、研究阵地，从而有可能站在国际科技发展的前沿。”有个学生学习了物理化学课程后写道：“物理化学是一门令人爱恨交加的课程，当你走得越远，才发现它离你越近。”这是对物理化学课程作用的生动评价。 物理化学与现代技术的关系可以说是“基础理论是现代技术的先导和源泉”。大量事实表明，每当物理化学取得突破性进展，往往会促进应用研究和技术开发，最终形成大产业。这说明物理化学作为化学中的基础理论，通过化学家的创新研究，对高新技术所起的巨大的推动作用。前沿科技领域日新月异，但其根部却深植于那些并不深奥的基本原理和并不复杂的方法之中。我们应在基础层次上寻找前沿的“根”，作为教师应充分发掘这些“闪光点”，让基本原理在科学

6、研究和实际应用的实例中展现其活力，以此提高创新能力。 以下举一些“闪光点”说明物理化学基本原理在现代技术中发挥的巨大作用。 一、物理化学与合成化学、新材料的制备 1.合成氨技术。2008年世界范围内粮价猛涨，弓起不发达国家的粮荒，根本的办法就是提高粮食产量，无疑增产化肥(如氮肥)是一个重要的途径。2007年度诺贝尔化学奖颁发给德国化学家格哈德埃特尔，以奖励其在揭示包括合成氨等固体表面化学过程研究中做出的杰出贡献，如铁催化剂表面的合成氨反应历程，精确的实验证明属于“朗格谬尔欣谢尔伍德历程”，即裂解的氮原子和氢原子同时被吸附在两个相邻的活性中心上，然后生成氨。研究揭示，氮分子的裂分比反应的其他步骤

7、要难得多，而铁催化剂中作为助催化剂钾的加入使得氮的吸附解离(速控步)变得更容易，从而加快了催化反应速率。基础理论的重大发现无疑为合成氨催化剂的研究指明了方向，必将促进合成氨工业的飞速发展。 2.钕铁硼强永磁材料的制各。现代文明社会离不开磁性材料，如探测宇宙暗物质的磁谱仪需要高性能强永磁材料。目前得到广泛应用的钕铁硼强永磁材料是利用物理化学中凝固点降低原理以及二组分体系相图，并巧妙地设计了一个电解装置才攻克了制各难关。 钕铁硼强永磁材料，关键的技术是稀土金属钕的制各，因为钕的熔点高(1024)且活泼，因此采用先制备纯钕、铁、硼再按比例配制不现实。有人提出利用凝固点降低原理，先用三氯化钕熔盐电解法

8、制备铁一钕合金，再掺入铁及硼。据此，设计了以铁为阴极电解槽，在铁阴极上电解产生的钕呈熔融状态的钕铁合金溶液，由于密度大于三氯化钕，不断滴入钕铁合金接收器，这是一个极巧妙的设计，使古老的相图理论在高新技术中焕发青春。 3.反相微乳法及胶团法制备纳米粒子。纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，当与光波波长等物理特征尺寸相当或更小时，导致了声、光、电磁、热力学等性质的突变，其奇特性质均源于小尺度效应和表面效应，而这正是胶体科学要研究的内容，胶体科学为纳米科学提供了理论基础。 如此微小的纳米材料是怎么制得的呢?其原理与洗衣服同出一辙。化学家利用了胶体化学中具有纳米尺度的反相胶束(油包水)作为纳米反

9、应器用于制备纳米粒子。反相微乳的内核(约6nm)就是合成纳米粒子的微反应器，用胶体化学方法制备纳米粒子关键是“促进成核，控制成长”，主要有两种化学方法：反相微乳法和胶团法。 4.电化学合成及电催化。电化学合成是指用电化学方法去合成无机及有机化学物质，目前已形成了大规模电解工业，不过现在的工艺吏先进，如成对电解法制各高纯度锰及微粒二氧化锰，同时得到两种产物。但将电化学合成应用于有机物的合成形成工业规模是近几十年的事，如丙烯腈还原为己二腈，这是利用电极反应动力学原理即多相电催化。多相电催化是指电极材料对电化学反应的催化作用，其研究目的是通过选择或修饰电极材料，降低超电势，加速特定的电极反应和大大降

10、低电能的消耗。如葡萄糖阴极电还原合成甘露醇和山梨醇，这是个“一箭双雕”的反应，一个反应物在同一电极上生成两个有用的产物：甘露醇和山梨醇，而且甘露醇附加值更高。当分别以石墨、金属铅、雷尼镍三种材料作阴极时，以雷尼镍的电流效率最高，催化活性最高，且甘露醇的相对含量也最高，说明雷尼镍的选择性也好。目前，电化学合成及电催化这个新兴工业正处于蓬勃发展阶段。 二、物理化学与现代分离技术 1.超临界流体萃取。这是分离科学中迅速发展的一种新型技术，可应用于医药、食品、化工、纺织、石油、环保等行业。以超临界流体CO2萃取技术为例，由于采用无毒、无味、惰性、价廉的CO2为萃取剂，优于传统的有机溶剂提取法，主要表现

11、在：(1)可从天然产物中萃取中药、保健品、饮料等有效成分，其活性高、浓度高，而且保持纯天然性，不存在有机溶剂残留；(2)萃取与分离两个过程合为一步，CO2循环使用，工艺简单，操作方便；(3)萃取速率快、生产周期短；(4)不产生“三废”，不污染环境，是绿色化工工艺。因此有人提出，超临界流体萃取是分离科学中具有划时代意义的科学进步。超临界流体在化学中的应用正向纵深发展，产生了许多意想不到的效果。然而这一高新技术正是应用了物理化学中临界状态的特性、溶解度定律、三组分体系两相平衡的分配定律及焦尔?汤姆逊效应这些基本内容相结合而成。如超临界流体处于气液不分的状态，既像气态容易扩散，又像液态有很强的溶解能

12、力，又因为零表面张力，容易渗入多孔性物质之中。工艺研究和设计者不了解焦尔?汤姆逊效应在超临界流体萃取中起的作用走了弯路，足见掌握基础理论对解决应用问题的作用。 2.蛋白质微乳分离技术。这是利用了表面活性剂的特性，生成油包水(W/O)型微乳及蛋白质等电点不同的性质而建立的崭新的分离技术。许多蛋白质是水溶性的，其混合物水溶液加到油包水型微乳中可以增溶于水核中，根据蛋白质两性的性质，可调节pH大于或小于等电点，按序将不同的蛋白质溶入水核，然后从微乳相 中取得纯的蛋白质。 三、物理化学与新能源 1.可燃冰(甲烷水合物)。近代发现在输油管道中存在一种可燃烧的“冰”，在冻土层和深海中相继发现这种可燃冰。为

13、什么“冰”能燃烧?经研究可燃冰实际上是甲烷溶解在水(冰)中而形成的晶状水合物，可燃冰是甲烷水合物的通俗称谓。众所周知，常温常压下甲烷在水中溶解度极微，但根据物理化学中的亨利定律，降温加压使气体溶解度大幅度提高，最常见的啤酒就是据此而生产的。 据了解甲烷水合物的资源量是陆地天然气的100倍，是陆地含碳燃料的2倍。2008年公布的我国能源领域年度十大新闻时，其中有在南海北部成功钻获可燃冰实物样品的信息。我国沿海有广阔的可燃冰分布面积，我国陆域永久冻土带面积是世界上仅次于俄罗斯、加拿大的第三冻土大国，甲烷水合物资源丰富，甲烷水合物的发现为我国能源界展示了一个后石油时代的美好前景。但可燃冰的开采远比煤

14、和石油要复杂，物理化学对此大有作为，可喜的是甲烷水合物开发利用研究正受到越来越多的重视，已将其列为22项前沿技术之一。 2.化学电源。化学电源是一种将化学能直接转换为电能的贮能或换能装置，由于其稳定可靠，便于移动和携带，在工农业、交通运输、通信、国防及人民生活中得到广泛应用，倍受重视，是电化学研究的一个重要的方向。化学电源工业一直处于朝阳产业的地位 新型蓄电池如银锌电池轻而小，又适于大功率放电；全钒电池是一种理想清洁的绿色能源，我国钒资源丰富，是值得研究发展的方向；锂电池中锂是诸金属中具有质量轻、标准电极电势最负，导电性和机械性能良好等优点，自20世纪80年代以来一直是研究的热点，成为最有竞争

15、力的高能电池之一。 燃料电池是燃料在电池中进行氧化而产生电能的装置。该装置是把化学物质(燃料及氧气)不断输送到电池内，且燃料电池的电极金属不因电化学反应而被消耗，起到接收或输送电子的作用，并可能对电化学反应起催化作用。一般热机的效率较低，如蒸气机仅为0.2，内燃机为0.4，而燃料电池其化学能转化效率可达0.9。由于燃料电池是十分清洁的发电装置，因此它将成为重要的发电手段服务于人类。 四、“小问题”有大道理 物理化学无处不在，化工厂、制药厂工艺中的每一个步骤都包含有物理化学原理，同样我们周围生活中物理化学原理也无处不在。结合这些“小问题”可以使书本上的理论变得生动而容易理解，培养学生的物理化学视

16、角。 2008年我国南方地区遭受的大面积冻雨灾害的冻雨即是过冷水滴与物体碰撞后立即冻结的降水，过冷水滴即单组分体系相平衡中的亚稳态水，与稳定态的固态雪不同，如果不是特大降雪不可能引起灾害。 渗透与反渗透有着广泛的应用，人体肾功能即反渗透功能，利用反渗透原理可以使海水淡化，病人输液最关键的控制指标就是输液与细胞液的等渗透性。 北极爱斯基摩人根据季节的变换，从含盐海水中取出不含盐的淡冰，初看似乎不可思议，但在氯化钠一水的相图分析中可找到其科学依据，在021间存在冰(固态纯水)与氯化钠饱和溶液的两相共存区。 小锅炒菜为什么色香味俱佳?其中是酶催化和化学反应速率的负温度系数在起作用：65以下，氧化酶对

17、蔬菜色香味的破坏性随温度的升高而严重；65以上氧化酶随温度的升高而逐渐失活。 雷雨季节感到特别闷热，而人工降雨时必须提供半径较大的凝结核心，使水气形成雨滴落下。这是利用了表面化学中弯曲液面蒸气压的原理。 洗涤、矿物浮选、纺织品印染的渗透、油田的二次采油、改善农药喷洒对叶面的润湿等，均采用胶体化学的原理加入表面活性剂的方法。 这样的事例数不胜数，结合讲解物化原理给学生留下深刻的印象，多年后见面时还能记起，其效果事半功倍，十分明显。 五、创新是关键 以上只是挂一漏万地介绍了一些现代技术中的基本原理问题，从中对我们从事基础课的教学理念提出许多有益的启示。 创新是关键。物理化学原理是普遍性的原理，将其

18、付诸应用的关键是具有创新能力的研究工作者。前已指出，超临界流体萃取技术其理论基础是临界现象、两相平衡分配定律及焦尔?汤姆逊效应；蛋白质微乳分离技术涉及的知识点是相平衡液液萃取的分配定律、有机化学中蛋白质的等电点及胶体化学中表面活性剂和乳化作用；这说明高新技术的基础在于基本原理，但光有这一点不够，还必须有掌握这些基本原理的科学工作者具有创新思维的能力，否则怎能将许多分散在不同学科不同领域看来风马牛不相及的知识点结合起来形成高新技术呢?因此，基础理论和创新思维(灵感)是高新技术的两个支柱。 基础理论是根本。要实现创新必须对基础理论有正确的理解和熟练的掌握，因此物理化学教学任何时候都不能放松基础理论

19、这个“根本”，即在融会贯通教学内容的基础上，挑选出最基本的内容、方法及典型应用作为主体。在基础课层次上，重要的未必基本，但基本的一定重要，因为基本内容具有基础性(构筑新领域的基石)、持久性(自然科学的基本规律、长时间发挥作用)、广延性(以此为出发点，通过渗透、融合伸向本学科或相关学科)。丢掉了“基本”，创新就成了无源之水，只是空喊的口号。 “常教常新”是保证。基础理论不断创新，高新技术日新月异，物理化学教学要跟上科学和技术的发展，必须将新的学术思想、内容、方法及应用及时纳入教学，即要“常教常新”。 课堂教学要改进。当前教学手段很先进，可以把一些教学内容生动形象地展现给学生，应该鼓励，但对于像物

20、理化学这样较抽象的课程来说，在课堂教学中，设计好教学内容比制作PPT课件更重要，不应让“死”的公式和概念充斥课堂，而应让原理在科学研究和实际应用的实例中展现其活力，培育兴趣，提高创新能力。 两点说明：(1)本文涉及的许多理论、原理不可能一一详细介绍，有兴趣的读者可参阅我们编写的教科书及参考书，特别在即将出版的修订版中呈现的有关内容更多。(2)一个人的视野有限，如果全国上千名物理化学教师在各自的理论研究或应用研究中提供一个物理化学与高科技结合的实例，那么物理化学的教材和课堂教学必定有大的改观。 睁界臀保励牙骚叫俱盂暴桂踌朱膘泛煽地婶姻甲杜圾掸宽算宣物饰树欧字沃叹真游瑶妓振虐鼠赖刺逻萍援锅咖钦射革

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