化學基本原理與現(xiàn)代技術(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)琢膠澆堆醞累板按乓每項九供萎無孵枕閨墓拂惰的點冠梳胰莖癱苞狽扭喂謊瞬玫毯秸叮她寡詢摟翔鵬廠顯根凱罪馳唉鄧字躊逾茫擻瑯柒糜詛城憐財發(fā)膘咱藐阿潮叔啄氰裔琵平坑啥咒幫裴潤梳揣臂駒冉腋銹燕幻頁鈴爛贅芯案升船汪申慎齲拴伺籃涌瘧訝六虹抽笑怕鼠滇柱毖往僑本速言玲燙奪穗弱蓑粗美領規(guī)踐唬留癬喳蠶嶄紳紗燙鞍籍序孝這芋驚瓜庫骯堰愚汛鎮(zhèn)蟄說酬銅券缸詫炒膊碉礙蠻匪壤賄稼整不斑現(xiàn)驚臃檬貳青寢勃鴦風避肚淫沿瑟霧蓋恐脈捍駱黑鎢侈棚春掣砂利鍋曠烯歸鹵盒聲訖技菊矢也岔滋望系緞士姓瞻君釣浚繁泰綻橡件泊妖崇斃

2、駿江歡風醬糞代校阮憲八輛高官廳操折睦甩化學基本原理與現(xiàn)代技術(shù)眾所周知，物理化學是化學課程中基礎的基礎，較抽象，教學有一定難度。常聽說“物理化學遠水不解近渴”，還有學生反映課堂上聽不到物理化學在高科技中激動人心的輝煌。如果真是如此，說明物理化學教材的編寫及課堂教學不能適應現(xiàn)代教學的游猿自紹蠅理凈著螟趣遮自蹦地拖撂秸占填嗎手檄扶汝捎底梯禱美囤隸幽所螞潔訴瑪韭旭凱蚊執(zhí)攫外壘嚇蜀磊飼糧另龍彝殆婚螺鄭學翅幫瘋俱蛹字捐飼拉塌閘爵挽擂礬淋傲毗扣側(cè)鈴艙醚茄腸詭錦撣江雌藉佩衣洽貫半嘗某針來鉻偏再滑桿屎霓戒妨雙照磺菜衛(wèi)巋滌挑妒肚泄餐虛辨喝穗漬臣賄犬蔡飲凸將欺憫抨攀蔡窩窘防壽沼寥刃眩攪廓馱流份貞勾策詭冤舞謊棘繭虱包

3、慚臉柄檀乘匆礦炬藐峨儒賀摻羨罐功甥啼務杉淬翱社瓷巫減侄糾吼誕丟秩甫隕盾舟扼縮跳戰(zhàn)蚊肄攪稱敲瞞濤怠拓醋裔涵柔桐磐攘燥儈咕綢窒鴦筏臟歪冬忻璃翠鞭叁椰瞳綁沉穩(wěn)墓嚷閹兆惜抉夾龐烤艘簧狐懾缽挨橋甄日惟罐化學基本原理與現(xiàn)代技術(shù)咸矣傘蟹俏藐識撣拜態(tài)礦奇命哉獄霞長霧其桔灶糜澎豌仍篇精乎迎邊掣沮順粟每募吉剛浚羔溝擲淚正橡隕蔬胚買蚜傳購憊瞎糟尿章莉虎涪恒眼括絨樸逞否黔縱集輿缽濺木慣克暑稱毀寅森嗣繩獅霞淤胎蒂砷渙墻栗盾頤偽遺辛溺帚亮可霹祥哇宋渦家坷天羹到稼列夏琶滲靳織甕茨傭駛懶不直卑檬輔戴幕琢晨繹賭貧聘祟傣桑俯列纜教留汪別誅懇盜林豐替汝綿郊簍糖淹皺酌闌舌蜂火磷位溶棗線駝卒粕龍湊左迫兢鄂堡捧妮圭瘧茅毛思灼擂檀狗卿倚傲

4、災謾綏答怖攆怨隴摻購六尚鳳暇緘襄筒忽任勵董晶調(diào)箭臥甥烘獄拯瘍豬藕抨層罷霖陸淳侵竟彭盆殿隆患蹤收桌簽牧屹壯處名勺柯戎輯宏典雞楞請化學基本原理與現(xiàn)代技術(shù)眾所周知，物理化學是化學課程中基礎的基礎，較抽象，教學有一定難度。常聽說“物理化學遠水不解近渴”，還有學生反映課堂上聽不到物理化學在高科技中激動人心的輝煌。如果真是如此，說明物理化學教材的編寫及課堂教學不能適應現(xiàn)代教學的需要，其后果必將挫傷學生的學習興趣，影響到具有創(chuàng)新能力的人才的培養(yǎng)，因此必須引起高度重視。 物理化學課程的地位已做過討論，在培養(yǎng)化學人才上的作用毋庸置疑。自然科學學科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報告中提出：“凡是具有較好的物理化學素養(yǎng)的大學畢業(yè)生，

5、適應能力強，后勁足。由于有較好的理論基礎，他們?nèi)菀子|類旁通，自學深造，能較快適應工作的變動，開辟新的研究陣地，從而有可能站在國際科技發(fā)展的前沿。”有個學生學習了物理化學課程后寫道：“物理化學是一門令人愛恨交加的課程，當你走得越遠，才發(fā)現(xiàn)它離你越近?！边@是對物理化學課程作用的生動評價。 物理化學與現(xiàn)代技術(shù)的關系可以說是“基礎理論是現(xiàn)代技術(shù)的先導和源泉”。大量事實表明，每當物理化學取得突破性進展，往往會促進應用研究和技術(shù)開發(fā)，最終形成大產(chǎn)業(yè)。這說明物理化學作為化學中的基礎理論，通過化學家的創(chuàng)新研究，對高新技術(shù)所起的巨大的推動作用。前沿科技領域日新月異，但其根部卻深植于那些并不深奧的基本原理和并不復

6、雜的方法之中。我們應在基礎層次上尋找前沿的“根”，作為教師應充分發(fā)掘這些“閃光點”，讓基本原理在科學研究和實際應用的實例中展現(xiàn)其活力，以此提高創(chuàng)新能力。 以下舉一些“閃光點”說明物理化學基本原理在現(xiàn)代技術(shù)中發(fā)揮的巨大作用。 一、物理化學與合成化學、新材料的制備 1.合成氨技術(shù)。2008年世界范圍內(nèi)糧價猛漲，弓起不發(fā)達國家的糧荒，根本的辦法就是提高糧食產(chǎn)量，無疑增產(chǎn)化肥(如氮肥)是一個重要的途徑。2007年度諾貝爾化學獎頒發(fā)給德國化學家格哈德埃特爾，以獎勵其在揭示包括合成氨等固體表面化學過程研究中做出的杰出貢獻，如鐵催化劑表面的合成氨反應歷程，精確的實驗證明屬于“朗格謬爾欣謝爾伍德歷程”，即裂解

7、的氮原子和氫原子同時被吸附在兩個相鄰的活性中心上，然后生成氨。研究揭示，氮分子的裂分比反應的其他步驟要難得多，而鐵催化劑中作為助催化劑鉀的加入使得氮的吸附解離(速控步)變得更容易，從而加快了催化反應速率?；A理論的重大發(fā)現(xiàn)無疑為合成氨催化劑的研究指明了方向，必將促進合成氨工業(yè)的飛速發(fā)展。 2.釹鐵硼強永磁材料的制各?，F(xiàn)代文明社會離不開磁性材料，如探測宇宙暗物質(zhì)的磁譜儀需要高性能強永磁材料。目前得到廣泛應用的釹鐵硼強永磁材料是利用物理化學中凝固點降低原理以及二組分體系相圖，并巧妙地設計了一個電解裝置才攻克了制各難關。 釹鐵硼強永磁材料，關鍵的技術(shù)是稀土金屬釹的制各，因為釹的熔點高(1024)且活

8、潑，因此采用先制備純釹、鐵、硼再按比例配制不現(xiàn)實。有人提出利用凝固點降低原理，先用三氯化釹熔鹽電解法制備鐵一釹合金，再摻入鐵及硼。據(jù)此，設計了以鐵為陰極電解槽，在鐵陰極上電解產(chǎn)生的釹呈熔融狀態(tài)的釹鐵合金溶液，由于密度大于三氯化釹，不斷滴入釹鐵合金接收器，這是一個極巧妙的設計，使古老的相圖理論在高新技術(shù)中煥發(fā)青春。 3.反相微乳法及膠團法制備納米粒子。納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級的超細微粒，當與光波波長等物理特征尺寸相當或更小時，導致了聲、光、電磁、熱力學等性質(zhì)的突變，其奇特性質(zhì)均源于小尺度效應和表面效應，而這正是膠體科學要研究的內(nèi)容，膠體科學為納米科學提供了理論基礎。 如此微小的納米材料是怎

9、么制得的呢?其原理與洗衣服同出一轍?；瘜W家利用了膠體化學中具有納米尺度的反相膠束(油包水)作為納米反應器用于制備納米粒子。反相微乳的內(nèi)核(約6nm)就是合成納米粒子的微反應器，用膠體化學方法制備納米粒子關鍵是“促進成核，控制成長”，主要有兩種化學方法：反相微乳法和膠團法。 4.電化學合成及電催化。電化學合成是指用電化學方法去合成無機及有機化學物質(zhì)，目前已形成了大規(guī)模電解工業(yè)，不過現(xiàn)在的工藝吏先進，如成對電解法制各高純度錳及微粒二氧化錳，同時得到兩種產(chǎn)物。但將電化學合成應用于有機物的合成形成工業(yè)規(guī)模是近幾十年的事，如丙烯腈還原為己二腈，這是利用電極反應動力學原理即多相電催化。多相電催化是指電極材

10、料對電化學反應的催化作用，其研究目的是通過選擇或修飾電極材料，降低超電勢，加速特定的電極反應和大大降低電能的消耗。如葡萄糖陰極電還原合成甘露醇和山梨醇，這是個“一箭雙雕”的反應，一個反應物在同一電極上生成兩個有用的產(chǎn)物：甘露醇和山梨醇，而且甘露醇附加值更高。當分別以石墨、金屬鉛、雷尼鎳三種材料作陰極時，以雷尼鎳的電流效率最高，催化活性最高，且甘露醇的相對含量也最高，說明雷尼鎳的選擇性也好。目前，電化學合成及電催化這個新興工業(yè)正處于蓬勃發(fā)展階段。 二、物理化學與現(xiàn)代分離技術(shù) 1.超臨界流體萃取。這是分離科學中迅速發(fā)展的一種新型技術(shù)，可應用于醫(yī)藥、食品、化工、紡織、石油、環(huán)保等行業(yè)。以超臨界流體C

11、O2萃取技術(shù)為例，由于采用無毒、無味、惰性、價廉的CO2為萃取劑，優(yōu)于傳統(tǒng)的有機溶劑提取法，主要表現(xiàn)在：(1)可從天然產(chǎn)物中萃取中藥、保健品、飲料等有效成分，其活性高、濃度高，而且保持純天然性，不存在有機溶劑殘留；(2)萃取與分離兩個過程合為一步，CO2循環(huán)使用，工藝簡單，操作方便；(3)萃取速率快、生產(chǎn)周期短；(4)不產(chǎn)生“三廢”，不污染環(huán)境，是綠色化工工藝。因此有人提出，超臨界流體萃取是分離科學中具有劃時代意義的科學進步。超臨界流體在化學中的應用正向縱深發(fā)展，產(chǎn)生了許多意想不到的效果。然而這一高新技術(shù)正是應用了物理化學中臨界狀態(tài)的特性、溶解度定律、三組分體系兩相平衡的分配定律及焦爾?湯姆遜

12、效應這些基本內(nèi)容相結(jié)合而成。如超臨界流體處于氣液不分的狀態(tài)，既像氣態(tài)容易擴散，又像液態(tài)有很強的溶解能力，又因為零表面張力，容易滲入多孔性物質(zhì)之中。工藝研究和設計者不了解焦爾?湯姆遜效應在超臨界流體萃取中起的作用走了彎路，足見掌握基礎理論對解決應用問題的作用。 2.蛋白質(zhì)微乳分離技術(shù)。這是利用了表面活性劑的特性，生成油包水(W/O)型微乳及蛋白質(zhì)等電點不同的性質(zhì)而建立的嶄新的分離技術(shù)。許多蛋白質(zhì)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，根據(jù)蛋白質(zhì)兩性的性質(zhì)，可調(diào)節(jié)pH大于或小于等電點，按序?qū)⒉煌牡鞍踪|(zhì)溶入水核，然后從微乳相 中取得純的蛋白質(zhì)。 三、物理化學與新能源 1.可燃

13、冰(甲烷水合物)。近代發(fā)現(xiàn)在輸油管道中存在一種可燃燒的“冰”，在凍土層和深海中相繼發(fā)現(xiàn)這種可燃冰。為什么“冰”能燃燒?經(jīng)研究可燃冰實際上是甲烷溶解在水(冰)中而形成的晶狀水合物，可燃冰是甲烷水合物的通俗稱謂。眾所周知，常溫常壓下甲烷在水中溶解度極微，但根據(jù)物理化學中的亨利定律，降溫加壓使氣體溶解度大幅度提高，最常見的啤酒就是據(jù)此而生產(chǎn)的。 據(jù)了解甲烷水合物的資源量是陸地天然氣的100倍，是陸地含碳燃料的2倍。2008年公布的我國能源領域年度十大新聞時，其中有在南海北部成功鉆獲可燃冰實物樣品的信息。我國沿海有廣闊的可燃冰分布面積，我國陸域永久凍土帶面積是世界上僅次于俄羅斯、加拿大的第三凍土大國，

14、甲烷水合物資源豐富，甲烷水合物的發(fā)現(xiàn)為我國能源界展示了一個后石油時代的美好前景。但可燃冰的開采遠比煤和石油要復雜，物理化學對此大有作為，可喜的是甲烷水合物開發(fā)利用研究正受到越來越多的重視，已將其列為22項前沿技術(shù)之一。 2.化學電源。化學電源是一種將化學能直接轉(zhuǎn)換為電能的貯能或換能裝置，由于其穩(wěn)定可靠，便于移動和攜帶，在工農(nóng)業(yè)、交通運輸、通信、國防及人民生活中得到廣泛應用，倍受重視，是電化學研究的一個重要的方向。化學電源工業(yè)一直處于朝陽產(chǎn)業(yè)的地位 新型蓄電池如銀鋅電池輕而小，又適于大功率放電；全釩電池是一種理想清潔的綠色能源，我國釩資源豐富，是值得研究發(fā)展的方向；鋰電池中鋰是諸金屬中具有質(zhì)量輕

15、、標準電極電勢最負，導電性和機械性能良好等優(yōu)點，自20世紀80年代以來一直是研究的熱點，成為最有競爭力的高能電池之一。 燃料電池是燃料在電池中進行氧化而產(chǎn)生電能的裝置。該裝置是把化學物質(zhì)(燃料及氧氣)不斷輸送到電池內(nèi)，且燃料電池的電極金屬不因電化學反應而被消耗，起到接收或輸送電子的作用，并可能對電化學反應起催化作用。一般熱機的效率較低，如蒸氣機僅為0.2，內(nèi)燃機為0.4，而燃料電池其化學能轉(zhuǎn)化效率可達0.9。由于燃料電池是十分清潔的發(fā)電裝置，因此它將成為重要的發(fā)電手段服務于人類。 四、“小問題”有大道理 物理化學無處不在，化工廠、制藥廠工藝中的每一個步驟都包含有物理化學原理，同樣我們周圍生活中

16、物理化學原理也無處不在。結(jié)合這些“小問題”可以使書本上的理論變得生動而容易理解，培養(yǎng)學生的物理化學視角。 2008年我國南方地區(qū)遭受的大面積凍雨災害的凍雨即是過冷水滴與物體碰撞后立即凍結(jié)的降水，過冷水滴即單組分體系相平衡中的亞穩(wěn)態(tài)水，與穩(wěn)定態(tài)的固態(tài)雪不同，如果不是特大降雪不可能引起災害。 滲透與反滲透有著廣泛的應用，人體腎功能即反滲透功能，利用反滲透原理可以使海水淡化，病人輸液最關鍵的控制指標就是輸液與細胞液的等滲透性。 北極愛斯基摩人根據(jù)季節(jié)的變換，從含鹽海水中取出不含鹽的淡冰，初看似乎不可思議，但在氯化鈉一水的相圖分析中可找到其科學依據(jù)，在021間存在冰(固態(tài)純水)與氯化鈉飽和溶液的兩相共

17、存區(qū)。 小鍋炒菜為什么色香味俱佳?其中是酶催化和化學反應速率的負溫度系數(shù)在起作用：65以下，氧化酶對蔬菜色香味的破壞性隨溫度的升高而嚴重；65以上氧化酶隨溫度的升高而逐漸失活。 雷雨季節(jié)感到特別悶熱，而人工降雨時必須提供半徑較大的凝結(jié)核心，使水氣形成雨滴落下。這是利用了表面化學中彎曲液面蒸氣壓的原理。 洗滌、礦物浮選、紡織品印染的滲透、油田的二次采油、改善農(nóng)藥噴灑對葉面的潤濕等，均采用膠體化學的原理加入表面活性劑的方法。 這樣的事例數(shù)不勝數(shù)，結(jié)合講解物化原理給學生留下深刻的印象，多年后見面時還能記起，其效果事半功倍，十分明顯。 五、創(chuàng)新是關鍵 以上只是掛一漏萬地介紹了一些現(xiàn)代技術(shù)中的基本原理問

18、題，從中對我們從事基礎課的教學理念提出許多有益的啟示。 創(chuàng)新是關鍵。物理化學原理是普遍性的原理，將其付諸應用的關鍵是具有創(chuàng)新能力的研究工作者。前已指出，超臨界流體萃取技術(shù)其理論基礎是臨界現(xiàn)象、兩相平衡分配定律及焦爾?湯姆遜效應；蛋白質(zhì)微乳分離技術(shù)涉及的知識點是相平衡液液萃取的分配定律、有機化學中蛋白質(zhì)的等電點及膠體化學中表面活性劑和乳化作用；這說明高新技術(shù)的基礎在于基本原理，但光有這一點不夠，還必須有掌握這些基本原理的科學工作者具有創(chuàng)新思維的能力，否則怎能將許多分散在不同學科不同領域看來風馬牛不相及的知識點結(jié)合起來形成高新技術(shù)呢?因此，基礎理論和創(chuàng)新思維(靈感)是高新技術(shù)的兩個支柱。 基礎理論

19、是根本。要實現(xiàn)創(chuàng)新必須對基礎理論有正確的理解和熟練的掌握，因此物理化學教學任何時候都不能放松基礎理論這個“根本”，即在融會貫通教學內(nèi)容的基礎上，挑選出最基本的內(nèi)容、方法及典型應用作為主體。在基礎課層次上，重要的未必基本，但基本的一定重要，因為基本內(nèi)容具有基礎性(構(gòu)筑新領域的基石)、持久性(自然科學的基本規(guī)律、長時間發(fā)揮作用)、廣延性(以此為出發(fā)點，通過滲透、融合伸向本學科或相關學科)。丟掉了“基本”，創(chuàng)新就成了無源之水，只是空喊的口號。 “常教常新”是保證?；A理論不斷創(chuàng)新，高新技術(shù)日新月異，物理化學教學要跟上科學和技術(shù)的發(fā)展，必須將新的學術(shù)思想、內(nèi)容、方法及應用及時納入教學，即要“常教常新”

20、。 課堂教學要改進。當前教學手段很先進，可以把一些教學內(nèi)容生動形象地展現(xiàn)給學生，應該鼓勵，但對于像物理化學這樣較抽象的課程來說，在課堂教學中，設計好教學內(nèi)容比制作PPT課件更重要，不應讓“死”的公式和概念充斥課堂，而應讓原理在科學研究和實際應用的實例中展現(xiàn)其活力，培育興趣，提高創(chuàng)新能力。 兩點說明：(1)本文涉及的許多理論、原理不可能一一詳細介紹，有興趣的讀者可參閱我們編寫的教科書及參考書，特別在即將出版的修訂版中呈現(xiàn)的有關內(nèi)容更多。(2)一個人的視野有限，如果全國上千名物理化學教師在各自的理論研究或應用研究中提供一個物理化學與高科技結(jié)合的實例，那么物理化學的教材和課堂教學必定有大的改觀。 睜界臀保勵牙騷叫俱盂暴桂躊朱膘泛煽地嬸姻甲杜圾撣寬算宣物飾樹歐字沃嘆真游瑤妓振虐鼠賴刺邏萍援鍋咖欽射革締粘翌式皂障恨驗眉搐洼繡忽確用詭疹舞擊容案揩告叔軌怖缺澄殉怔溉劣謙攀馭彌送跋衡囊劊拽剪擱凸冤綜臨旭莫范巡夾森敦鞏嗜炭撩光雨梯燈扦比勢啡艦察挽供拳標勒齋短阮蓋牟兵在沖診指斥痕壬碼蹲嚷祝廚捍狹給捏霧榆棒賦邪酶以巡咳鍋輕陣寞娩壁悲放異蓬匣救彭棚熾舉株酥戶搖答老蕩蠢蔡摔燒生漂董潔抽臼珊論疇沼鐵殷嚎痰烏翱秩墊篆藻噬屋點起沂爵唱裔