大学化学中的案例教学
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摘 要：大学化学课程信息量大、知识点多、面广，而且学时数有限，在教学过程中引入“案例教学法”，将课本上很多的知识点通过一个典型例子有机地联系起来，从而取得良好的教学效果。该文以氢氧化合反应为例，将化学热力学、化学动力学、氧化还原反应、电化学、清洁能源氢燃料电池以及其在军事中的应用等知识点有机联系起来，对大学化学的课堂教学将起到事半功倍之效。
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）01（a）-0084-01
大学化学是一门涵盖无机化学、分析化学、物理化学、有机化学等丰富知识的基础课程，知识点多、面广。作为我校的一门全校性公共基础课，除少数文科专业的学生外，绝大部分专业的学生都要学习这门课程。因此，学生构成比较复杂，既有高中学理科甚至参加过中学生化学奥林匹克竞赛的学生，也有高中阶段几乎没有学过化学的学生。授课中学生反映，部分学生习惯于高中学习阶段化学少而精的知识学习模式，对大学化学信息量大、知识点多的授课特点不适应，学习上面临着困难。
针对大学化学课程的这一特点，以及目前学时数的限制，在化学教学中引入“案例教学法”，引导学生利用已有知识对案例进行分析，将课本上很多的知识点通过一个典型例子有机地联系起来，从而取得更好的教学效果。案例教学法起源于1918年，由美国哈佛大学工商管理研究院首创，是在教学过程中，运用事例激发学生学习兴趣，启发学生学习的一种教学方法。[1～3]下面以氢氧化合反应为案例，来联系大学化学中的多方面内容，从而对该案例进行全面的综合分析。氢气和氧气反应生成水是学生在刚开始接触化学就学习过的简单的化学反应，以之为例可以联系大学化学课程中多个知识点，使同学们更好地联系和掌握大学化学中的内容，提高教学效果。
氢氧化合反应方程式：
1 与化学反应热力学的联系
（1）氢气的标准摩尔燃烧焓。
1 mol标准状态的某物质B完全燃烧（或完全氧化）生成标准状态的生成物的反应热效应称为该物质B的标准摩尔燃烧焓，用符号表示。所以此化学反应的热效应就等于氢气的标准摩尔燃烧焓。
（2）水的标准摩尔生成焓。
标准压力下，在进行反应的温度时，由最稳定的单质合成标准状态下1 mol物质时的反应热，称为该物质的标准摩尔生成焓，用符号表示。所以此化学反应的热效应就等于氢气的标准摩尔燃烧焓。
（3）该化学反应的热效应如何？
化学反应的热效应可以有以下两种计算方法：用标准摩尔燃烧焓计算，
则=；
用标准摩尔生成焓计算，则：
。
（4）该反应室温下（298 K）标准状态下能否自发进行？
等温等压条件下，封闭系统不做非体积功时，化学反应能否自发进行判断的标准是其吉布斯（Gibbs）自由能变是否小于零。即
2 与化学反应动力学的联系
（1）这是一个自发进行的反应，为什么两者混合的气体在室温下长时间也观察不到水生成？
尽管氢氧化合反应在常温下是一个自发进行的反应，但是由于两者的反应的活化能非常高，因此，室温下的反应速率极其小，几乎不反应，以至于在长时间后也观察不到水的生成。
（2）为什么点燃后能迅速反应，甚至发生爆炸？
通过点燃，使氢氧混合物获得初始反应的能量，氢气解离成两个自由基，这种自由基具有非常强的化学反应活性，成为反应连续进行的活化中心，从而进行快速的热-链式反应（也叫链锁反应）。如果氢气和氧气混合物的比例在氢气爆炸界限范围内（4%～74%），则可能发生爆炸。
3 与氧化还原反应和电化学的联系
（1）这是一个氧化还原反应，氢气是还原剂，被氧化，氧气是氧化剂被还原。
（2）可做氢燃料电池，半电池反应如何？电池符号如何表达？标准电动势是多少？
任何的氧化还原反应都可以设计成原电池，现在利用氢燃料制备氢燃料电池是清洁能源发展的一个重要方向。该电池的电池反应如下：
负极
正极
电池总反应，
与氢氧化合反应方程相同。
电池符号可用下式表示：（―）C|H2（p）|KOH（aq）|O2（p）|C（+），该电池的标准电动势Ecell=φ（+）-φ（-）=0.401-（-0.827）=1.228V，也可以根据吉布斯自由能变计算Ecell =1.229 V。
（3）在电池中不能点燃，如何解决氢氧化合反应速率慢的问题？
可以通过催化法，提高反应的速率。催化剂是一种能改变化学反应速率，其本身在反应前后质量和化学组成均不改变的物质。所以在燃料电池中，为了便于进行电极反应，要求电极材料兼具有催化剂的特性，可用多孔碳、多孔镍和铂、银等贵金属作电极材料。
（4）燃料电池中能量转换效率如何？
燃料电池是直接将化学能转化为电能的装置，与传统内燃机的工作原理不同，燃料电池能量转化效率不受卡诺（Carnot）循环的限制，而是取决于化学反应的吉布斯（Gibbs）自由能和反应热。燃料电池的理论极限效率。由于电极极化损失、内阻和燃料利用率等因素影响，燃料电池的实际发电效率可以达到60%～80%，远高于传统的发电方式（发电效率不超过50%）。则标准状态下，298 K时氢燃料电池的理论极限效率为。
4 与军事应用的联系
火箭发动机是运载火箭等航天飞行器和各种战术战略导弹系统的动力装置，而推进剂则是火箭发动机中的能源。双组份液体火箭推进剂由于氧化剂和燃料分别装在两个独立储箱中，使用比较安全，是目前火箭、导弹动力系统中使用最多的液体推进剂组合。其中氧化剂使用的较多的是液氧，而液氢是其最常用的燃料之一。氢气和氧气在火箭发动机燃烧室中进行燃烧，把化学能转化为热能，产生高温高压气体。这些气体在喷管中进行绝热膨胀，把释放出的热能转变为动能，通过以上分析可以看到，该案例很好地将化学反应的基本规律（化学热力学、化学动力学以及氧化还原反应）及其应用（燃料电池、火箭动力）等知识联系起来，进一步深化该案例还可以引入物质结构等方面的相关内容。
本科教学中一个很重要的任务就是教师在课堂教学中要自觉引导、启发学生发现问题、分析问题、解决问题，在课堂中引入简单的例子，而从不同的角度对其进行分析，联系多个知识点，对于学生掌握书本知识，增强综合运用知识解决问题的能力具有重要意义。
参考文献
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[2] 谭希丽，徐冬梅.概率统计课程教学方法的几点体会[J].高等数学研究，2011（14）：97-98.
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