物理化学在中学化学教学中的应用.doc

物理化学在中学化学教学中的应用 化学化工学院 化学师范专业 徐佳 3071302022摘要：用物理化学中的知识讨论了中学化学教学中关于书写热化学方程式时要注明物质的状态的原因，用不同反应物或生成物表示的化学反应速度存在的关系，压力对化学平衡的影响，阳离子放电顺序判别等问题。得到了一些适用于中学教学的结论。关键词：物理化学；中学化学；应用在中学化学教学内容中, 物理化学知识占了较大比重, 中学教学过程中和历年高考题及竞赛题常遇到一些可应用物理化学知识解决的问题, 如判断几种离子共存的可能性, 金属在溶液中的存在状态, 阴阳离子的放电顺序等, 教师苦于此类题的解答, 学生也难于解题的繁杂。本文利用物理化学知识对有关问题作出解释, 并给出了一些适合中学化学教学的规律。1 书写热化学方程式时要注明物质的状态的原因对于氢气和氧气的反应, 中学化学中给出如下两个方程式：2H2(气) + O2(气) = 2H2O（气） + 483.6千焦 （1）2H2(气) + O2(气) = 2H2O（液） + 571.6千焦 （2）两个反应的反应热为何存在如此大的差别, 中学化学中只是给出了定性的说明, 即呈不同聚集状态的物质其能量不同1(P48)。实际上, 一冷反应的反应热从理论上讲可以由参加反应的各物质的生成热来计算2(P30), 即Hm = VBHm,f(B)产物 - VBHm,f(B)反应物 （3）由于稳定单质的生成热规定为零, 即Hm,f(H2,g)=0、Hm,f(O2,g)=0,液态水和气态水的生成热分别为Hm,f(H2O,l)=-285.8KJ.mol-1、Hm,f(H2O,g)=-241.8KJ.mol-1，将上述数值代入（3）式计算出反应（1）、（2）的反应热分别为 Hm(1) = 2 (-241.8) = -483.6KJHm(2) = 2 (-285.8) = -571.6KJ负号表示反应是放热的, 这与(1)、(2)两式中的”+”号是一致的。可见, 反应(1)、(2)反应热的差别是由气态水和液态水生成热不同所致, 因生成热是与物质聚集状态有关的物理量, 而生成热的数值决定反应热的大小, 所以在书写热化学方程式时必须注明各反应物和生成物的状态。2 用不同反应物或生成物表示的化学反应速度存在的关系。化学反应的速度通常用单位时间内反应物或生成物浓度的变化来表示3(P2), 但用不同反应物或生成物表示的反应速度数值上存在差别并存在一定的关系, 例如下列反应 N2 + 3H2 = 2NH3 (4)可以用反应物N2和H2的消耗速度(-dCN2/dt和-dCH2/dt)来表示反应速度, 也可以用生成物的生成速度(-dCNH3/dt)表示反应速度, 从反应方程式可以看出, 由于每生成2molNH3, 需要消耗1molN2和3molH2,故NH3的生成速率应该是N2消耗速率的二倍，是H2消耗速率的2/3倍。即 dCNH3dt = -2dCN2/dt = -2/3dCH2/dt (5-a)或 1/2dCNH3dt = -dCN2/dt = -1/3dCH2/dt (5-b)可见我们可以选用反应中任何一种物质(反应物或生成物)浓度的变化率来表示该反应的速率, 但采用不同物质的浓度变化率来表示时, 反应速率的数值各不相同, 它们之间存在(5-a)或(5-b)式所示的关系,即与反应方程式中各物质的计量系数之间存在定量的关系4(P274)。在实际应用时, 通常采用容易测定的反应物或生成物的浓度变化率来表示反应速度。3 压力对化学平衡的影响理想气体反应的平衡常数Kp与Ke均只是温度的函数, 不随压力而改变。但Kx却随压力而改变, 所以讨论压力对化学平衡的影响必须从Kx与压力的关系开始。根据Kx = KpP - v (6)两边同时取对数lnKx = lnKpP - vlnp (7)在温度不变的条件下, 两边同时对压力求导后可以看出，Kx随p的变化关系与反应方程中各物质计量系数的代数和v有关,分以下几种情况：对于v 0的反应，如2SO3 = 2SO2 + O2 v=1 (10)则Kx随压力增加而减小, 平衡向逆反应方向移动, 有利于SO3的生成;反之,随着压力的减小, Kx却增大, 平衡向正反应的方向移动, 有利于SO2的生成。4 阳离子放电顺序判别中学化学中判断阳离子放电顺序是一个既重要又困难的问题, 什么离子先放电?几种不同离子共存时, 谁先被还原?尤其是析出H2的顺序等, 这些间题屡屡在中学教学中出现。这里, 我们以中学教学中金属活动性顺序表为基础, 从离子析出电位的角度来讨论阳离子放电顺序, 尤其是析出H2的顺序。中学常根据金属活动性顺序来判断金属的活泼性,事实上,在电解金属盐类水溶液时究竟发生了什么反应,是析出H2还是金属,还是哪类金属离子先放电, 不仅要考虑它们的平,亦要考虑一定电流密度下的超电势, 阳离子在阴极的析出电势为5:阳，析 = 平 阴 且平 = + 0.0592/nlgCmm+故 阳，析 = + 0.0592/nlgCmm+ -阴电极上先进行还原反应的是阳，析较大(或负值较小)的反应。下面讨论金属的析出顺序：在酸性条件下, 使用惰性电极(此时金属和氢在电极上过电位0) , 若Mn+ = 1mol/L时，则阳，析 = ，此时可用离子标准电位判断放电顺序, 此顺序表为： K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Fe2+ H+ Cu2+ Hg2+ Ag+该顺序表与金属活动性顺序表基本一致5, 按此规律, 学生们很容易作出离子放电顺序的判断, 如溶液中存在Zn2+、Mg2+、Fe2+、Cu2+、H+等离子谁先放电, 放电顺序又怎样？此时只要查找它们各自的值(分别为： -0.7628V,-2.363V,-0.4402V,0.3370V,+0.000V)6按阴极析出规律, 就很容易判断出它们的析出顺序为: Mg2+ Zn2+ Fe2+ H+ Cu2+。若CMn+1mol/L时，就应考虑浓度对放电顺序的影响, 尤其是当两种金属离子的差值不太大时, 很可能会因浓度变化而引起两种离子CM1n+、CM2n+放电顺序的改变, 如Ag+、Hg22+两种离子, 若浓度C1 =C2=1mol/L时，按照判断, Ag+先放电；若Hg22+浓度C2增加, 当满足0.0592/nlgC2/C1(1-2)时（其中：1-2 =Ag+/Ag-Hg22+/Hg）,便会改变原来的析出顺序而先析出Hg。按照与上式的同样方法, 我们可得公式:0.0592/nlgC2/C1 = (11)由（11）式可计算出不同价数（n值）的离子因浓度从C1变化为C2而引起电极电位的改变值 。则c2 =c1 + ，若C1=1mol/L,则c2 =c+ 根据浓度对不同价数离子电位的影响图，可查找出若要改变离子的放电顺序（在可能的范围内）所需的离子浓度。因此, 前面的离子放电顺序在考虑离子浓度的影响时就可能引起局部的变动。教师在掌握这些原理后, 就能灵活解决教学中离子放电的有关问题。参考文献：1高级中学课本.化学(第一册)M.北京:人民教育出版社, 1994.2上海师范大学等编.物理化学(第三版, 上册)M.北京:高等教育