科研促進(jìn)近化學(xué)專業(yè)物理化學(xué)教學(xué)探索與實踐

王 群王 銳（哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，哈爾濱150001）

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·教學(xué)研究與改革·

科研促進(jìn)近化學(xué)專業(yè)物理化學(xué)教學(xué)探索與實踐

王 群*王 銳
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，哈爾濱150001）

摘要：探討物理化學(xué)課程教學(xué)與納米能源材料領(lǐng)域前沿科研成果有機(jī)結(jié)合的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新興趣、多元化思維及科研素質(zhì)。全面提高學(xué)生的綜合能力和獨立工作能力，為其今后從事科學(xué)技術(shù)研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；科研成果；教學(xué)探索

2014年3月28－30日，在中國科學(xué)院舉行的“我國高等化學(xué)教育問題及對策”會議上，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副院長朱亞先教授針對化學(xué)專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容提出“確保基礎(chǔ)性、強(qiáng)化系統(tǒng)性、重視前沿交叉性和展現(xiàn)應(yīng)用性”［1］。在教學(xué)中，教師可以利用有限的學(xué)時，結(jié)合學(xué)生專業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)研究的最新研究進(jìn)展重組課程內(nèi)容，改革教學(xué)方法，開展興趣教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和創(chuàng)新能力。筆者從事物理化學(xué)教學(xué)工作近6年，結(jié)合我校工科學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展特點，不斷嘗試對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化。以下是筆者在工科物理化學(xué)教學(xué)實踐中總結(jié)的一些經(jīng)驗。

物理化學(xué)作為哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工、材料、環(huán)境、食品、生命等相關(guān)專業(yè)的平臺課程，是各專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課。該課程具有概念多、公式多、公式使用條件嚴(yán)格且涉及學(xué)科多（如大學(xué)化學(xué)、大學(xué)物理和高等數(shù)學(xué)）等特點，同時現(xiàn)代科學(xué)研究的最新研究進(jìn)展豐富了物理化學(xué)內(nèi)容，與能源化學(xué)、材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等其他化學(xué)學(xué)科結(jié)合日益緊密［2］。從而也帶來了高強(qiáng)度的教學(xué)內(nèi)容（6－8章）與短學(xué)時（48學(xué)時）之間的矛盾，既增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，同時也加大了教師的教學(xué)難度。如何根據(jù)我校工科專業(yè)為主的特點，使物理化學(xué)的教與學(xué)變得輕松有趣，是任課教師所追求的目標(biāo)。

在課程體系建設(shè)中，堅持“重視基礎(chǔ)、突出現(xiàn)代、反映前沿、交叉綜合”的原則，選材時要盡量做到內(nèi)容的廣泛性，對那些已經(jīng)過時的、陳舊落后的部分予以刪去，增加一些能反映當(dāng)代物理化學(xué)發(fā)展前沿的新知識新理論，將每章內(nèi)容的基礎(chǔ)知識在板書中體現(xiàn)，便于學(xué)生記筆記，掌握脈絡(luò)，并把與之相對應(yīng)的最新科研熱點及前沿問題相聯(lián)系，通過多媒體圖文并茂展示，融匯基礎(chǔ)與前沿。近年來能源材料化學(xué)和納米化學(xué)蓬勃發(fā)展，關(guān)于新材料的研究成果和新進(jìn)展層出不窮，例如光催化材料、太陽能電池、鋰離子電池材料、熱電材料、壓電材料等，很多與物理化學(xué)書本中的知識點相關(guān)聯(lián)。如果能將二者有機(jī)結(jié)合，將創(chuàng)新意識滲透到課程教學(xué)之中，讓學(xué)生從本科起就初步接觸科學(xué)研究，培養(yǎng)科研創(chuàng)新意識，可以為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)起到入門作用。通過這樣的教學(xué)方式，既加深了學(xué)生對物化知識的理解又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，可謂“一箭雙雕”。

1 熱力學(xué)第一定律與壓電材料

熱力學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)是工業(yè)革命與技術(shù)革命的必然結(jié)果?；瘜W(xué)熱力學(xué)的主要理論基礎(chǔ)是經(jīng)典熱力學(xué)。19世紀(jì)中葉，人們在研究熱和功轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，總結(jié)出熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，解決了熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換中在量上的守恒和質(zhì)上的差異［3］。

在講述熱力學(xué)第一定律內(nèi)容時，說明其實質(zhì)就是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域所具有的特殊形式。自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種形式，并且可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。在轉(zhuǎn)化過程中，能量的總量不變。其表達(dá)形式有數(shù)學(xué)和文字表述兩種形式。

1850年，德國的克勞修斯（Rudoff Julius Emanuel Clausius，1822－1888）首先提出了完整的熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)形式，當(dāng)系統(tǒng)和環(huán)境交換能量時，系統(tǒng)的熱力學(xué)能就要發(fā)生變化：

如果系統(tǒng)發(fā)生了一個微小的變化，則有：

上邊兩個式子稱為熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

文字表述為：要想制造一種永動機(jī)，它既不依靠外界供給能量，本身的能量也不減少，卻不斷地對外做功，這是不可能的。簡化的說法：第一類永動機(jī)是不可能造成的。

美國佐治亞理工學(xué)院王中林教授在機(jī)械應(yīng)力下產(chǎn)生電壓的壓電材料這一領(lǐng)域已經(jīng)努力多年。壓電效應(yīng)指的是對晶體和其他固體材料施加機(jī)械壓力時產(chǎn)生的某種電荷，通過能量收集系統(tǒng)，從周圍環(huán)境中收集并轉(zhuǎn)換能量的納米發(fā)電機(jī)。它可以收集普遍存在于自然界以及人們?nèi)粘Ｉ钪械臋C(jī)械能（比如人體運動、肌肉收縮、引擎轉(zhuǎn)動等所產(chǎn)生的能量）、震動能（比如聲波和超聲波產(chǎn)生的能量）、流體能量（比如體液流動、血液流動和動脈收縮產(chǎn)生的能量），并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件，如傳感器、探測器等。他曾說過：“只要能動，就能發(fā)電”。

在不久的將來，利用摩擦起電給手機(jī)充電或許將成為現(xiàn)實。當(dāng)你拖著鞋子在地毯上走了一會兒，再碰到金屬的時候很可能會被電打一下。誰能想到這一現(xiàn)象也許有一天可以被用來為個人電器充電呢。王中林教授的研究團(tuán)隊發(fā)明了一款設(shè)備，可以把像手機(jī)在口袋里摩擦這樣的運動轉(zhuǎn)變成給手機(jī)電池充電的電源。這是第一次證實摩擦運動有足夠的能量為個人電器充電。不久的將來，在走路時、坐立不安時、甚至呼吸時產(chǎn)生的額外能量都可能為醫(yī)療植入設(shè)備和其他電子元件提供電力［4］。

2 熱力學(xué)第二定律與熱電材料

隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，世界能源短缺和枯竭已經(jīng)成為不容忽視的問題，嚴(yán)重制約著社會長期穩(wěn)定發(fā)展，研究和開發(fā)新能源已經(jīng)成為全球能源發(fā)展的趨勢。既然熱力學(xué)第一定律告訴我們能量是守恒的，那為什么又有“能源危機(jī)”之說呢？

除了遵守能量守恒定律之外，自然界的過程都有一個固定的方向，違反這個方向就不可能發(fā)生。所以熱力學(xué)第二定律與熱力學(xué)第一定律一樣，是一個與能量有關(guān)的普遍規(guī)律。熱力學(xué)第二定律具有多種不同的表述形式，其中最具有代表性的是Kelvin和Clausius表述。Kelvin表述為“不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他影響”；Clausius表述為“不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化”。這看似不同的表述形式，卻揭示了熱力學(xué)過程共同的本質(zhì)特性：自然界的一切實際過程都是不可逆的，或者說一切自發(fā)過程都是有方向性的。Clausius表述反映了熱傳遞這一具體的自發(fā)熱力學(xué)過程的不可逆性或方向性；Kelvin表述則揭示了熱功轉(zhuǎn)化這一具體的自發(fā)過程的不可逆性或方向性。只從一個熱源吸熱，全部轉(zhuǎn)化為功而不引起其他的變化的機(jī)器稱為第二類永動機(jī)。熱力學(xué)第二定律也可以表述為：第二類永動機(jī)不可能實現(xiàn)。說明其實質(zhì)能量轉(zhuǎn)換也是有方向和限度的，有高級能量和低級能量之分。

熱力學(xué)第二定律可以用于判斷過程的方向和限度，但這個結(jié)論一般很難運用。于是人們希望把這個結(jié)論變成一個數(shù)學(xué)表達(dá)式，就像熱力學(xué)第一定律一樣用一個數(shù)學(xué)公式表達(dá)出來。為了把熱力學(xué)第二定律用數(shù)學(xué)公式表達(dá)出來，Clausius在1865年引入了一個狀態(tài)函數(shù)——熵（entropy），并把它作為判斷過程方向的共同判據(jù)。

這個公式稱為熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它的含義是：系統(tǒng)的熵變總是大于系統(tǒng)實際過程的熱溫商（當(dāng)過程可逆時為等號，不可逆時為不等號）。

生活中有許多耗費能源生成、卻又被廢棄的熱能，例如：汽車尾氣、工廠鍋爐排放的氣體等等，如果能將這些熱能善加利用，即可成為再次使用的能源；電能是最廣泛使用的能源形式，但是目前發(fā)電的主要形式還是化石能源，這些能源的使用在給我們帶來便利的同時，也帶來了全球關(guān)注的環(huán)境問題；現(xiàn)代制冷技術(shù)給人們生活帶來了很多便利，但是氟里昂制冷劑所帶來的環(huán)境問題卻不容忽視。熱電材料以其獨特的性能成為一種很有發(fā)展前途的功能材料，它的應(yīng)用包括溫差發(fā)電和溫差制冷。原理示意圖見圖1。

圖1 溫差發(fā)電和溫差制冷原理圖

熱電材料的工作原理是：在通入電流之后，會產(chǎn)生冷熱兩端，故既可以用來冷卻也可以用來保溫。而如果同時在兩端接觸不同溫度時，載流子會集中到一端，形成電壓，則會在內(nèi)部回路形成電流，溫差越大產(chǎn)生的電流越強(qiáng)。這就啟發(fā)了一種新思維：用熱電材料接收外界熱源來產(chǎn)生電力。這種概念并不是空中樓閣，筆者從事熱電能量轉(zhuǎn)換材料研究已經(jīng)7年，在講到這部分物理化學(xué)內(nèi)容時，在課堂上介紹自己的最新研究成果，并且播放所指導(dǎo)的本科生科技創(chuàng)新項目轉(zhuǎn)化而來的用打火機(jī)燒熱電材料點燃小燈泡的視頻，更直觀地展現(xiàn)了能量守恒（熱能→電能）及更深刻地加深了學(xué)生對熱力學(xué)第二定律本質(zhì)——能量轉(zhuǎn)化方向和限度的認(rèn)識，即電能可以100%轉(zhuǎn)化為熱能，而反之卻不行，這也是目前熱電材料轉(zhuǎn)化效率僅為10%左右的原因（圖2）。

圖2 火焰燒熱電材料點燃小燈泡及原理圖

目前日本和德國都已開發(fā)出利用人體體溫與外界環(huán)境溫度差異，進(jìn)而產(chǎn)生電力來驅(qū)動的手表?？梢越o學(xué)生介紹日本精工公司制造的“體溫手表”，提出“為什么體溫手表離開人體即停止計時？”。另外一個事例是熱電發(fā)電機(jī)——汽車尾氣余熱回收。典型的汽油發(fā)動機(jī)冬天產(chǎn)生能量僅約25%用于驅(qū)動汽車，近60%的能量通過廢熱散失掉，其大多數(shù)在發(fā)動機(jī)排氣中損失掉。如果用熱電發(fā)電機(jī)替代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，將這部分熱能轉(zhuǎn)化成電能儲存在蓄電池內(nèi)，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性將會得到明顯的提高，從而減少汽車尾氣余熱的對大氣溫室效應(yīng)的影響（圖3）。美國西北大學(xué)Kanatzidis課題組［5］在德國《應(yīng)用化學(xué)》上報道，一種有潛力的新材料可使發(fā)動機(jī)排放的廢熱轉(zhuǎn)換為電力，從而可使汽車提高行駛里程。目前熱電材料效率僅為5%－6%，但基于此熱電材料，可以提高效率到11%－14%。長遠(yuǎn)目標(biāo)是達(dá)到20%。新材料熱電裝置可以安裝在汽車排氣管上，和排氣管接觸的部分為熱側(cè)，暴露于空氣中的為冷側(cè)，兩側(cè)熱差可產(chǎn)生電力以返回發(fā)動機(jī)使用。這種裝置同樣可應(yīng)用于大型工業(yè)設(shè)備，如發(fā)電、化學(xué)生產(chǎn)和玻璃制造等。

圖3 汽油燃燒產(chǎn)生能量損失圖和寶馬汽車公司采用熱電技術(shù)回收尾氣廢熱概念車

3 表面化學(xué)與仿生材料

液體在固體表面形成液滴的形狀取決于各種界面張力的相對大小。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時，各種界面張力的合力為零。而接觸角則是氣液界面和固液界面的夾角。

很明顯，在平衡時，三個力的合力為零。

式（4）稱為楊氏潤濕方程。接觸角是由固體、液體、氣體三方相互之間的界面張力來決定的。接觸角小于90度稱為親水；接觸角大于90度則為疏水。如果我們不想讓水留在固體表面，就要增大接觸角。從能量的角度來看，接觸角的形成是減小整個體系總界面能的結(jié)果。對于一個疏水的固體表面來說，當(dāng)表面有微小突起的時候，有一些空氣會被“關(guān)到”水與固體表面之間，水與固體的接觸面積會大大減小，固體表面的接觸角會大大增加。

自然界中很多動植物具有疏水表面，使得它們可以具有自清潔作用和在水面滑行等特性。在電子顯微鏡下可觀察到荷葉表面就非常的粗糙，其表面布滿了大小在幾微米到十幾微米的突起。如果把這些突起放大，每個突起上還布滿了更小的突起，或者說細(xì)毛。荷葉的超強(qiáng)疏水性不僅跟表面疏水性有關(guān)，還跟這種超微結(jié)構(gòu)有關(guān)。荷葉表面的這種超微結(jié)構(gòu)（接觸角接近180度）稱為“超疏水表面”，水滴接近于球形，可以很自如地滾動。即使葉子上有一些臟東西，也會進(jìn)入水中被水帶走。這樣就使荷葉表面具有了“自清潔”的能力。

動物的例子介紹了水黽的疏水性腿。小型水生昆蟲水黽被喻為“池塘中的溜冰者”，因為它不僅能在水面上滑行，而且還像溜冰運動員一樣能在水面上優(yōu)雅地跳躍和玩耍。它的高明之處是，既不會劃破水面，也不會浸濕自己的腿。水黽是如何練就如此水上絕技？中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員江雷等［6］在英國《自然》雜志上發(fā)表論文，揭開了水黽“水上輕功”的奧秘。水黽的腿均勻地覆蓋著一層傾斜度大約為20度的微米級的剛毛，而每一根剛毛又含有納米級的溝槽，在微米級的剛毛和納米級的溝槽形成的空間中覆蓋著一層空氣，這使得它的腿具有超疏水性，與水的接觸角高達(dá)167.6度，能將空氣有效地吸附在這些同一取向的微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi)，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤，在宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性。正是這個原因使水黽的腿即使在水面上壓出4.38 mm深的水窩也不會刺穿水面，單腿的最大支撐力為其總體重的15倍，即使在狂風(fēng)暴雨和急速流動的水流中也不會沉。哈爾濱工業(yè)大學(xué)潘欽敏教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊［7］從水黽腿部的微觀“羽毛狀”結(jié)構(gòu)獲得靈感，開發(fā)出一種水中微型機(jī)器人，能模仿水黽的水上行走能力。機(jī)器人的身體尺寸大約相當(dāng)于一個二十五美分的硬幣，有10條憎水的腿和2條可移動的、由2個微型馬達(dá)推動的類似于槳的腿，可以很好地完成軍事偵察任務(wù)、水污染監(jiān)測和其他應(yīng)用。研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會應(yīng)用材料與界面》雜志上。該發(fā)現(xiàn)還可用于新型防水紡織品的生產(chǎn)，甚至使人類的水上行走成為可能。

4 相平衡、膠體化學(xué)與納米材料

第四章相平衡和第七章膠體化學(xué)研究塊體材料的熱力學(xué)模型，利用相圖確認(rèn)不同組分下何時獲得單相、固溶體或者異質(zhì)結(jié)構(gòu)。納米尺度下的材料相變行為、納米晶穩(wěn)定相的形成溫度與晶粒尺寸之間的依賴關(guān)系以及可生成相存在的熱力學(xué)條件和臨界尺寸條件是目前國際前沿課題。納米晶的相變行為和相穩(wěn)定性與同成分的粗晶材料相比有明顯的差異［8］。當(dāng)納米晶粒尺寸小于一定值時，硫化鉛錫（PbSnS）粗晶中的高溫相（大于900°C）在納米晶中可在較低溫度下（小于150°C）穩(wěn)定存在（圖4）。納米粉末材料的表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定。當(dāng)滿足一定的熱激活條件時，就會通過粒子長大而釋放出過剩自由能，因此納米顆粒的粗化是自發(fā)過程，這就是納米相只在低溫下存在的原因。這些內(nèi)容與學(xué)生專業(yè)如焊接、材料、航天等相對應(yīng)，做到教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)實踐相結(jié)合，使學(xué)生學(xué)有所得，學(xué)有所用。

實踐表明，近年來參與物化教改的學(xué)生，普遍感到很有收獲，明顯增強(qiáng)了學(xué)生對專業(yè)的興趣，能將基礎(chǔ)知識與生產(chǎn)生活中材料、科學(xué)研究的熱點問題相聯(lián)系，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、科學(xué)探索精神、自主學(xué)習(xí)能力。當(dāng)然，這種教學(xué)創(chuàng)新還需要進(jìn)一步研究和實踐，不斷完善、不斷優(yōu)化、不斷拓展。

圖4 塊體相圖中存在納米新相

參考文獻(xiàn)

［1］袁 梅.大學(xué)化學(xué)，2014，29（2），83.

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·知識介紹·

中圖分類號：O64；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160433www.dxhx.pku.edu.cn

*通訊作者，Email:wangqun5992@hit.edu.cn

基金資助：哈爾濱工業(yè)大學(xué)2014年教育科研青年專項（HIT20140119）

Exploration and Practice of Physical Chemistry Teaching Promoted by Scientific Research

WANG Qun*WANG Rui
（Department of Chemistry，School of Science，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，P.R.China）

Abstract:The combination mode of the physical chemistry course teaching and research achievements is adopted to foster students′innovative interest，the diversified thinking and the scientific research ability.These practices can help the students improve the comprehensive ability and independence in working，which will lay the theoretical foundation for the students to carry out the scientific research in the future.

Key Words:Physical chemistry；Scientific research achievements；Teaching exploration