圖形表示在無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

羅樹常　陳雅潔　吳　坤　鄭鵬飛　曾　造曾兵芳　趙高禹　趙　軍

（1貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700；2貴州省化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，貴州畢節(jié)551700；3貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，貴州畢節(jié)551700；4貴州師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng)550018）

·教學(xué)研究與改革·

圖形表示在無(wú)機(jī)及分析化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

羅樹常1，2，*陳雅潔3吳坤4鄭鵬飛1曾造1曾兵芳1趙高禹1趙軍1

（1貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700；2貴州省化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，貴州畢節(jié)551700；3貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，貴州畢節(jié)551700；4貴州師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng)550018）

將無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程中常見的一些圖例進(jìn)行歸類總結(jié)，并對(duì)作圖原理及應(yīng)用做相應(yīng)介紹，使復(fù)雜理論知識(shí)得以簡(jiǎn)化，貼近實(shí)際，注重知識(shí)的靈活運(yùn)用。提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，以期學(xué)生對(duì)無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程有整體認(rèn)識(shí)，能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，為物理化學(xué)等課程的學(xué)習(xí)提供一定參考。

吉布斯自由能-氧化態(tài)圖；線性相關(guān)圖；多中心鍵；Ellingham圖

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無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程融合了無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)課程的基本原理和基礎(chǔ)理論知識(shí)，無(wú)機(jī)化學(xué)部分主要以物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、物質(zhì)聚集狀態(tài)為主，分析化學(xué)部分主要以基礎(chǔ)分析理論——四大平衡理論為主。課程中涉及的知識(shí)點(diǎn)多、內(nèi)容復(fù)雜。2015年程春英等［1］利用思維導(dǎo)圖法將化學(xué)平衡相關(guān)理論知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，有利于學(xué)生理解和掌握化學(xué)平衡基礎(chǔ)理論和核心內(nèi)容。2014年羅樹常等［2，3］把無(wú)機(jī)化學(xué)元素部分的教學(xué)以物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)聯(lián)圖形式表示出來(lái)，輔助講解重要化合物以及吉布斯自由能-氧化態(tài)圖的制作和應(yīng)用，使元素部分的教學(xué)更加嚴(yán)密，同時(shí)也鞏固了電化學(xué)基礎(chǔ)等相關(guān)內(nèi)容，取得了較好的教學(xué)效果。2013年羅樹常等［4］對(duì)分子軌道理論教學(xué)做了相應(yīng)探索，將分子軌道和組成分子軌道的原子軌道表示出來(lái)，使授課內(nèi)容更加形象化，便于學(xué)生理解和掌握，同時(shí)也鞏固了原子結(jié)構(gòu)部分的相關(guān)知識(shí)。大學(xué)一年級(jí)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握不牢固，缺乏系統(tǒng)性，對(duì)圖形表達(dá)比較陌生，而化工企業(yè)生產(chǎn)控制多以圖形表達(dá)，形象直觀、簡(jiǎn)化理論知識(shí)、操作性強(qiáng)。以圖的形式把無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程的相關(guān)內(nèi)容表達(dá)出來(lái)，以期為無(wú)機(jī)及分析化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、基礎(chǔ)化學(xué)、物理化學(xué)等課程的教學(xué)提供一定參考。

1　吉布斯自由能關(guān)聯(lián)圖

在無(wú)機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)及分析化學(xué)、物理化學(xué)等課程的學(xué)習(xí)中，吉布斯自由能是一個(gè)非常重要的物理量，可用于判斷化學(xué)反應(yīng)及體系自發(fā)進(jìn)行的方向。熟練掌握吉布斯自由能關(guān)聯(lián)圖的繪制和應(yīng)用，可為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.1吉布斯自由能-氧化態(tài)圖

（1）判斷水溶液中各物質(zhì)的穩(wěn)定性。

（2）預(yù)測(cè)物種間氧化還原能力的強(qiáng)弱及發(fā)生歧化反應(yīng)的可能性。

圖1　吉布斯自由能-氧化態(tài)圖

1.2吉布斯自由能-溫度圖

圖2　Ellingham圖［8］

由圖2可知，當(dāng)MO線在曲線（1）、（2）、（3）的下方時(shí)，還原金屬氧化物的反應(yīng)，能夠使用相應(yīng)的還原劑將金屬氧化物還原為金屬單質(zhì)［7］。若

在冶金過(guò)程中，大多使用焦炭或一氧化碳還原金屬氧化物（MO），發(fā)生的反應(yīng)如下：圖上的直線斜率突然發(fā)生變化（即圖出現(xiàn)轉(zhuǎn)折），說(shuō)明在升溫過(guò)程中金屬氧化物的晶型發(fā)生了改變或金屬氧化物發(fā)生了相變。在冶金過(guò)程中，可使用此圖查找合適的還原劑和反應(yīng)溫度等條件，使得復(fù)雜的理論知識(shí)得以簡(jiǎn)化，使用更加簡(jiǎn)便、直觀。

2　線性相關(guān)圖

在無(wú)機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)及分析化學(xué)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，涉及到的線性關(guān)系圖較多，通過(guò)圖形表示可以把難于理解的知識(shí)形象化，便于學(xué)生理解和掌握。

2.1lnk-1/T圖

化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度的關(guān)系可由阿侖尼烏斯公式表示，即。等式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得，對(duì)于同一反應(yīng)，指前因子A和活化能Ea是常數(shù)，lnk與溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系，如圖3（a）所示，直線的斜率為－。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同溫度下反應(yīng)的速率常數(shù)k，就可以測(cè)量出化學(xué)反應(yīng)的活化能Ea。

2.2lnK?-1/T圖

圖3　線性相關(guān)圖

對(duì)于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，改變反應(yīng)物或生成物的濃度、加入催化劑等會(huì)使化學(xué)平衡移動(dòng)，但不影響其平衡常數(shù)。但溫度改變會(huì)使平衡常數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)一步影響化學(xué)平衡。當(dāng)溫度變化不大時(shí)，可將視為常數(shù)［8］。由公式可推導(dǎo)出：即lnK?與溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系，如圖3（b）所示，直線的斜率為。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同溫度下化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，以lnK?為縱坐標(biāo)，1/T為橫坐標(biāo)作圖，得到直線的斜率，即可求得反應(yīng)的焓變，從截距可求解出反應(yīng)的熵變。

2.3lnc-t圖

2.4c-t圖

通過(guò)此類線性相關(guān)圖形的繪制和應(yīng)用，可將無(wú)機(jī)及分析化學(xué)中的化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、元素化學(xué)等知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。這樣有利于學(xué)生更好地掌握相關(guān)內(nèi)容，為以后物理化學(xué)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)等課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；同時(shí)也使教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)化、形象化、更加貼近化工生產(chǎn)過(guò)程；利于啟發(fā)學(xué)生思維，使其積極主動(dòng)地參與到教學(xué)實(shí)踐中來(lái)。

3　其他

硼原子的價(jià)電子構(gòu)型為2s22p1，由于價(jià)電子數(shù)為3，價(jià)軌道的數(shù)目為4（1個(gè)2s和3個(gè)2p軌道），價(jià)電子數(shù)比價(jià)軌道數(shù)少，是缺電子原子［8］。在形成氫化物乙硼烷時(shí)，2個(gè)硼原子共用2個(gè)氫，形成2個(gè)3中心2電子（3c-2e）的硼氫橋鍵。在MP2/6-311++g**水平下采用Gaussian 09軟件［9］對(duì)乙硼烷分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，拓?fù)浞治鍪褂肕ultiwfn軟件［10］進(jìn)行，鍵徑圖采用Multiwfn軟件顯示（圖4）。

從圖4可以看出，2個(gè)硼原子間形成化學(xué)鍵的路徑為B1―H4―B2和B1―H3―B2，說(shuō)明在乙硼烷中硼與硼之間沒有形成化學(xué)鍵。而中間的氫原子H3、H4與兩邊的硼原子B1、B2共用2個(gè)電子形成了化學(xué)鍵，但這種化學(xué)鍵不同于2個(gè)原子共用電子對(duì)形成的σ鍵，也不同于π鍵，這種通過(guò)中間橋聯(lián)原子共用電子對(duì)形成的化學(xué)鍵叫多中心鍵。在硼元素形成的氫化物中，常見多中心鍵主要包含以下3類。

（1）3c-2e硼氫橋鍵：是由B―H―B 3個(gè)原子共用2個(gè)電子形成的，如圖4和圖5（a）所示。

（2）3c-2e開式硼硼橋鍵：是由B―B―B 3個(gè)原子共用2個(gè)電子形成的，如圖5（b）所示。

（3）3c-2e閉式硼硼橋鍵：是由B―B―B 3個(gè)原子共用2個(gè)電子形成的，如圖5（c）所示。

圖4　乙硼烷鍵徑圖

圖5　硼烷中的多中心鍵

將學(xué)生不易理解的多中心鍵用圖表達(dá)出來(lái)，形象直觀，便于學(xué)生理解，利于提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)也讓學(xué)生了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵類型的多樣性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)圖形表示把無(wú)機(jī)及分析化學(xué)部分內(nèi)容有效地展現(xiàn)出來(lái)，使得知識(shí)內(nèi)容更加形象、直觀，復(fù)雜的知識(shí)簡(jiǎn)化，同時(shí)結(jié)合后續(xù)課程的學(xué)習(xí)進(jìn)行講解，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）圖形表示也符合工程實(shí)際，簡(jiǎn)化理論知識(shí)，注重實(shí)際應(yīng)用，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維也具有積極的作用。

（3）通過(guò)教學(xué)嘗試，使學(xué)生所學(xué)知識(shí)更加系統(tǒng)化，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率和積極性，教學(xué)效果較好。

［1］程春英，木合塔爾·吐爾洪，阿里木江·艾拜都拉，尹學(xué)博.化學(xué)教育，2015，36（22），15.

［2］羅樹常.化學(xué)教育，2014，35（24），17.

［3］羅樹常，鄭鵬飛.化學(xué)教育，2014，35（22），16.

［4］羅樹常，鄭鵬飛，吳其俊，劉紅.廣東化工，2013，40（20），69.

［5］武漢大學(xué)，吉林大學(xué)，曹錫章，宋天佑，王杏喬.無(wú)機(jī)化學(xué).第3版.北京:高等教育出版社，1994:974.

［6］吉林大學(xué)，武漢大學(xué)，南開大學(xué)，宋天佑，徐家寧，程功臻，史蘇華.無(wú)機(jī)化學(xué).第2版.北京:高等教育出版社，2010:446.

［7］傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)，侯文華.物理化學(xué).第5版.北京:高等教育出版社，2005:361.

［8］賈之慎，張仕勇.無(wú)機(jī)及分析化學(xué).第2版.北京:高等教育出版社，2008:25.

［9］Frisch，M.J.；Trucks，G.W.；Schlegel，H.B.；et al.Gaussian 09，Revision B.01；Gaussian Inc.:Wallingford，CT，2010.

［10］Lu，T.；Chen，F(xiàn).W.J.Comp.Chem.2012，33，580.

Application of Graphical Representation in Inorganic and Analytical Chemistry Teaching

LUO Shu-Chang1，2，*CHEN Ya-Jie3WU Kun4ZHENG Peng-Fei1ZENG Zao1ZENG Bing-Fang1ZHAO Gao-Yu1ZHAO Jun1
（1School of Chemical Engineering，Guizhou University of Engineering Science，Bijie 551700，Guizhou Province，P.R.China；2The Experiment Education Model Center of the Chemistry and Chemical Engineering of Guizhou Provience，Bijie 551700，Guizhou Province，P.R.China；3School of Economics and Management，Guizhou University of Engineering Science，Bijie 551700，Guizhou Province，P.R.China；4School of Chemistry and Life Science，Guizhou Education University，Guiyang 550018，P.R.China）

∶Common illustrations in inorganic and analytical chemistry course were summarized and catalogued in this paper.Mapping principles and applications were accordingly introduced focusing on flexible use and simplification of the knowledge.The purpose was to improve students'learning enthusiasm and initiative，in hopes that they can have an overall understanding and integrated use of knowledge in the course，and also provide a reference for the study of physical chemistry course.

The Gibbs free energy-oxidation diagram；Linear correlation diagram；Multicenter bond；Ellingham diagram

G64；O61；O642

10.3866/PKU.DXHX201602014

，Email:luosc@gues.edu.cn

貴州省教育科學(xué)規(guī)劃青年課題（2014C026）；貴州省教育科學(xué)規(guī)劃一般課題（2015B211）；貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（JG2015009、JG2015004）；貴州省物理化學(xué)系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)資助