对提高应用化学专业“物理化学”教学效果的探讨

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  摘要:“物理化学”是应用化学专业的一门重要基础课程。在基础课程课堂讲授中处理好与专业课程内容的衔接,处理好与实验教学等实践性环节相关内容的结合至关重要。本文将主要从表面化学、胶体化学内容的讲授方面探讨如何提高应用化学专业“物理化学”的课堂教学效果。
  关键词:物理化学;应用化学;教学效果;表面化学;胶体化学
  
  作者简介:石月丹(1977-),女,吉林梅河口人,东北电力大学化学工程学院,讲师,理学硕士,主要研究方向:物理化学;徐凛然(1957-),男,河南清丰人,东北电力大学化学工程学院,高级工程师,主要研究方向:物理化学。(吉林 吉林 132012)
  基金项目:本文系东北电力大学教学改革基金资助项目(项目编号:200811)的研究成果。
  
  物理化学是东北电力大学(以下简称“我校”)应用化学专业的重要基础课程。我校应用化学专业原为电厂化学专业,主要面向火力发电厂培养电厂水处理等方面的应用型高级技术人才,“火电厂水处理技术”、“废水处理”等是该专业的重要专业课,而“物理化学”又是这些专业课的重要基础。但由于“物理化学”理论抽象、公式多,[1]使得初学者学习起来普遍感到困难。因此如何讲好这门课程以激发学生学习兴趣,为学生后续专业课学习打下坚实基础,培养学生的独立思考、独立解决问题和独立工作的能力非常重要。为了优化“物理化学”和相关专业课程的教学,并密切理论和实际的结合,突出既强化理论学习也突出实际应用,我们在“物理化学”课程教学过程中,经过长期的探索,找到了一些颇有成效的方法,并在实际教学过程中取得了较好的效果。本文以胶体化学和表面化学为例,就“物理化学”教学与专业课程学习相互结合及理论教学与实践教学相结合等方面,谈一下近几年来的实践探索和体会。
  
  一、胶体化学教学
  
  胶体化学主要包括胶体的制备、性质(包动力学、光学及电学性质)、稳定性与聚沉,其中胶体的双电层结构、稳定性与聚沉所涉及的理论内容较多又有些抽象,仅凭理论讲解对学生来说显得枯燥乏味,而“火电厂水处理技术”、“废水处理”等专业课中水的混凝处理与胶体的稳定性和聚沉等内容有着密切的联系,在讲到此部分内容时把相关理论与这些课程联系起来,使抽象的理论教学变得通俗易懂,激发了学生的学习积极性。
  
  1.胶体带电原因
  关于天然水体中的胶体带电性质分析,主要引导学生开展如下四个方面[1]的讨论:一是同晶置换,水中黏土颗粒带负电荷就是由于黏土颗粒主要成分是硅和铝的氧化物,当晶格中的Si4+被大小几乎相同、价数较低的AI3+或Ca2+置换后,使黏土颗粒带上了负电荷。二是电离作用,水中天然有机物(如腐植酸)多含有酸性基团,[2]在天然水pH下解离为带负电的大离子,即天然水中有机胶体也带负电荷。三是吸附作用,由于胶体颗粒有巨大的比表面积,有很强的吸附能力,因此能选择性地吸附一些离子,使微粒带上正电荷或负电荷。由于阴离子水合能力比阳离子小,所以阴离子比阳离子更容易被吸附,故水中微粒表面常带负电荷。四是离子的溶解作用。因此天然水中胶体一般都是带负电的。
  
  2.胶体的稳定性和聚沉
  胶体在热力学上是不稳定的,但如果制备适当,又可以在相当长的时间内稳定存在,原因主要有三方面:一是由于胶体粒子带有相同电荷,因此具有不易聚沉的稳定性;二是由于胶体粒子小,Brown运动激烈,因此具有动力稳定性;三是溶剂化作用,即溶胶中定位离子及反离子都是溶剂化的,这样在胶体周围就好像形成了一个溶剂化膜,这种溶剂化膜具有一定的弹性,成为胶粒彼此接近时的机械阻力。这三个因素都决定了胶体又具有一定的稳定性。溶胶的聚沉受外加电解质等因素的影响,当向溶胶体系中加入电解质时溶胶就容易脱稳而发生聚沉,“火电厂水处理技术”课程中水的混凝处理部分涉及到胶体稳定与聚沉的理论,工业废水处理方法很多,主要有生化法、吸附法、化学氧化法、离子交换法、电渗析法、絮凝沉淀法等,[3]其中絮凝沉淀法[4]是应用最广泛、最经济的方法,是水处理技术的核心,[5]其种类及技术直接影响着水处理效果。[6]
  天然水含有大量来自土壤、岩石中的硅,硅在水中形态可分为可溶性硅和胶体硅,[7]前者呈离子状态,可用离子交换的方法去除,而胶体硅为带负电的硅溶胶,因带相同电荷的胶体粒子相互排斥,不能聚集,所以胶体颗粒在水中能够较长时间稳定存在,分布也较均匀,难以用自然沉降的方法除去,而含有胶体硅的水进入锅炉会引起结垢,[8]必须将其除掉。传统的方法是采用混凝处理,所谓混凝也就是向体系中加入带正电胶体与水中带负电胶体微粒产生电性中和,使胶体失去稳定性并集合成大的絮凝物的过程。例如以硫酸铝或聚合铝作为混凝剂的混凝过程就是利用物理化学中所讲的胶体之间的相互聚沉作用,硫酸铝加入水中后相继发生电离和水解反应,进而形成氢氧化铝正溶胶,以吸附水中带负电胶体产生电中和,而使胶体双电层被压缩,电动电位降低失去稳定性,进而形成大的絮状物;另一方面Al3+水解的同时还会产生具有低电荷高聚合度的多核羟基络合离子,[2]由于其分子结构呈链状,可通过吸附架桥作用使微粒发生凝聚,产生聚合度很大的氢氧化铝沉淀物,由于它的比表面积大,吸附能力强,与水中脱稳的胶粒发生吸附,形成网状沉淀物,可进一步网捕、卷扫水中黏土胶粒、胶体硅及有机物等,形成共沉淀,从水中分离出来。
  另外在混凝处理时,为了提高混凝效果还需投加助凝剂,比如在含有胶体或悬浮物的水中加入极少量的可溶性高分子化合物可导致溶胶迅速沉淀,且沉淀呈疏松的棉絮状。目前我国水处理领域中用得最多的是一种阴离子型助凝剂——聚丙烯酰胺,[2]其有两方面作用:一是离子性作用,即利用粒子性基团的电荷进行中和,起凝聚作用;二是利用高分子聚合物的链状结构,借助吸附架桥起絮凝作用。高分子对胶粒的絮凝作用与电解质的聚沉作用完全不同,[1]电解质所起的聚沉作用是由于电解质压缩了溶胶粒子的扩散双电层使电动电势降低而引起的;高分子化合物的絮凝作用则是由于其长的碳链起架桥作用,当吸附了溶胶粒子以后,高分子化合物本身的链段旋转和运动,将固体粒子聚集在一起而产生沉淀。絮凝物的沉降不同于一般溶胶或悬浮粒子的沉降,它是由于粒子构成网状结构,中间还夹杂着分散相——水,所以是呈疏松的团状物下沉;例如寇顺利[9]等研究了纳米二氧化钛胶体对脱墨浆中DCS中多数组分有较强的絮聚去除能力,去除机理主要为“桥连絮聚”作用。
  
  二、表面化学
  
  表面化学主要内容包括液体表面、液—液界面、液—固界面和固体表面等,其中吸附等温线及固体在溶液中的吸附是后续专业课的理论基础。而“火电厂水处理技术”、“废水处理”等专业课中水的过滤处理与这些内容有着密切的联系,在讲到此部分内容时把所讲理论与这些课程相关内容联系起来,既使抽象的理论教学变得通俗易懂,又能激发学生的学习积极性。
  固体自溶液中吸附受许多因素的影响,如吸附剂孔径的大小、被吸附分子的大小、温度、吸附剂—吸附质—溶剂三者的相对极性以及吸附剂的表面化学性质等等。其中极性对溶液吸附有着非常重要的影响。一般说来,极性吸附剂易于从非极性溶剂中吸附极性溶质,非极性吸附剂易于从极性溶剂中吸附非极性溶质。[10]这在水处理过滤中如何选择适当的吸附剂具有重要的指导意义,例如选择大孔吸附树脂做为吸附剂就要以物理化学所讲的这一理论为依据:不同吸附树脂的孔径、比表面积及极性均不同,使用时要根据吸附质的性质加以区别,比如吸附质分子较大要用孔径较大的吸附树脂;吸附质较小要选择孔径较小、比表面积较大的吸附树脂;吸附质是极性的则要选用极性吸附树脂等;例如陈玉妹[7]等研究了大孔吸附树脂做吸附剂去除水中胶体硅;梁美娜[11]等研究了用氢氧化铁胶体吸附去除水中的砷等,让学生去查阅这些文献并总结一下文献所研究的内容,从而加深对物理化学所讲理论知识与相关专业知识的联系与应用。
  目前在电厂水处理中主要用活性炭吸附除去水中游离氯和有机物。[8]吸附性能是活性炭的主要指标,在水处理中选择吸附性能好的活性炭,不仅可以提高出水品质,还可以延长活性炭的使用寿命,减少经济费用。活性炭为非极性吸附剂,对某些有机物有较强的吸附力,并以物理吸附为主,一般是可逆的,但天然水中有机物种类较多,分子大小也千差万别,因此在不同条件下活性炭除去有机物的效果也不一样,通常不能将有机物除尽,但可用于降低水中有机物含量;活性炭除去水中游离氯能进行得很彻底,目前一般认为,活性炭脱氯过程是吸附、催化及氯与炭反应的一个综合过程,即活性炭首先吸附CL2,然后活性炭表面起催化作用,促使游离CL2的水解和加速产生新生态氧[O]的过程,反应式如下:
  


  产生的新生态氧与活性炭中的炭或其它易被氧化的组分发生反应,例如:
  
  即活性炭表面被氧化成一氧化碳或二氧化碳,而氯被还原为氯离子。活性炭颗粒大小影响活性炭脱氯的效果,实验结果[2]表明活性炭颗粒越小,脱出余氯越快,效果越好;另外pH对吸附也有影响,主要是pH发生变化会影响吸附剂形态及孔的结构,也影响吸附质的形态和大小;例如,对水中含有酸性基团的腐殖质类物质,pH降低,活性炭对它的吸附量上升,与中性pH下吸附量相比,在酸性条件下(pH2~3)活性炭对腐殖质类物质的吸附容量上升2~4倍。
  
  三、理论联系实际
  
  将胶体化学理论教学和实践教学密切结合。为了切实提高学生自主学习能力和应用能力,在讲授理论知识的同时,更强调实验的重要性,每个实验在理论课中都先讲一下,再做实验,通过实验不仅可以观察现象,验证公式的适用条件、应用范围,更重要的是能培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力。例如胶体性质实验,采用的是氢氧化铁正溶胶,通过电泳实验验证其分散相粒子的带电性,在理论教学中讲胶体电学性质时,电泳属于电动现象,是胶体粒子在外电场作用下发生的定向移动,从而向学生讲一下氢氧化铁正溶胶的制备和实验所用装置,让学生写一下该胶团的胶团结构并思考其电泳的方向,并有意识地提及实验中发生的现象,再做实验进行验证,从而加深学生对胶体电学性质的认识。通过把课堂教学和实验中出现的问题有机结合,从而促进学生对理论的思考与理解,学生做完实验后通过总结实验结果深入体会理论的严密性。
  在“物理化学”理论教学中采用将“物理化学”内容与相关专业课程相互联系、相互结合的教学方式,使本来枯燥乏味的理论讲授变得通俗易懂,这样讲授对学生来讲,容易接受,又与专业课学习相结合,既能激发学生的学习兴趣,使学生积极参与教学,也能为学生后续专业课学习打好基础,从而大大提高物理化学的理论授课效果。
  
  四、总结
  
  总之,“物理化学”是一门基础理论性和实践性都很强的学科,是应用化学专业的重要基础课,对应用化学专业基础理论的作用和影响是巨大的,它在教学中占有极为重要的地位。只有与时俱进,不断地改进教学内容与方法,才能不断提高教学效果和教学质量。
  
  参考文献:
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  (责任编辑:刘辉)
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