王自軍

（石河子大學化學化工學院 新疆石河子 832000）

列寧說過：“自然科學的成果是概念。”化學概念既是化學知識體系的基礎，也是學習化學的基本單位，同時還是學生進行抽象思維的基礎。它反映著化學現(xiàn)象及事實的本質，準確把握概念的內(nèi)涵，對深入理解和應用化學原理具有重要的意義[1]。眾多概念中有些概念需要對其進行定量描述，但其絕對值無法準確測定，因此，為了研究方便，需要找一個大家公認的基準或水準，也就是需要規(guī)定一個參考值，即標準狀態(tài)。熱力學標準狀態(tài)、標準平衡常數(shù)和標準電極電勢三個概念是無機化學中非常重要的概念，都有“標準”二字，且具有一定的相同點，但“標準”所處概念不同，其含義也不同，因此需要具體概念具體分析?；诂F(xiàn)代教育技術的進步及在線教學實踐的新背景，無機化學教學呈現(xiàn)出了的多元新鮮教學模式，但概念教學仍然是教學的重點[2]。

一、無機化學中的標準狀態(tài)概念教學出現(xiàn)的問題

在無機化學教學中，我們發(fā)現(xiàn)，同學們?nèi)菀讓⒅袑W學過的標準狀況與標準狀態(tài)混為一談，導致標準狀態(tài)相關的概念、原理和計算的理解和學習出現(xiàn)偏差。標準狀況是中學階段學習的一個重要概念，因此，學生會將標準狀況的條件套用到標準狀態(tài)上。標準狀況從溫度和壓強兩個方面進行了限定，及標準溫度與標準壓強下的狀況，簡稱標況。通常指的是溫度為0℃為標準溫度、壓強為101.325kPa為標準壓強，它是氣體的一種理想狀態(tài)。由于各處海拔不同，因此其溫度、壓強也不同，即使是同一地點的溫度與壓強也隨測量時間不同而出現(xiàn)差異，因此，為了研究方便，人們規(guī)定了氣體的標準狀況，使得在研究氣體體積時有了統(tǒng)一的標準。

在無機化學的學習過程中，還容易將不同概念標準狀態(tài)使用相同的條件和標準，如熱力學標準狀態(tài)、標準平衡常數(shù)、標準電極電勢等。學生在學習這些概念的時候，錯誤地將標準狀況的溫度和壓強應用到這些概念上，即溫度為0℃、壓強為101.325kPa的狀態(tài)為熱力學標準狀態(tài)，溫度為0℃、壓強為101.325kPa下的平衡常數(shù)為標準平衡常數(shù)，溫度為0℃、壓強為101.325kPa下的電極電勢為標準電極電勢?；蚴菍崃W標準狀態(tài)的條件套用到標準平衡常數(shù)和標準電極電勢概念上。這些和概念本身的含義相差甚遠，嚴重影響到學生對這些概念及相關理論的學習。學生出現(xiàn)這樣的理解偏差，可能是因為沒有從本質上去認識理解這些概念，也容易被任課教師教學時忽視。

二、無機化學中的標準狀態(tài)選擇

眾所周知，有些熱力學函數(shù)如U、H、G等的絕對值是無法求得的。但是由于溫度、壓力和組成等參數(shù)的變化而引起這些熱力學函數(shù)的變化值是可以通過精確的實驗測量而求得，因此需要選擇某一參考態(tài)作為計算熱力學物理量的基線。也就是說，描述這些概念的物理量均無法準確確定其絕對值。為了研究方便，人們選擇了一個標準，或者水準作為衡量其他狀態(tài)的一個基礎，即這些物理量求出來的值是一個相對值。熱力學標準態(tài)就是這樣一種基線、標準，或者水準。概念不同，這個標準不同，應用范圍也不同。

無機化學的學科基礎地位決定了概念教學的重要性。無機化學是研究無機物的組成、結構、性質和反應的科學，一般為大一新生開設的專業(yè)基礎課，其基礎學科地位決定了它在化學專業(yè)課教學中的重要的先導地位。它不僅為分析化學、有機化學和物理化學等其他專業(yè)課程提供必備的理論基礎和知識基礎，還自然地擔負著使學生盡快適應大學的教學模式和學習方式的重要任務，對于培養(yǎng)學生對課程的興趣乃至專業(yè)思想的確立和鞏固有著極為重要的作用。因此，對于無機化學中重要概念的教與學顯得尤為重要[3]。標準狀態(tài)這個概念貫穿無機化學整個教學過程，其重要性不言而喻。

標準狀況和無機化學中的標準狀態(tài)，它們的定義都有相同的出發(fā)點。一是，物理量的絕對值都無法求得，因此需要選擇一個水準。二是，為了研究方便。無機化學中的狀態(tài)是系統(tǒng)中所有宏觀性質的綜合呈現(xiàn)，宏觀性質確定，狀態(tài)也就確定，宏觀性質發(fā)生改變，狀態(tài)也就發(fā)生了變化。宏觀性質是由一系列物理量組成，物理量受眾多因素影響，由此可推出物理量有無數(shù)多種情況，宏觀性質也有無數(shù)多種存在形式，也就有無數(shù)多種狀態(tài)存在。由于很多物理量無法測出其絕對值，因此需要規(guī)定一個狀態(tài)作為比較的基準，這個比較的基準就是標準狀態(tài)。

三、無機化學中的標準狀態(tài)辨析

1.熱力學標準狀態(tài)

原則上講，熱力學標準態(tài)的選取是任意的，但根據(jù)國際上的標準，我國制定了國標GB3102.8-32，后修訂為GB3100-3102-93。根據(jù)這一標準，將物質在各種聚集狀態(tài)的熱力學標準態(tài)的定義分為氣體、液體或固體混合物和溶液三大類。熱力學標準態(tài)是根據(jù)化學勢定義式擬定的，它是無機化學中非常重要的一個概念，是其他概念如標準平衡常數(shù)、標準電極電勢的基礎。由于學生所學知識所限，所以無法從物理化學的角度即化學勢來對學生講解，學生也無法從物理化學的角度去深入理解和掌握，只能結合中學化學和無機化學知識來進行課程講解。

氣體的標準狀態(tài)是指純理想氣體的標準狀態(tài)，即溫度T，壓力p=100kPa（pθ）下的狀態(tài)。為了研究方便，我們一般把化學反應中的氣體均看作理想氣體。如果是混合氣體，各組分氣體的標準狀態(tài)是指各組分的分壓均為pθ且單獨存在下的狀態(tài)[4]。標準態(tài)僅是溫度的函數(shù)，標準態(tài)中的溫度T就是研究體系的溫度T，而不是指環(huán)境的溫度298.15K。

液體或固體的標準狀態(tài)是指溫度T，壓力為pθ下液體或固體純物質的狀態(tài)。顯然，對于溫度T，并沒有特殊規(guī)定，也不是298.15K。

溶液的標準狀態(tài)是指溶液中溶劑A和溶質B的標準狀態(tài)。溶劑A可看成純物質，它的標準狀態(tài)是指壓力pθ下純?nèi)軇┑臓顟B(tài)。溶液中溶質B的標準態(tài)是指在壓力為pθ，質量摩爾濃度bB=bθ，即bθ=1mol·k g-1，并表現(xiàn)出無限稀釋溶液特性時溶質的狀態(tài)。當然，這個狀態(tài)是一個理想狀態(tài)，即離子之間沒有相互作用且能自由移動，如果溶質是電解質則完全解離。無機化學中考慮到多數(shù)情況下溶液比較稀，因此，將標準質量摩爾濃度近似地等于標準物質的量濃度，即bθ≈cθ=1mol·L-1。

標準狀態(tài)貫穿于化學熱力學、化學動力學和統(tǒng)計熱力學?；瘜W熱力學中，物質在溫度T和壓強pθ下的狀態(tài)稱為標準狀態(tài)，簡稱標準態(tài)。在這個概念中沒有規(guī)定溫度，它可以是任意溫度，不過一般情況下沒有特殊說明，溫度均為295.15K為參考溫度。例如，標準摩爾生成焓，是指在溫度T下，各物質均處于標準狀態(tài)下由參考狀態(tài)單質生成1mol物質B這個反應的摩爾焓變。這也就意味著參考狀態(tài)的單質其標準摩爾生成焓為零，也為零，參考狀態(tài)即為熱力學上的穩(wěn)定狀態(tài)。

熱力學標準狀態(tài)是其他概念標準狀態(tài)的基礎，也是后續(xù)課程物理化學中一個非常重要而且很難講授的一個概念，因此，必須讓學生們理解和掌握熱力學標準狀態(tài)的具體規(guī)定，理解人們規(guī)定標準狀態(tài)具體數(shù)值的初衷。

2.標準平衡常數(shù)

標準平衡常數(shù)是指化學熱力學中的平衡常數(shù)，并不是各物質處于標準狀態(tài)時的平衡常數(shù)，這是學生最容易犯的錯誤，以Kθ表示?；瘜W反應的標準平衡常數(shù)Kθ的具體表示形式取決于標準狀態(tài)的選擇，而標準狀態(tài)的選擇是以保證Kθ的表示形式簡單為前提的。對于化學平衡，各物質通常不是熱力學中的標準狀態(tài)，我們通常以化學反應達到平衡時各物質所處狀態(tài)相對于熱力學標準狀態(tài)的相對值表示的平衡常數(shù)，即各物質均以各自的標準狀態(tài)為基準，用平衡時各物質的相對值來表示平衡常數(shù)。平衡時如果物質是氣體，要用相對壓強表示，即用平衡分壓除以pθ，也就是除以100kPa來表示。如果物質是溶液，要用相對濃度表示，即用平衡濃度c除以cθ，也就是除以1mol·L-1來表示。如果物質是純液體或固體，其標準態(tài)就是其本身，我們認為在平衡過程中不發(fā)生變化，因此不在標準平衡常數(shù)的表達式中出現(xiàn)。

3.標準電極電勢

標準電極電勢是各物種處于標準狀態(tài)下的電極電勢，它是氧化還原反應中一個非常重要的概念，理解和掌握這個概念對于學習氧化還原起著非常關鍵的作用。電極電勢的絕對值是無法確定的，因此需要選擇一個參考值或者一個基準，這個參考值或基準通常選取標準氫電極，由熱力學可知，標準氫電極的電極電勢為0.0000V，即Eθ(H+/H2)=0.0000V，然后將其他電對的電極電勢（各物質處于標準狀態(tài)）與標準氫電極做比較，從而確定出各電對的電極電勢。就像確定海拔高度以海平面為基準、確定物質硬度以金剛石作基準、確定物質的甜度以蔗糖作基準一樣。標準氫電極指的是各物質均處于標準狀態(tài)組成的電極，即c（θH+）=1mol·L-1，p(H2)=100kPa，此時它的電極電勢為零。

Eθ(H+/H2)=0.0000V由化學熱力學推導而來[5]。等溫等壓下反應的Gibbs自由能變（ΔrG）為負值是化學反應自發(fā)性的熱力學判據(jù)?？偡磻匠淌莾蓚€還原半反應之差，所以總反應的標準Gibbs自由能是兩個半反應的標準Gibbs自由能之差。實際反應中的還原半反應總是成對發(fā)生的，因而只有標準Gibbs自由能的差值才能有意義。我們總是選定一個半反應的ΔrGθ=0，其他半反應的ΔrGθ都是前者的相對值。習慣上選定cθ（H+）=1mol·L-1，p(H2)=100kPa時任何溫度下H+的半反應的ΔrGθ為零：

與半反應的ΔrGθ相對應的電極電勢二者的關系是：

總之，標準電極電勢的確定是以熱力學標準狀態(tài)為基礎，以標準氫電極為基準，通過設計原電池測出來的。而標準氫電極的電極電勢是人們?yōu)榱搜芯糠奖愫土晳T規(guī)定為0.0000V。

四、準確界定辨析無機化學中的標準狀態(tài)的意義

無機化學的教與學均以概念為基礎，它是掌握和理解相關化學原理和化學計算的基礎[6]。標準狀態(tài)貫穿于無機化學的整個教學過程?！皹藴省痹跓o機化學不同的概念教學中既要強調(diào)其各自的含義，講清楚各個概念的本質，又要強調(diào)其共性和相互聯(lián)系，要用辯證的思維方式來理解和掌握標準狀態(tài)的相關概念。理解各概念中標準狀態(tài)的含義是學生學好相關理論的前提和基礎，并以此為基礎擴大、加深對相關原理的應用和發(fā)展，使學生獲得探索和掌握知識的主動權，形成探究和解決無機化學問題的能力，進而揭示無機化學變化的客觀規(guī)律。