王新平，呂洋，賈穎萍，尹婷婷

大連大學環(huán)境與化學工程學院，遼寧 大連 116622

高校對本科生的培養(yǎng)來自學校為學生設(shè)計活動的方方面面，而課堂教學是其中最主要的活動形式。面向一個確定專業(yè)的本科生，盡管思想教育課和專業(yè)課對其人生觀的塑造、專業(yè)技能的傳授、專業(yè)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)各有側(cè)重，但學校為其設(shè)計安排的所有課程和活動都是環(huán)環(huán)相扣地為了實現(xiàn)相應專業(yè)知識-能力-素質(zhì)“三位一體”的育人目標[1,2]。其中育人的素質(zhì)目標包括對學生家國情懷、做人的品格和科學精神的塑造。

“臺上一分鐘，臺下十年功?！边@句話原本用于描述藝術(shù)表演者要成功表演必須經(jīng)歷長期艱辛演練，但用它來表述教師為了更有效、更全面地實現(xiàn)教學目標，對于課程的每節(jié)內(nèi)容都必須反復進行精心設(shè)計和準備并不為過。也就是說，教師備課時對教學內(nèi)容的編排、教學過程的設(shè)計、教學手段的應用和語言藝術(shù)的發(fā)揮，都應從怎樣才更有利于達成學生“知識面拓寬-創(chuàng)新能力提高-素質(zhì)育人滲透”這三個角度反復斟酌。

“液-氣相變”規(guī)律，是本科物理化學課程中的重要知識內(nèi)容。就這一內(nèi)容而言，迄今尚未見到有文獻論述如何進行教學更有利于課程實現(xiàn)知識-能力-素質(zhì)“三位一體”的育人目標，更沒有教學論文直接介紹教學經(jīng)驗以供參考。本文“拋磚引玉”，給出我們關(guān)于這部分內(nèi)容的教學設(shè)計，謀求與其他高校的教學同行共同討論，完善、共享教學方案，通過物理化學教學為國家更好地培養(yǎng)知識層次高、品格素質(zhì)好的創(chuàng)新型人才。

1 新知識的架構(gòu)內(nèi)容

1.1 學生已有的認知

氣相中分子在每一溫度都有確定的速率分布f(υ)[3,4](圖1)。

圖1 分子的運動速率(υ)分布與氣體溫度的關(guān)系

1.2 新課導語

對于指定的純液態(tài)物質(zhì)B，在一定溫度下其分子的能量也并非整齊劃一，而是具有與其結(jié)構(gòu)相關(guān)的確定分布[5-8]。

1.3 本節(jié)課的重要概念、規(guī)律和認知邏輯

1.3.1 液-氣相平衡與液體的飽和蒸氣壓

液面上動能較高的分子，容易脫離周圍分子的引力束縛而逸出液相成為氣相分子。同種物質(zhì)的氣相分子在相同溫度下其動能則有與液相不同的分布。一些氣相分子碰撞到液面時，有可能再次受到周圍分子引力的束縛而回到液相中。當液相分子逸出液面的速率與處于氣相分子返回液相的速率達到相等時，就實現(xiàn)了這種物質(zhì)B分子在液-氣兩相的平衡。達到液-氣兩相平衡時，將氣相中物質(zhì)B的分壓稱為該物質(zhì)在該溫度下的飽和蒸氣壓。

1.3.2 液體飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系

當液體的溫度升高時，分布于那些較高能級上的分子比例變多。因此，對于指定的液態(tài)物質(zhì)B，其飽和蒸氣壓隨其溫度的升高依照特定的規(guī)律而增大。圖2給出了水的飽和蒸氣壓隨溫度的變化曲線。

圖2 水的飽和蒸氣壓隨溫度的變化曲線

1.3.3 液體沸騰、沸點、氣-液平衡規(guī)律

沸騰，是指液體同時在液面和內(nèi)部氣化的現(xiàn)象。物質(zhì)B要實現(xiàn)液體在其內(nèi)部的氣化，就必須能夠在其內(nèi)部形成氣泡并長大溢出液面，這要求液體的飽和蒸氣壓必須達到液面上的壓強。否則，其純蒸氣泡就無法在其內(nèi)部形成和長大。要使液體的飽和蒸氣壓達到液面上的壓強，就必須加熱該液體使其溫度升高達到某個溫度(Tb)。將該溫度稱為該物質(zhì)在該壓強下的沸點。該沸點溫度的特點是，液體在該溫度的飽和蒸氣壓(p)剛好達到了液面上的壓強(psu)。這樣，該物質(zhì)B的液相與氣相就達到了兩相平衡，液體沸騰就開始了。顯然，液體的沸點不僅和物質(zhì)的特性有關(guān)，還是外界壓強的函數(shù)。物質(zhì)B在常壓(101325 Pa)下的沸點稱為該物質(zhì)的正常沸點。

在我國青藏高原，有些地區(qū)水的沸點甚至低至84 °C。討論其原因。

對于物質(zhì)B的純蒸氣，將其在確定的溫度加壓或在確定的壓強下降溫時，會使其變?yōu)橐后w。既然B的飽和蒸氣壓曲線給出的是物質(zhì)B在各溫度的飽和蒸氣壓，或各飽和蒸氣壓對應的溫度，那么液體B的飽和蒸氣壓曲線給出的就是物質(zhì)B在不同溫度T和壓強p下的氣-液平衡條件。因此，由該曲線就可以直接讀出在確定壓強下的物質(zhì)B蒸氣要液化時必須達到的低溫，和物質(zhì)B蒸氣在確定的溫度下要液化時必須達到的壓強(如圖3所示)。

圖3 氣體在確定的溫度下液化時必須的壓強[9]

2 對學生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

2.1 怎樣才能將液體加熱到常壓沸點以上？

在常壓下，將液體加熱到其常壓沸點時由于液體沸騰吸熱，液體的溫度將不再升高。但是，有時很需要把液體的溫度加熱到常壓沸點以上，例如在較高的溫度滅菌、煮飯、進行化學反應。怎樣才能將液體加熱到常壓沸點以上呢？既然液體的沸點是其液面所受壓強的函數(shù)，那么只要能使液面上的壓強高于常壓就能使液體溫度突破其常壓沸點(這是一個創(chuàng)新思維)。于是高壓釜就被發(fā)明了，其設(shè)計原理(圖4c)為：將液體(例如水)放入可耐受一定高壓的容器中，將該高壓容器的頂口用重力閥密封。當該高壓釜中的液體B被加熱時，因部分液體的氣化，可使得作用在液面上的壓強高于大氣壓(patm)。基于閥口橫截面積(S)和閥重(W)，該高壓釜可保證釜內(nèi)液面上的壓強逐漸增大達到并保持在p=patm+pW=patm+W·S-1。這樣，液體最高就可以加熱到圖3所示液體飽和蒸氣壓曲線上p點對應的沸騰溫度了。

圖4 高壓釜

討論：欲將釜內(nèi)的水加熱到110 °C而不沸，估算釜體必須能安全承受的壓強。

液體的沸點隨液面所受壓強依一定的函數(shù)而改變這一規(guī)律，在化工生產(chǎn)和實驗研究中有廣泛的應用。例如，分子篩的水熱合成溫度(120-190 °C)要在高壓水熱釜中(圖5a)才能實現(xiàn)。在高壓反應器中，可以使液體混合物的反應在高于其正常沸點溫度的液相進行(不氣化)。當然，這些高壓反應器的耐壓強度設(shè)計，其基礎(chǔ)依據(jù)就是相應液體在確定溫度下的飽和蒸氣壓。

圖5 高壓反應器

2.2 可否使液體在常壓沸點以下沸騰？

有時，需要在低于液體正常沸點的溫度下將部分液體氣化，以避免物質(zhì)高溫分解實現(xiàn)物質(zhì)的分離。既然液體的沸點是其液面所受壓強的函數(shù)，那么只要能使液面上的壓強低于常壓就能使液體在低于常壓沸點的溫度沸騰了(創(chuàng)新思維)，這就是實驗室和工業(yè)生產(chǎn)用的減壓蒸餾(圖6)。

圖6 實驗室減壓蒸餾裝置

2.3 可否利用氣-液平衡在線配制反應混合氣體？

在實驗室研究氣/固多相催化反應時，通常需要反應物B與惰性氣體混合成指定濃度的混合氣體，例如CH3OH/Ar、H2O/N2等，以便更準確地控制B以精確的穩(wěn)定流速流入反應器與其他物質(zhì)反應。如果B在通常的條件下呈液態(tài)，除了用液體泵衡量控制B液體流入氣化器與惰性氣體混合的方法(開闊視野)外，還可以利用圖7所示的裝置在線配制所希望濃度的混合氣體。

圖7 利用氣-液平衡法在線配制反應混合氣體

3 對學生素質(zhì)培養(yǎng)的融入要點

3.1 創(chuàng)新意識和發(fā)展祖國生產(chǎn)力的責任擔當精神

科學技術(shù)是生產(chǎn)力。科學技術(shù)產(chǎn)生于科學原理的創(chuàng)新應用。下面的三個問題，其科學原理雖然都是液-氣平衡所依據(jù)的液體的飽和蒸氣壓與液體溫度的關(guān)系，但在表現(xiàn)形式上卻明顯不同。教師在課堂上漸進式地提出這些問題讓學生討論回答，不僅可以使學生對液-氣平衡規(guī)律理解得更為深刻，領(lǐng)會從知識到應用創(chuàng)新的思維過程，還可以順勢引導學生發(fā)展社會生產(chǎn)力的責任擔當精神。

(1) 在常壓下無法將液體的溫度加熱到其常壓沸點以上。顯然，要把液體加熱到常壓沸點以上，就必須相應地增大液面上的壓強。問題：要把水加熱到110 °C而不沸，由圖2估計至少要把液面上的壓強提高到多少？在常壓下，還需要多大的附加壓強？用什么辦法可以把這個附加壓強施加到液面上？

(2) 確定的液體B，其飽和蒸氣壓是溫度的單值函數(shù)。那么，在圖7所示的氣體混合瓶中，只要能確保液面上的蒸氣與液體平衡，依靠控制溫度的方法，就能準確地控制液面上B蒸氣的分壓。問題：如果氣體混合瓶中裝的是純水，把水溫控制在35 °C，常壓混合氣中水的分壓？水的體積濃度？用什么樣的鼓泡形式更有利于水面上的蒸氣與液體水的平衡？

(3) 在實驗室進行的丙烷脫氫反應研究，需要長期使用確定體積濃度的丙烷/氮氣混合氣體。如果把確定濃度的丙烷/氮氣混合氣體預混于鋼瓶中，不僅可省去在線配氣儀器，還可確保所用混合氣體濃度比例的準確性。但是，在鋼瓶中實施該混合氣預混之前，必須考慮到該混合氣體中的丙烷不會因氣溫變冷而部分冷凝析出，否則將無法保證從鋼瓶流出的混合氣體的濃度就是預混比例。問題：借助表1數(shù)據(jù)，可否估計表壓為1.0 MPa (實際壓強為表壓+大氣壓)、體積濃度為20%的丙烷/氮氣混合氣體，到冬天不得低于哪一溫度(以避免丙烷部分冷凝析出成液體)？

表1 丙烷在一些溫度的飽和蒸氣壓

其中問題(2)和(3)是將該液-氣平衡直接應用于實驗研究的實例，在此引出的目的在于借此撥動學生“學以致用”的“神經(jīng)”和擴展學生的科學視野，全方位地培養(yǎng)學生素質(zhì)。與問題(2)相比，問題(3)對學生創(chuàng)新的能力和素質(zhì)的培養(yǎng)來得更為有效。這是因為，問題(3)將在科學實驗中出現(xiàn)的這個實際問題直接展現(xiàn)給學生，連丙烷在不同溫度的飽和蒸氣壓的給出形式也是從文獻查閱所得的最普遍形式。這樣，就培養(yǎng)了學生善于從表面復雜的實際問題中分析抽提其實質(zhì)(丙烷平衡分壓與溫度的關(guān)系)，并加以解決的能力。

3.2 科學視野、鉆研精神、大國工匠精神

流體在傳輸過程中出現(xiàn)相變，是在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中常常需要避免的問題，而相應成功策略，一定要基于對應的相變平衡曲線。下面的實驗室實際問題，特別有利于培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力，同時順勢培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)。

為研究貧燃汽油發(fā)動機尾氣中NO的消除技術(shù)，實驗室需要在線配制含有確定濃度的N2+ O2+NH3+ H2O + CO2的模擬汽車尾氣?，F(xiàn)將35 °C的H2O/N2混合氣體再與NH3/N2混合氣及O2/N2混合氣以1 : 1 : 3的體積比混合，然后將上述所得最終混合氣體通入到不銹鋼管中傳輸。如果該不銹鋼管的溫度由于實驗室溫度變化最低可能降低到10 °C，問：是否需要對不銹鋼管采取保溫加熱的措施，以避免混合氣中水蒸汽部分液化？

3.3 開拓進取、民族自信、團隊協(xié)作精神

物理化學課程思政，在于從物理化學知識點中解析出思政元素，促進學生對知識點的理解。挖掘“熱棒”原理技術(shù)效果，即可促進學生的民族自信意識，又有利于學生深入理解本節(jié)“液氣相變”知識，起到強化培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的效果。

青藏鐵路，由青海省西寧站起至西藏自治區(qū)拉薩站結(jié)束，全長1956公里，被譽為“天路”。美國現(xiàn)代火車旅行家保羅·泰魯曾在《游歷中國》一書中寫道：“有昆侖山脈在，鐵路就永遠到不了拉薩?！痹蚴乔嗖罔F路，不得不穿越約550公里的凍土區(qū)。在夏天凌晨氣溫為零下幾°C，凍土“堅如磐石”，但在白天日照下會融化成稀泥而“不堪重負”[9]。

我國建設(shè)者利用“液-氣相變”規(guī)律，創(chuàng)造性地提出了“熱棒”技術(shù)，成功地攻破了上述凍土融化問題?！盁岚簟奔夹g(shù)的設(shè)想如下：在封閉的碳素無縫鋼管(長7米)中裝入加壓的液氨，使氨在較高的壓強下處于氣液兩相平衡。將該“熱棒”插入到鐵路路基兩側(cè)(地下5米，地上2米)。熱棒地上部分為冷凝段，即使在夏季，凌晨地上的較低氣溫也可將地上部分高壓氨氣冷凝成液氨儲存于地下；當?shù)叵聹囟雀哂谡舭l(fā)溫度時，地下部分為蒸發(fā)段，蒸發(fā)段液氨吸熱汽化上升，從而確保路基下凍土永不融化。問題I：氨的常壓沸點是-33.5 °C。要做到讓“熱棒”中的氨蒸氣在-2 °C就開始冷凝為液氨，“熱棒”氨蒸氣的壓強至少應該高于哪一數(shù)值？問題II：要做到讓“熱棒”中的液氨在0 °C就開始蒸發(fā)為氨蒸氣，“熱棒”氨蒸氣的壓強至多不該高于哪一數(shù)值？問題III：要讓“熱棒”利用凌晨地上的較低氣溫將氨氣冷凝液化，而當?shù)叵聹囟雀哂? °C時液氨就開始蒸發(fā)吸熱的設(shè)計效果，“熱棒”中充入氨蒸氣的壓強應控制在哪一數(shù)值范圍？

4 結(jié)語

教學實踐表明，“液-氣相變”這一知識點按照該教學設(shè)計進行教學，學生的學習積極性可得到大幅度提升。學生的情緒和表現(xiàn)教師不僅可直接在相應課堂上感受到，從課后問卷調(diào)查也可以確認學生更喜歡這樣的教學形式。正如他們所說：“這樣可以更多地感受科學，更有利于解決實際問題”。

在“液-氣相變”教學中，基于液體飽和蒸氣壓隨溫度的變化曲線，深入挖掘前人在科研、生產(chǎn)、生活中創(chuàng)新應用，不僅有利于學生對相應知識的理解，更有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學生的學習興趣和培養(yǎng)學生的素質(zhì)。