化工专业学生批判性思维的培养--由一道物理化学习题引发的思考.pdf

收稿日期：2022-06-10通讯作者：刘杰基金项目：得到聊城大学教学改革项目（G202116、G201903、Y201913）和山东省教学改革项目（M2020059、SDYAL19059、201902195011）支持化工专业学生批判性思维的培养由一道物理化学习题引发的思考刘彩华，刘杰渊聊城大学化学化工学院袁山东 聊城252059冤摘要：该文通过对界面化学章节中一道物理化学题目参考答案的分析袁从宏观和微观两个角度去讨论了热力学能的变化袁阐明了纯液体在绝热条件下表面积发生变化时温度的变化情况袁指出了一个热力学常见公式 驻U=CV袁m伊驻T 在计算体系温度变化中的应用局限遥 通过这样典型例题的深入剖析和扩展袁可以帮助学生较为深刻地认识到热力学基本公式在不同体系和不同环境下的使用原则和思路遥 通过这样的例子可逐步培养学生的批判性思维袁有助于学生成为主动思考的学习者而不是被动的信息接收者遥关键词：批判性思维曰热力学能曰界面化学曰温度doi:10.13752/j.issn.1007-2217.2022.04.009第 52 卷第 4 期2022 年 12 月Vol.52 No.4Dec.2022杭州化工HANGZHOU CHEMICAL INDUSTRY传统高等教育的工作重点是理论知识的传输，随着教育政策导向、科技进步以及工作岗位对学生要求的日益提高，高等教育的工作重心正在逐步发生转变，越来越重视学生可迁移技能的培养1。可迁移技能主要包括书面和口头沟通交流能力、团队协作、时间管理能力和批判性思维。其中，批判性思维对学生的发展至关重要，是包括小学、初中、高中和大学等各级教育的长远培养目标2。批判性思维是指客观分析信息并做出合理判断的能力，它包括反思与独立思考，从本质上讲，批判性思维需要运用你的推理能力使你成为一个主动积极思考的学习者而不是被动的信息接收者3。当走向工作岗位时，批判性思维将能够帮助学生在面临当今技术的复杂性、信息的广泛性中批判性地进行信息分析，从而创造性、高效性地对实际问题给出解决方案。1化工专业批判性思维的重要性对于化学或化工专业本科生的培养，无论在理论教学4-7还是在实践教学8-9中，批判性思维正在引起越来越多教育工作者的关注。物理化学是化学这门学科的理论基础，与另外三大化学课程相比，有更严格定义的基本物理量、更严密的逻辑推理和更繁琐的具体计算过程，逻辑推理和具体计算又是建立在对基本概念、基本物理量的准确理解和掌握基础之上的，若学生在学习的过程中只是被动地接收信息，不善于运用批判性思维进行反思与独立思考，则在解决问题过程中，往往会出现错误10。鉴于此，我们把对学生批判性思维的培养写入了课程标准，并在具体教学中通过一些具体问题的分析慢慢将批判性思维渗透到学生的自觉行动中去11。2例题解答与讨论分析2.1例题参考答案及存在的问题在界面化学章节中有这样一道例题12：【例题】在绝热可逆条件下，若干直径 R1为 10-7m的小水滴形成一个物质的量为 1 mol 的球形大液滴，求大水滴的温度为多少。已知水的表面张力=0.073 N/m，定容摩尔热容 CV袁m=75.37 J mol/K，密度=0.958伊103kg/m3，并设，CV袁m和均与温度无关，初始温度为 308 K，水的摩尔质量为 0.018 kg/mol。参考书给出的解答是这样的：解：先求大水滴的半径 R2，1 mol 水的质量可以等于密度乘以体积，也等于物质的量乘以水的摩尔质量，即：43仔R23伊=1 mol伊0.018 kg mol-1（1）第 52 卷杭州化工R2=1.65伊10-2m根据分散前后水滴体积不变，再求出所需小水滴的个数 N：43仔R23=43仔R13伊N（2）N=3.59伊1016总体积不变，故 驻V=0，绝热可逆，故 驻S=0；根据dU=TdS-pdV+移BdnB+dAS可知：驻U=驻AS=伊（N伊4仔R12-4仔R22）=82.3 J（3）由驻U=nCV袁m伊驻T（4）计算得到 驻T=1.09 K，T2=T1+驻T=309.9 K根据以上答案，系统热力学能的变化，是由于系统表面积的变化引起的，答案的问题在于：题目中是由小水滴凝聚为球形大液滴，因此系统末态的表面积比初态的表面积要小，故答案中公式（3）应修正为：驻U=驻AS=伊（4仔R22-N伊4仔R12）=-82.3 J（5）以上公式中所涉及到的、A、S、T、p、V、U和 CV分别为表面张力、表面积、熵、温度、压力、体积、化学势、热力学能和定容热容。按照答案所给的方法进行后面的计算，热力能驻U约0，则 驻T约0。即绝热可逆条件下，由小水滴凝聚为球形大液滴，热力学能减少，温度降低。但这个过程中温度一定会降低吗？配套教材中关于温度的变化是这样表述的：在界面化学中，以绝热的方式扩大表面积，系统的温度必下降；反之，若以绝热的方式缩小表面积，系统的温度必上升13。习题中的结论正确吗？和配套教材中的说法是否矛盾？让我们运用批判性思维，从问题的源头进行深入的探讨。2.2关于热力学能根据经典热力学，系统总能量包括三部分，整体运动的动能、在外力场中的势能和热力学能。在化学热力学中，通常是研究宏观静止的系统，无整体运动，并且一般没有外力场的存在，因此只关注热力学能，其变化是各种形式能量变化的综合结果。经典热力学中，和热力学能相关的公式及适用条件如图 1 所示，最根本的是热力学第一定律的数学表达式 驻U=Q+W，对封闭系统，可以利用其与环境之间的能量交换，分析系统自身热力学能的变化。利用演绎的方法，随着研究的不断深入，问题考虑的渐趋具体化，热力学相关基本公式及其在不同体系的衍变情况如图 1 所示。利用图 1 中的公式（4），可以把经典热力学与界面化学结合起来分析问题，解决相对应的表面现象，比如上述例题，在等熵等体积定组成条件下，减小系统的表面积，系统的热力学能减少。但在运用公式解决问题时，如对相关物理量和具体过程实现的途径理解的不够深刻，不熟悉采用批判性思维的方法来分析问题，看到一些解答不假思索地选择相信，就会成为被动的信息接收者而不是积极思考的学习者。物理化学是一门理论和实验并重的学科，在理论分析中遇到问题时，我们往往会通过做实验的方法来解决。然而上述例题中系统经历的是绝热可逆过程，是一种理想情况，现实中无法实现，所以要解决该问题，只能通过设计一个想象的实验来完成分析讨论。2.3设计假想实验，讨论温度变化体系经历某过程后，体系与环境发生的变化如能完全复原而不引起其他变化，则该过程为可逆过程。无摩擦时，以下几种方式可无限趋近可逆过程：压差无穷小的膨胀或压缩过程；温差无限小的热源升温或降温过程；电动势和外电压差别无穷小的可逆电池化学反应以及范霍夫平衡箱内的化学反应。每一个过程的发生都会存在推动力和阻力，综合这几种无限趋近可逆的过程可知，只有当变化过程的推动力和阻力相差无穷小时，过程才可能可逆。具体到上述例题中涉及到的变化过程，液体表面积缩小，推动力是表面张力，若要实现可逆变化，必然需要施加一种相应的阻力，且阻力和表面张力产生的效应无限接近，基于这样的指导思想，我们设计了一个想象中的实验，如图 2 所示。在绝热刚性容器中，液体以绝热可逆的方式减小表面积，阻力是由定滑轮下方物体的重力提供的，而且 F=mg=2 L（公式中所涉及到的 F、m、g、L 分别为阻力、重物质量、重力加速度、表面张力和液体可移动边的长度）。如前面分析，从宏观来看，当表面积减小时，体系的热力学能（驻U=驻AS）是减少的。减少的表面能用来做功，提起定滑轮下面的重物。与此同时，从微观角度分析，一部分分子从表面进入了体相，分（3）dU=TdS-pdV+移BdnB（2）dU=TdS-pdV（1）驻U=Q+W（4）dU=TdS-pdV+移BdnB+dAS组成可变、表面积可变的封闭体系无非体积功的多组分体系组成不变、无非体积功的封闭体系封闭体系图 1热力学基本关系式在不同体系中的衍变情况32窑窑子和分子之间的相对位置发生了变化，这就导致了系统热力学能中的一部分分子间相互作用的位能随之降低，这就是热力学能减少的那一部分。在液体分子从表面进入体相的绝热可逆过程中，通过消耗分子之间的相互作用位能对外做功，分子其他形式的能量并未受到影响，其中就包括液体分子运动的平均平动能。液体分子的平均动能未发生改变，所以温度是不发生变化的。相类似的，当液体以绝热可逆的方式增加表面积，是定滑轮下方物体的重力做功，转化为了液体的热力学能，液体分子间相互作用的位能增加而平均平动能未发生变化，故温度也是不变的。由此可知，以绝热可逆的方式，无论是减小或者增加液体的表面积，液体的温度均不发生变化。上述例题以及配套教材，均受原有经典热力学公式应用习惯的影响，没有考虑到液体分子之间相互作用的位能的变化也会引起系统热力学能的改变，认为液体的热力学能仅仅是温度的函数，将热力学能的变化直接归因于分子平均平动能，使用公式 驻U=nCV，m伊驻T 计算系统温度的变化，从而导出了不合理的结论。2.4问题拓展讨论以上讨论的是液体绝热可逆变化过程，如果是绝热不可逆变化过程又是什么样的结果呢？这里我们以隔离体系一种特殊的绝热体系为例来讨论。对隔离体系 驻U=0，因此隔离体系中的液体，当通过绝热不可逆方式缩小其表面积时，表面能减少，由于热力学能守恒，所以这部分表面能会转化为系统自身其他形式的能量，又因为平动能能级之间的间隔较小，故这部分表面能会转化为分子运动的平动能，从而导致温度的升高。反之，当隔离体系中的液体表面积不可逆增加的时候，是分子运动的平动能转化为系统的表面能，所以液体温度是降低的。综上所述，以绝热可逆的方式，无论是减小或者增加液体的表面积，液体的温度均不发生变化；若以绝热不可逆的方式扩大表面积，系统的温度必下降；若以绝热不可逆的方式缩小表面积，系统的温度必上升。在界面研究领域，经典热力学公式依然可用，但涉及到表面现象的，对液体以及固体，将热力学能的变化简单归因于温度的变化，利用公式 驻U=nCV，m伊驻T 计算末态温度显然是不合理的，那这个公式为什么这么深入人心呢？追本溯源，在学习热力学第一定律的具体应用时，大家最先接触的体系就是理想气体，理想气体的热力学能仅仅是温度的函数，故可以根据热力学能的变化去讨论温度的变化，该公式适用于理想气体各种简单的 p，V，T 变化过程。对于均相定组成的凝聚体系，由于体积变化对热力学能影响较小，也通常会利用该公式 驻U=nCV，m伊驻T 近似计算，但前提是不考虑表面效应的影响。受先入为主的影响，初学者容易形成固化思维，遇到热力学能的变化，总会联想到该公式。但实际上除了在表面化学这一部分，不能轻易用公式 驻U=nCV，m伊驻T 计算温度变化之外，对于有化学反应、相变发生的封闭体系也是不能使用的。比如，在绝热钢桶内，氢气和氯气反应生成氯化氢气体，驻U=0，但体系温度升高；液态水等温等压可逆转变为气态水，温度不变，但 驻U跃0。3总结通过这样典型例题的深入剖析和拓展，可以帮助化工专业学生深刻认识热力学基本公式在不同体系和不同环境下的使用原则和思路，正确判断热力学公式使用的范围，游刃有余地使用热力学公式解决多组分系统、电化学、界面化学等领域涉及到的热力学问题。另外，通过该典型体系可培养学生的批判性思维和从多角度、多错层次辩证的分析解决问题的能力，实现综合育人的教育目标。参考文献：1Stephenson N S，Sadler-McKnight N P.Developing criticalthinking skills using the Science Writing Heuristic in thechemistry laboratoryJ.Chem.Educ.Res.Pract.，2016，17：72-79.2Danczak S M，Thompson C D，Overton T L.What does theterm Critical Thinking mean to you?A qualitative analysisof chemistry undergraduate，teaching staff and employersview of critical thinkingJ.Chem.Educ.Res.Pract.，2017，18：420-434.3Danczak S M，Thompson C D，Overton T L.Developmentand validation of an instrument to measure undergraduatechemistry students critical thinking skillsJ.Chem.Educ.渊下转第 27 页冤图 2绝热可逆方式改变系统的表面积实验设计方案adiabatic boxF=mg=2 L第 4 期刘彩华等：化工专业学生批判性思维的培养33窑窑4结论本文通过废旧抛光粉中稀土回收工艺的研究，进行了溶解、沉淀和分离的往复操作，并进行了其中稀土元素的收得率实验，得出以下结论：（1）采用酸溶解-碱分离铁离子-草酸提取稀土元素法工艺流程，从废旧抛光粉中回收稀土是可行的。（2）本工艺应用了稀硝酸溶解、氢氧化钠沉淀分离和草酸溶液提取分离，方法简单，回收成本低，抛光粉可以重复使用。（3）酸洗液中的三价铁离子在 pH 为 3.84.0 时，其沉淀结晶效果较好，沉淀率达 90%以上；为更有效地回收滤液中的稀土元素，需用草酸将滤液中的 pH调至 1.5 以下，此时稀土元素的沉淀率为 95%以上。（4）本工艺提取废旧抛光粉中所含稀土量，提取效果优良，回收率达 90%以上。参考文献：1徐光宪.稀土M.北京：冶金工业出版社，2002.2黄春辉，王慰，刘余九，等.无机化学丛书：稀土元素M.北京：科学出版社，2011.3黄小卫，张永奇，李红卫.我国稀土资源的开发利用现状与发展趋势J.中国科学基金，2011（3）：134-137.4程建忠，车丽萍.中国稀土资源开采现状及发展趋势J.稀土，2010，31（2）：65-69.5周喜，韩晓英.我国稀土产业现状及发展趋势J.稀土，2010，31（6）：93-98.6陶春.中日稀土资源战略比较研究J.中共中央党校学报，2011（2）：37-40.7董传博，刘敏，赖伟鸿.硫化物除杂法回收钕铁硼废料中稀土元素的研究J.硅酸盐通报，2013，10（10）：32.8宋振纶，李卫.钕铁硼永磁材料表面防护技术：特点 应用 问题J.磁性材料及器件，2008（1）：1-6.9冀丽安.5G 时代与稀土产业J.稀土信息，2019（3）：32-33.10刘冰，胡炜杰，钟明建援 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