对大学化学教学中若干问题的诠释*

强亮生 唐冬雁

(哈尔滨工业大学化学系 黑龙江哈尔滨150001)

大学化学(普通化学，工科大学化学)是工科院校非化学化工类专业的一门公共基础课程［1］。本课程一直以来存在的问题是:课时少，教学内容多，许多内容难以讲深、讲透;受实用主义的影响，学生不够重视(相对于数学、物理和外语)，缺乏学习兴趣。怎样浅显而又正确地解决(答)教学中的一些疑难问题，令广大教师(尤其是青年教师)困惑［2］。目前有关教学的文章大多集中在教学经验的介绍和教学方法的改革上，而对教学内容的研究和处理则相对较少［3-4］。笔者结合多年讲授大学化学课程的情况，提出对教学中17个问题的粗浅理解和处理方法，希望对广大大学化学教师有所帮助，更期望能起到抛砖引玉之效果。

1 物质结构部分

(1)为什么用波函数描述原子核外电子的运动状态?

按波动学说，此问题应从3个方面回答。可总结为“三性”。其一是习惯性，人们习惯于用一个函数来描述一种运动。电子虽是实物粒子，但实验(戴维孙-革末的电子衍射实验)证明其有波性，且波性在微观世界非常突出，故可类比电磁波，考虑用波函数描述;其二是必要性，人们做的许多尝试(用别的函数去描述核外电子的运动状态)未果后，有必要选一个新的函数——波函数来描述;其三是可能性，只要知道了波函数的具体形式，就可以通过波函数知道与电子运动有关的其他力学量(物理量)，故用波函数来描述原子核外电子的运动状态。

(2)电子在核外出现的概率与概率密度之大小是否一致?

概率密度=概率/体积，概率密度大，概率不一定大，关键取决于体积是否一定。若体积一定，概率密度大，则概率也大;若体积变化，概率密度大，则概率就不一定大。这里所讲的概率是指距核r远的球壳上(实际是距核r远的很薄的球壳夹层中)电子出现的概率，此与概率密度的大小不一定一致。如H原子中的1s电子，核附近概率密度最大，但出现概率最大的地方却在玻尔半径(0.0529nm)处。

(3)如何引出径向分布函数图?径向分布函数图能说明什么问题?

径向分布函数图的引出应结合电子云图。电子云图可以说明电子在核外空间不同区域概率密度的大小和变化情况，同时也能说明空间概率(空间一确定体积元中的概率)的大小与变化情况;但不能说明径向概率(电子在离核不同半径的球壳上出现的概率)的大小。而人们习惯于原子具有球形结构，更关心的是径向概率，这需要通过径向分布函数图来体现。虽然径向分布函数所能说明的是距核r远厚度为单位厚度的球壳中电子出现的概率，但径向分布函数图能够说明距核r远的球壳上(实际是距核r远的很薄的球壳夹层中)电子出现的概率。

(4)怎样总结元素周期表中零族元素(惰性气体)的电子结构特点?

总结元素周期表中各族元素的电子构型特点是原子结构部分的重要内容，而在一般的教科书中，对零族元素电子构型特点的总结是:“最外层具有2个或8个电子”。这样学生自然要问:到底是2个电子，还是8个电子?哪些是2个电子?哪些是8个电子?还有的学生会问，钙原子的最外层也是2个电子，可它并不是零族元素，而是IIA族元素。若解释为“最外层填满电子”(中学化学中有一个元素的原子最外层只能填2个(n=1)或8个(n＞1)电子的说明)，则既准确，又能避免学生的疑惑和一系列的追问。

(5)怎样讲解分子轨道理论中的“原子轨道对称性匹配”?

所谓“原子轨道对称性匹配”是指原子轨道对称性要相同。而就原子轨道的对称性而言，有对称和反对称两种。原子轨道(用原子轨道角度分布图代替)以键轴为轴旋转180度，若图形和符号都不变，则为对称(例:s轨道及z轴为键轴时的pz轨道);若图形不变，只符号变，则为反对称(例:y轴或x轴为键轴时的pz轨道)。显然，同号重叠或异号重叠都可以实现对称性匹配，而一半同号重叠一半异号重叠必然是对称性不匹配。不可说“同号重叠就是对称性匹配，异号重叠就是对称性不匹配”。(出现在很多大学化学教科书中的这种说法是错误的。)

(6)怎样讲解杂化轨道理论及等性杂化与不等性杂化?

杂化轨道理论亦称改性的共价键理论。应说明3点:①杂化轨道理论以普通价键理论为基础;②杂化是成键时在同一原子的不同轨道间进行的;③参与杂化的轨道能量要相近。强调两点:①杂化轨道成键能力增强;②杂化只是解释问题的一种方法，即杂化轨道理论只能解释分子的几何构型，不能用来判断分子的几何构型(判断分子的几何构型要用价层电子对互斥理论)。杂化轨道的组成、能量相同为等性杂化，只要其组成或能量中有一者不同即为不等性杂化。

2 热力学部分

(1)如何理解ΔH＜0，ΔS＞0之类型的反应在任意温度都自发(ΔG＜0)的总结?

ΔH＜0，ΔS＞0之类型的反应属于“-”、“+”型的反应，此类型的反应在任意温度下都自发是目前所有大学化学教材中明确的总结。对此，学生经常通过实例(反应的Δr＜0，Δr＞0，但在某状态下却是非自发的)提出质疑。许多教师的回答是:此只在热力学标准态下成立。这种说法不妥。实际上，这种判断只要是等压、不做非体积功，在非标准状态也成立。标准状态时，Δr＜0，Δr＞0，在任意温度下都自发;非标准状态时，ΔH＜0，ΔS＞0，在任意温度下都自发。其实，此处只是在讨论温度对反应自发性的影响，要说明的是温度的变化不影响此类反应的方向。ΔH＞0，ΔS＜0，即“+”、“-”型的情况亦可同理解释。

(2)如何解释非自发反应仍有平衡常数的问题?

首先应当明确:自发、非自发属于反应方向问题;平衡常数属于反应限度问题。判断反应的自发性首先要针对具体的反应式和反应条件。在等温、等压条件下，ΔrG＞0，某反应非自发，是指按照该反应式的计量关系进行反应，且反应物和生成物都存在反应式的对应量时，反应是非自发的;或者说不能按反应式的计量关系由反应物自发地生成产物。如果是始态只有反应物，而没有产物，则任何反应都是可以自发进行的。通过化学热力学函数ΔrG判断的非自发反应也可以进行一些，即仍有平衡常数，只不过平衡常数很小。当然，从获得产物的角度衡量，这样的反应一般没有利用价值，没有再进行动力学研究如何加快反应速率的必要。

(3)熵有无负值?为什么?

熵是系统混乱度的量度。单质和中性化合物的熵均为正值，绝无负值;但离子的熵却有负值。这是因为一种离子在体系中无法独立存在，因此无法测定和计算其熵值。考虑到解决问题的方便性，将水合氢离子热力学标态下的熵值规定为0，以此来获得其他水合离子的熵值，即所有水合离子的熵均为相对值。既是如此，水合离子熵有负值的情况也就不难理解了。

(4)化学反应方向的判据是什么?

在大学化学课程中，化学反应方向(包括变化过程方向)的判据一般认为是ΔG，但用ΔG判断反应的方向是有条件的，其条件是等温、等压(不做有用功的条件可以不作要求)，而此条件正是一般化学反应所具备的条件，这也正是人们用ΔG作为反应方向判据的原因。其实，用ΔH、ΔS，甚至ΔU也可以判断反应的方向，只是各自要求的条件不同。

(5)怎样讲解等温方程式(ΔrGӨ=-RTlnKӨ)?

首先需要说明的是:等温方程式(ΔrGӨ=-RTlnKӨ)给出的只是ΔrGӨ与KӨ的数值关系，二者含义和对应状态不同。ΔrGӨ(T)是标态下的吉布斯函数变，对应的是标准态;KӨ是标准平衡常数，对应的是平衡态。另外要强调的是，由于ΔrGӨ与KӨ都与温度有关，故在等温方程式(ΔrGӨ=-RTlnKӨ)中，ΔrGӨ与KӨ对应的必须是同一温度(即式中的T)。等温方程式的“等温”之意即在于此。

(6)规定热力学标准态的意义何在?

规定热力学标准态首先是为了研究和讨论问题的方便。例如，在等温、等压下判断反应方向时，若反应的ΔrGӨ＜0，虽然只能说明该反应在标态下自发，并不能说明该反应在其他状态下也自发。但需要指出的是:比较不同反应的自发性或非自发性时，只有标态的吉布斯函数变ΔrGӨ才能方便地说明问题。显见规定热力学标准态之意义。

3 动力学部分

(1)化学反应速率该如何表示?

目前有些大学化学教材中反应速率的符号仍用v表示，这样不妥，应该用r表示。v是velocity(速度，矢量)的字头，r才是rate(速率，标量)的字头。而将反应速率定义为“浓度随时间的变化率”，又带来反应速率用反应系统中不同物质的浓度变化表示其数值不同和反应速率出现负值的问题，为此应将反应速率定义为“单位体积的反应系统中，反应进度随时间的变化率”。故在反应速率方程中，反应速率应该表示为其中νB为反应体系中物质B的计量系数，对反应物取负值，对生成物取正值;cB为物质B在t时刻的浓度。)

(2)怎样解释“正催化剂加快反应速率和负催化剂(阻化剂)减慢反应速率”?

正催化剂加快反应速率的原因是改变了反应的历程，降低了反应的活化能，相应地增加了活化分子百分数，从而加快了反应速率，此易于解释。而负催化剂减慢反应速率的原因却不可简单解释为改变了反应的历程，增大了反应的活化能。按照过渡状态理论，应该说是反应物与催化剂结合为势能很低的“过渡状态化合物”，阻止了反应物直接向生成物的过渡。反应物与阻化剂生成“过渡状态化合物”的活化能无疑小于原反应的活化能，否则，反应物不可能先与阻化剂结合。

(3)如何说明阿仑尼乌斯公式(k=Ae-Ea/RT)?

首先，阿仑尼乌斯公式针对的是除爆炸反应之外，反应速率随温度升高呈指数关系增大的均相反应(温度对反应速率的影响关系可总结为5种类型，详见文献［1］)，其中指前因子A包括碰撞次数和碰撞方位比率。按照碰撞理论，活化能Ea定义为活化分子的最低势能与反应物分子的平均势能之差。严格地讲，A与Ea均与温度有关，但在一定温度范围内与温度关系很小，可略。正因为如此，人们才认为阿仑尼乌斯公式给出了温度对反应速率的影响关系。也因为如此，阿仑尼乌斯公式的另外一种应用更多的形式才成立。

4 电化学部分

(1)金属在其盐溶液中产生电极电势时金属中的自由电子是否进入溶液?

大多数大学化学教材是以金属在其盐溶液中为例来说明电极电势产生之过程的。在形成双电层之前，溶液中的水分子吸引金属离子进入溶液，将自由电子留在金属中，发生金属原子的氧化，此易于理解。问题是:金属中的自由电子为什么不被水分子吸引进入溶液?此首先可以解释为:自由电子流动性强，不易被水合进入溶液。还要强调:多个水分子同时抓住一个自由电子，则自由电子可以进入溶液。事实上，人们早已在水溶液中发现了水合电子，只是数量很少。

(2)如何解释=-nFEӨ中的负号?

按照我们定义的功的正负号，应当有ΔrGm=W最大有用功，此表明，系统吉布斯函数的减少等于系统所能做的最大有用功。若求得系统的ΔrGm为负值，则表明系统有对环境做功的潜力。若设计成电池，并以可逆的方式做电功(最大有用功)，则ΔrGm=W最大电功，此时W最大电功也应是负值(即表示在原电池中系统对环境做的功);而W电功=nFE却是正值(因电池电动势总是取正值)，为了与我们规定的功的符号一致，在书写ΔrGm与nFE的等式时，人为地加上了负号。

［1］强亮生，徐崇泉.工科大学化学.北京:高等教育出版社，2006

［2］强亮生，郝素娥.中国大学教学，2012(9):12

［3］余红伟，魏徵，李瑜，等.化工高等教育，2012(3):92

［4］赵明.大学化学，2011，26(1):7