物理化学在中学化学竞赛中的应用

中学实验教学

物理化学在中学化学竞赛中的应用

湖北省武汉市49中(430082)　黄　慧

中学化学竞赛活动有四个层次,即国际、全国、全国分赛区及天原杯竞赛。化学竞赛活动在我国开展近十年,对我国化学教育事业起到了积极的作用。随着此项活动的开展,人们渐渐认识到“化学奥林匹克”不仅是简单的竞赛活动,而是一种大规模的、不断进行着、不同形式与不同层次的、系列的、以竞赛为中心的教育活动。其内容体现化学对科学、技术和经济发展的重要性,有利于激发学生学习化学的积极性,发现人才,培养21世纪需要的多种多样的尖端科研人员。

下面,就化学动力学、热力学、电化学等知识来分析一下物理化学在化学竞赛中的应用。(本文主要针对全国性竞赛及国际奥林匹克竞赛.)

1　第29届国际化学奥林匹克竞赛试题(1997.7.15-17)

第二题,麻省理工学院的Mo lina教授因在大气化学研究工作中出色的成果获得1995年诺贝尔奖,他详尽地研究了大气中生成H2SO4酸雨反应,他提出下列两种可能的计量反应:

途径A:H2O(g)+SO3(g)H2SO4 (g)途径B:2H2O(g)+SO3(g)H2SO4 (g)+H2O(g)根据碰撞理论,途径的历程B包括如下两步过程:

SO3+2H2O SO32H2O(慢)

SO32H2O H2SO4+H2O(慢)

SO3+2H2O是通过形成氢键而得稳定存在的络合物且有K2<

1.1　求途径A和途径B的反应级数。

1.2　应用静态原理推导与途径B的两步历程相应的速率方程和反应级数。

1.3　新近的量子力学计算表明上述两种途径的总反应活化能为:

对途径A:E A=+80KJ/m ol-1

对途径B:E B=-20KJ/mol-1

分别给出它们的阿累尼乌斯(Ar rhenius)方程,并分别预言它们的速率常数与温度的关系。本题知识点包括:

仪器及每个实验的装置图。与仪器相比,图纸使用起来确实省事多了(对老师来说),而且不存在破损问题,还可以年复一年地使用。

现代教学理念——“学为主体”要求教育工作者始终围绕学生的认知发展来开展工作,因为只有这样才能培养出个性化、有能力的人才。

心理学研究表明:我们会掌握阅读内容的10%,听到内容的

的80%。所以“讲实验”不能代验”,“演示实验”不能代替“学生实验”,“验证性实验”不能代替“探究性实验”,“图片展示”不能代替“实物展示”。另外,作为化学教师,我们不仅要想方设法让学生有更多机会亲自做实验,还应想方设法补充趣味实验,让学生联系生话设计实验(如测定新装修房屋内甲醛的含量);我们不仅要让学生高考考出成绩,更要为学生的终身发展考虑。

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第12卷(总第60期) 湖北中小学实验室2002年第2期

(1)化学反应速率和反应速度常数的意义、量纲、影响因素。

(2)反应级数:定义、化学反应总级数与该反应各物质级数的关系,反应级数的求法。

(3)化学反应速率方程:微分式、积分式。

(4)阿累尼乌斯公式的作用及稳态近似的讨论方法。

难点与解题方法:

(1)根反应级数定义可直接推导。

(2)利用稳态近似结合反应级数,并

K2<

d[H2SO4]

dt =

k1k2[SO3ⅡH2O]2

k-1

=K eq

K2[SO3ⅡH2O]2=K[SO3ⅡH2O]2

此为三级反应。

(3)已知阿累尼乌斯公式k=Ae-E/R T

另外反应决定于慢反应,可分别对A、B 进行讨论。

解题步骤略:

考察能力方面:

本题涉及化学动力学的知识点较多,是综合性较强的题目,可考察参赛选手运用动力学的一些基本概念规律和方法解决问题的能力。

能力的培养既包括理论知识,又包括实践动手操作,但我国选手在多次国际大赛中反映出实践技能、创意性思维的不足。

2　第31届国际化学奥林匹克竞赛中的实验竞赛

第一题为丙酮与碘在水溶液中的酸催化反应动力学研究,主要内容为:令4份不同浓度的丙酮和碘的混合溶液加入不同的盐酸发生反应,同时用定时秒表计时,恰到7分钟时加入醋酸钠使使反应终止,用选手自己

计算反应级数和反应速率常数。该实验设计新颖,所有原理概念均具体体现。碘量法以实验题出现。尽管1978年10届ICHO中曾出现一次测定反应速率的试题,单此题结合滴定分析,更精彩,立意也出人意料。此题得分主要集中在计时反应的操作和滴定的操作对结果的影响。因此,根据实验结果的好坏可评判选手操作的优劣和竞赛心理稳定性的强弱。

例如,标定浓度用去的硫代硫酸钠标准溶液的体积,4名实验教师的平均值为9.69±0.113m L此为真值,得此值者为7分,误差大于3.0%者计0分,其间用计算机作线性处理。我队4名选手平均值为9.90±0.04mL。在计算CNI时错误,若镇静些,从单位也可发现错误,另外我国选手该实验失分还涉及实验基本概念及平均值的取舍。

在这里探讨开展奥林匹克教育的两种模式,一种是两段式,既先学完高中化学内容,然后再加深;另一种模式同步式,即以高中化学教科书体系为主序,在此基础上拓宽加深,可以按知识单元体系进行教学,该模式要求选修化学奥林匹克的学生提前学完高中内容,适合于整班均是选修化学奥林匹克的学生。同步式是在学习高中内容的同时,利用大学的物理化学知识进行提高,如在摩尔反应热教学的同时可增加化学热力学内容,在硫、硫酸教学的同时可增加化学反应速率、化学平衡及其影响因素热交换等,在氮和磷教学的同时,可增加反应活化能、反应热对吸热和放热的影响,氧化还原反应类型,活化能的阿累尼乌斯公式等等。

因此,在加深课堂教学的同时,为参赛选手开设实验课,旨在进一步培养学生的实际操作和观察能力,加强设疑—分析—理解—判断的思维训练。将物质的宏观性和微观性、定性和定量相系,逐步培养学生正确的思维模式。

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2002年第2期湖北中小学实验室 第12卷(总第60期)