论文部分内容阅读
摘要 介绍美国《化学教育》WebWare栏目中的电脑模拟盐类溶解度,介绍其中的化学背景,探讨如何利用电脑模拟开展三重表征学习。
关键词 化学教育;盐类溶解性;电脑模拟;WebWare;三重表征
中图分类号:G434 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)18-0117-03
Triple Representation Learning based on WebWare Column of Journal of Chemical Education: Salt Solubility for Example//Liu Qi, Xian Hua
Abstract This article introduces the computer simulation to teach salts solubility in the WebWare column of Journal of Chemical Education and its chemical background. It explores how to use computer simulation to carry out triple representation learning.
Key words chemical education; salt solubility; computer simulation; WebWare; triple representation
Author’s address Biologic Chemical and Environmental Engineering College, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing,China 211171
美国《化学教育》(Journal of Chemical Education,以下简称JCE)隶属于美国化学会的化学教育杂志部,创刊于1924年,是目前世界上最权威的化学教育类杂志之一。JCE以帮助教师了解化学教育领域的最新研究进展,介绍有关教育方法和课程组织的新理念为宗旨。
WebWare是《化学教育》网站JCE Digital Library栏目的一个子栏目,每年由专业的化学教育工作者撰写、开发出小型程序和文件,以帮助世界各地不同层次的学生用技术工具学化学。这些工具包括Java小程序、动态HTML(DHTML)、虚拟现实技术(VRML)、QuickTime、Flash动画和GIF动画,以及可以基于Excel的应用程序。不仅将这些应用于教室或实验室的教学互动,还可以在学生宿舍、家庭中的自主学习中运用。
本文以介绍该栏目中的电脑模拟盐类溶解度为例(http://jchemed.chem.wisc.edu/JCEDLib/WebWare/collection/reviewed/JCE2006p0173_2WW/jcesubscriber/salts/index.html),展现国外化学教学中应用信息技术的三重表征学习[1]。
1 学科背景
在各种国外化学教材中,通常依照以下步骤开展“化学平衡”教学:如何判断一个化学反应的发生——动态平衡意味着怎样的状态——化学反应中会有多少反应物转化为生成物——处于平衡的系统被干扰之后又将如何变化——为什么一些反应几乎反应完全,而相当一部分化学反应甚至不能开始,或者在开始后不久就结束反应——为什么平衡常数会在温度改变时变化显著。
这些“为什么”的问题需要联系到热力学第二定律的运用,解释的过程与“总熵”的概念密切相关。随着化学新教材中“化学反应原理”模块知识的学习深化,以及“物质结构与性质”选修模块的联系和拓展,从分子结构和能量改变的方面来探讨反应限度显得非常重要。
在科学领域中对于一件事物的理解分为很多不同的层次。学生必须意识到这一点,以避免将对一种现象的表层理解误以为已经有了深入、全面的认识。
2 基于信息技术的“盐类溶解性微观诠释”
电脑模拟在化学平衡的教学中,可以有效地将宏观、微观与符号3种表征整合应用,显得意义非凡。例如需要解释盐类溶解性的这些问题:1)碳酸钙和氯化钠的溶解热几乎相同,在相同温度下,为什么碳酸钙的溶解度远远小于氯化钠?2)硫酸镁和碳酸镁有着相似的组成和结构,在相同温度下,为什么硫酸镁的溶解度远远大于碳酸镁?
需要说明的是,化学学习关注的物质性质与微观世界紧密联系,溶液是溶质粒子和溶剂分子的混合,其性质必然由这些微观粒子决定。在本动画里,盐类溶解度的比较是以溶质物质的量而不是溶质的质量作为定量依据的。用热力学原理解释这些微粒永不停息的热力学运动,对于学生建立宏观物质的微观表征显得极为重要[2]。
2.1 溶解度探讨中的熵和微观能级
溶解程度通过平衡常数可以体现,而由热力学第二定律所决定:假设有过量的溶质,当宏观改变停止的时候反应达到平衡,这时候总熵达到最大值。
总熵的改变有2种情况:1)对于隔离体系,在指定温度下,总熵的改变指的是系统熵变加上环境熵变;2)对于封闭体系,系统的熵变不仅取决于构型,也有一部分热力学贡献。
考虑一个封闭体系,总是更倾向于更混乱的状态。如果是隔离体系,系统和环境分子混乱度必然增加,直到平衡。
就统计学方面来说,指定状态的某个动态系统的熵与这个状态的发生概率有关。通过Boltzmann公式可以看出:S=klnΩ。式中Ω是微观状态数,k=1.38×10-23 J/K(Boltzmann常数)。这个关系式说明熵(S)的微小变化对应着微观世界存在状态数目(Ω)的巨大变化。微观状态数的巨大改变可以用于解释熵增使得反应自发地向着最后的平衡状态进行。
对于易溶性的盐,饱和溶液中平衡状态下的最大总熵出现在大量的盐溶解之后;对于难溶性的盐,最大总熵出现在极少量的盐溶解之后。例如,分别准备物质的量为1摩尔的氯化钠、碳酸钙和充足的水配制1升溶液,在25 ℃时,氯化钠全部溶解,而碳酸钙只有0.014%溶解。溶解过程中1摩尔氯化钠的总熵在增加,而1摩尔碳酸钙总熵却在减少。
分子混乱度的概念与微粒能量的分布方式联系紧密。一种微粒分布在低能级中是一种混乱度低的状态,也就是熵的数值小。微粒能量分布的能级越多,能级的多样性越显著,交换相同微粒而形成相同的分布状态的Ω越大(图1)。
3个相同微粒的6种分布方式,每一个微粒分布在一个能级上,与3个粒子分布在同一能级上进行比较。如果所有粒子被分布在同一能级,那么Ω=1,混乱度最小,而熵为零。所以说,封闭体系总是趋向于分布在不同的能级,向混乱度增加的方向进行。
2.2 WebWare中如何进行电脑模拟
在选择盐类中的典型范例作为学生探索的电脑模拟对象时,应遵循4项标准:1)学生在教材中已经学过的熟悉的盐类,但具有完全不同溶解度;2)具有相似结构的盐类;3)盐类的溶解性受离子反应(例如酸碱反应)影响不大;4)只讨论构型混乱度或者是热力学混乱度影响性质的几对典型盐类。
例如氯化钠和碳酸钙,虽然碳酸根的水解促进碳酸钙的溶解,但是碳酸钙比氯化钠难溶。两个溶解现象的吸放热程度都不显著,据查,氯化钠的△H=3.9 kJ/mol,碳酸钙的△H=-12.3 kJ/mol。因此,主要讨论的是它们构型的混乱度。事实上,碳酸钙的溶解放出的少量热可以促进碳酸盐的溶解,但它仍比氯化钠难溶。
当考虑封闭体系溶解度的时候,保持温度不变(298 K),焓变值对应着能量转移,比如说热量从系统转移到环境,伴随着环境熵的增加。
3 关于三重表征的反思
笔者认为,以上提供的定性的模拟和讨论对于化学平衡的深入了解是很有价值的,可以在教任何平衡常数的定性解释(例如吉布斯自由能)之前给学生演示这个定性的软件。
据调查,我国学生比较关注化学实验现象中的宏观表征,微观表征、符号表征能力薄弱,且难以在不同表征间建立有效联系。该模拟平台将溶解这一宏观过程用微观粒子表征和符号表征的方式解释分析,强化了三重表征思维方式的建立[3]及他们之间的内在联系,这对于促进学生化学成绩的提高尤为重要。
由于模拟软件只能用来定性物质,它们只能作为图形的概念而不能作为严密的模型,使用者应该对它背后的科学原理有深入的认识。另外,使用这种图像模拟时学生应该意识到图中呈现的微粒个数以及粒子之间的空隙都是不符合实际的,离子、分子的象征性表示和分子运动的定性图示只能用来强调学习的某一方面。另外,有关水合分子的交换过程也没有在软件中表示出来。
参考文献
[1]Gil V M S,Paiva J C M.Using Computer Simulations To Teach Salt Solubility[J].J Chem Educ,2006,83(1):170-172
[2]Coleman W F,Fedosky E W.A New Java Animation in Peer-Reviewed JCE WebWare[J].J Chem Educ,2006,83(1):173-174
[3]毕华林,黄婕,元英丽.化学学习中“宏观—微观—符号”三重表征的研究[J].化学教育,2005(5):51-54
关键词 化学教育;盐类溶解性;电脑模拟;WebWare;三重表征
中图分类号:G434 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)18-0117-03
Triple Representation Learning based on WebWare Column of Journal of Chemical Education: Salt Solubility for Example//Liu Qi, Xian Hua
Abstract This article introduces the computer simulation to teach salts solubility in the WebWare column of Journal of Chemical Education and its chemical background. It explores how to use computer simulation to carry out triple representation learning.
Key words chemical education; salt solubility; computer simulation; WebWare; triple representation
Author’s address Biologic Chemical and Environmental Engineering College, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing,China 211171
美国《化学教育》(Journal of Chemical Education,以下简称JCE)隶属于美国化学会的化学教育杂志部,创刊于1924年,是目前世界上最权威的化学教育类杂志之一。JCE以帮助教师了解化学教育领域的最新研究进展,介绍有关教育方法和课程组织的新理念为宗旨。
WebWare是《化学教育》网站JCE Digital Library栏目的一个子栏目,每年由专业的化学教育工作者撰写、开发出小型程序和文件,以帮助世界各地不同层次的学生用技术工具学化学。这些工具包括Java小程序、动态HTML(DHTML)、虚拟现实技术(VRML)、QuickTime、Flash动画和GIF动画,以及可以基于Excel的应用程序。不仅将这些应用于教室或实验室的教学互动,还可以在学生宿舍、家庭中的自主学习中运用。
本文以介绍该栏目中的电脑模拟盐类溶解度为例(http://jchemed.chem.wisc.edu/JCEDLib/WebWare/collection/reviewed/JCE2006p0173_2WW/jcesubscriber/salts/index.html),展现国外化学教学中应用信息技术的三重表征学习[1]。
1 学科背景
在各种国外化学教材中,通常依照以下步骤开展“化学平衡”教学:如何判断一个化学反应的发生——动态平衡意味着怎样的状态——化学反应中会有多少反应物转化为生成物——处于平衡的系统被干扰之后又将如何变化——为什么一些反应几乎反应完全,而相当一部分化学反应甚至不能开始,或者在开始后不久就结束反应——为什么平衡常数会在温度改变时变化显著。
这些“为什么”的问题需要联系到热力学第二定律的运用,解释的过程与“总熵”的概念密切相关。随着化学新教材中“化学反应原理”模块知识的学习深化,以及“物质结构与性质”选修模块的联系和拓展,从分子结构和能量改变的方面来探讨反应限度显得非常重要。
在科学领域中对于一件事物的理解分为很多不同的层次。学生必须意识到这一点,以避免将对一种现象的表层理解误以为已经有了深入、全面的认识。
2 基于信息技术的“盐类溶解性微观诠释”
电脑模拟在化学平衡的教学中,可以有效地将宏观、微观与符号3种表征整合应用,显得意义非凡。例如需要解释盐类溶解性的这些问题:1)碳酸钙和氯化钠的溶解热几乎相同,在相同温度下,为什么碳酸钙的溶解度远远小于氯化钠?2)硫酸镁和碳酸镁有着相似的组成和结构,在相同温度下,为什么硫酸镁的溶解度远远大于碳酸镁?
需要说明的是,化学学习关注的物质性质与微观世界紧密联系,溶液是溶质粒子和溶剂分子的混合,其性质必然由这些微观粒子决定。在本动画里,盐类溶解度的比较是以溶质物质的量而不是溶质的质量作为定量依据的。用热力学原理解释这些微粒永不停息的热力学运动,对于学生建立宏观物质的微观表征显得极为重要[2]。
2.1 溶解度探讨中的熵和微观能级
溶解程度通过平衡常数可以体现,而由热力学第二定律所决定:假设有过量的溶质,当宏观改变停止的时候反应达到平衡,这时候总熵达到最大值。
总熵的改变有2种情况:1)对于隔离体系,在指定温度下,总熵的改变指的是系统熵变加上环境熵变;2)对于封闭体系,系统的熵变不仅取决于构型,也有一部分热力学贡献。
考虑一个封闭体系,总是更倾向于更混乱的状态。如果是隔离体系,系统和环境分子混乱度必然增加,直到平衡。
就统计学方面来说,指定状态的某个动态系统的熵与这个状态的发生概率有关。通过Boltzmann公式可以看出:S=klnΩ。式中Ω是微观状态数,k=1.38×10-23 J/K(Boltzmann常数)。这个关系式说明熵(S)的微小变化对应着微观世界存在状态数目(Ω)的巨大变化。微观状态数的巨大改变可以用于解释熵增使得反应自发地向着最后的平衡状态进行。
对于易溶性的盐,饱和溶液中平衡状态下的最大总熵出现在大量的盐溶解之后;对于难溶性的盐,最大总熵出现在极少量的盐溶解之后。例如,分别准备物质的量为1摩尔的氯化钠、碳酸钙和充足的水配制1升溶液,在25 ℃时,氯化钠全部溶解,而碳酸钙只有0.014%溶解。溶解过程中1摩尔氯化钠的总熵在增加,而1摩尔碳酸钙总熵却在减少。
分子混乱度的概念与微粒能量的分布方式联系紧密。一种微粒分布在低能级中是一种混乱度低的状态,也就是熵的数值小。微粒能量分布的能级越多,能级的多样性越显著,交换相同微粒而形成相同的分布状态的Ω越大(图1)。
3个相同微粒的6种分布方式,每一个微粒分布在一个能级上,与3个粒子分布在同一能级上进行比较。如果所有粒子被分布在同一能级,那么Ω=1,混乱度最小,而熵为零。所以说,封闭体系总是趋向于分布在不同的能级,向混乱度增加的方向进行。
2.2 WebWare中如何进行电脑模拟
在选择盐类中的典型范例作为学生探索的电脑模拟对象时,应遵循4项标准:1)学生在教材中已经学过的熟悉的盐类,但具有完全不同溶解度;2)具有相似结构的盐类;3)盐类的溶解性受离子反应(例如酸碱反应)影响不大;4)只讨论构型混乱度或者是热力学混乱度影响性质的几对典型盐类。
例如氯化钠和碳酸钙,虽然碳酸根的水解促进碳酸钙的溶解,但是碳酸钙比氯化钠难溶。两个溶解现象的吸放热程度都不显著,据查,氯化钠的△H=3.9 kJ/mol,碳酸钙的△H=-12.3 kJ/mol。因此,主要讨论的是它们构型的混乱度。事实上,碳酸钙的溶解放出的少量热可以促进碳酸盐的溶解,但它仍比氯化钠难溶。
当考虑封闭体系溶解度的时候,保持温度不变(298 K),焓变值对应着能量转移,比如说热量从系统转移到环境,伴随着环境熵的增加。
3 关于三重表征的反思
笔者认为,以上提供的定性的模拟和讨论对于化学平衡的深入了解是很有价值的,可以在教任何平衡常数的定性解释(例如吉布斯自由能)之前给学生演示这个定性的软件。
据调查,我国学生比较关注化学实验现象中的宏观表征,微观表征、符号表征能力薄弱,且难以在不同表征间建立有效联系。该模拟平台将溶解这一宏观过程用微观粒子表征和符号表征的方式解释分析,强化了三重表征思维方式的建立[3]及他们之间的内在联系,这对于促进学生化学成绩的提高尤为重要。
由于模拟软件只能用来定性物质,它们只能作为图形的概念而不能作为严密的模型,使用者应该对它背后的科学原理有深入的认识。另外,使用这种图像模拟时学生应该意识到图中呈现的微粒个数以及粒子之间的空隙都是不符合实际的,离子、分子的象征性表示和分子运动的定性图示只能用来强调学习的某一方面。另外,有关水合分子的交换过程也没有在软件中表示出来。
参考文献
[1]Gil V M S,Paiva J C M.Using Computer Simulations To Teach Salt Solubility[J].J Chem Educ,2006,83(1):170-172
[2]Coleman W F,Fedosky E W.A New Java Animation in Peer-Reviewed JCE WebWare[J].J Chem Educ,2006,83(1):173-174
[3]毕华林,黄婕,元英丽.化学学习中“宏观—微观—符号”三重表征的研究[J].化学教育,2005(5):51-54