文章编号：1005－6629(2006)12－0041－02中图分类号：G633.8文献标识码：B 美国化学教育中有一个利用橡皮筋为主要实验器材帮助学生主动建构有关化学热力学知识的课堂学生活动设计案例，对于我们理解、实施新的化学课程标准有一定的借鉴作用，现介绍如下：
1活动设计的背景
化学热力学知识由于其内容的抽象性，往往成为学生学习的一个难点，如何设计并实施一个有效的课堂活动，帮助学生在活动中去体验、建构这一内容？这是本活动设计的主要目的，该活动利用学生生活中常见的橡皮筋为主要器材，将抽象的理论知识融入形象有趣的活动之中。这一活动适用于普通高中化学课程标准中选修模块“化学反应原理”中“主题2化学反应速率和化学平衡”的“能用焓变和熵变说明化学反应方向[1]”及勒夏特列原理的课堂教学中，可以在活动中让学生形成熵、焓、吉布斯自由能的概念及勒夏特列原理。
2活动设计的原理
橡皮筋的主要成份是橡胶，天然橡胶是聚异戊二烯的长链结构(如图1),合成
橡胶也是有着相似结构的线型
聚合物，橡胶的弹性是这些长
链结构处于不同的程度拉伸和收缩状态下的表现结果。
熵是一种用来衡量分子混乱程度的物理量，当分子混乱度变大时，熵发生变化△S是正数。当分子混乱度变小时，△S是负数。橡皮筋在拉伸和收缩状态之间的变化时，熵发生了变化：拉伸状态下结构更加有序――熵值变小，当收缩状态时它恢复到更加混乱的状态――熵值变高(如图2)，因此，熵的变化(△S)在拉伸时是一个负数。当物质从一种状态变到另一状态时，与环境也同时发生能量交换，在一定的压强下，某一过程中能量以热能的形式传递给环境时，焓变(△H)为一负值。橡皮筋拉伸后很快地接触前额会感觉到明显的发热，当被绷紧的橡皮筋被拿着在空气中保持几秒钟后，突然收缩并迅速接触前额，会有明显的凉意。这是因为橡皮筋在拉伸状态下，更强的分子间吸引力使分子排列更加整齐、有序，而形成这种吸引力的过程是放热的，所以当橡皮筋收缩时有热传递到周围环境，也就是说，拉伸时焓变(△H)为负数。
在一定的温度和压强下对于一个自发进行的过程，吉布斯自由能的变化△G＝△H－T△S(△G是吉布斯自由能；T是热力学温度或绝对温度；△H是焓变；△S是熵变)一定是一个负数，因为温度总是正值，一个负的焓变和正的熵变(即通过对环境释放能量和熵值变大)可以支持自发过程。当然，两个因素也不必对自发过程同时有利，温度恰当时其中一个能提供足够的支持即可。橡皮筋拉伸时需要外部施力提供能量，是一个非自发过程(△G＞0)，该过程中熵变和焓变均为负数；橡皮筋收缩时是一个自发过程(△G＜0)，该过程中熵变和焓变均为正数。
勒夏特列原理是平衡移动原理，是一种能够预测平衡移动方向的有效工具。当外力作用于橡皮筋使其“松紧”平衡趋于拉紧状态时，平衡将促使其收缩以减缓绷紧程度，即拉伸越来越困难；同时由于橡皮筋拉伸过程中放热(焓变减小)，因此升温时将促进其收缩。活动中把一个被橡皮筋拉紧的约150g的物体轻轻放在电子天平上使其质量约为20g，当用一个高照度的白炽灯照射橡皮筋使之受热时，经过大约45s后会发现质量明显减轻，这表明拉紧的橡皮筋在受热时收缩。
3活动开展的过程
实验器材：橡皮筋，高照度的白炽灯，精确到0.1g的电子天平，铁架台，重约150g的砝码(或质量相近的普通挂锁)，秒表。
实验步骤：
(1)把一根处于正常收缩状态的橡皮筋靠近你的前额几秒钟，然后拉紧它直到其正常长度的三倍，并很快接触你的前额，感受橡皮筋的温度变化。如果需要，重复几次直到你得到一个确切的结论。
(2)拉紧橡皮筋至其正常时长度的三倍并在空气中保持大约20秒，现在让其小心地收缩并快速靠近你的前额，感受橡皮筋的温度变化。
(3)运用勒夏特列原理预测升温对橡皮筋会产生什么样的影响。
(4)将橡皮筋剪断，一端系在固定架上，另一端系上重约150g左右的砝码，调节固定架的高度使砝码落在电子天平上的质量显示约为20g(如图)，当天平的数字稳定时记录下来。
(5)把高照度的白炽灯尽可能地靠近橡胶带，不能接触，然后打开开关, 45s时记录其质量变化, 你是否观察到你在第三步所预测的结果了? 说明原因？
4活动中可能生成的问题设计
(1)橡皮筋不会自动拉伸，你能说出橡皮筋拉伸和收缩时什么发生了变化？这些变化过程中吉布斯自由能又如何变化？在“松紧”的箭头上方或下方标上“自发”或“非自发”。(参考答案：拉伸橡皮筋不是一个自发过程，△G一定是正值；当橡皮筋放松时它自动缩短，△G是负值；在“松
紧”变化过程中：从松到紧是非自发的，从紧到松是自发的。)
(2)键的形成或分子间的引力的加强导致放热过程，根据你第一步所观察到的现象，解释当橡皮筋拉紧时，橡胶分子间的引力加强导致发生了什么？(当橡皮筋拉伸时分子间的引力被加强)
(3)橡皮筋自动收缩时的焓变是否有利于自发过程的进行？为了使自动收缩发生，熵变必须怎样变化？当其拉伸或收缩时，你的答案是如何与橡胶分子结构相联系的？(橡皮筋的收缩是一个吸热过程即△H＞0，这对一个自发过程是不利的。所以熵必须增加，△S是正数。这个过程是当橡皮筋收缩时橡胶中的分子链变得更加混乱导致熵值增大产生的。)
参考文献：
[1][3]中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准(实验)[M].北京：人民教育出版社，2003.
[2]Warren Hirsch. Journal of Chemical Education, 2002,79(2): 200A-200B.
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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