表面物理化学之接触角教学设计

1“表面物理化学之接触角”教学设计学科：化学专业：物理化学课程：物理化学适用对象：大学二年级应用化学专业学生内容：《物理化学》课程（傅献彩等编著，第五版）第十三章表（界）面物理化学中接触角定义及应用一、教学背景表面物理化学与日常生活联系紧密且广泛，能够解释很多自然、生活及生产现象，而其中液体对固体润湿作用更是学生接触最多的表（界）面现象，易于激发学生学习兴趣，同时又不乏理论推导，能够体现物理化学学科特点。二、教学目标理解液体对固体润湿性能，掌握液体在固体表面的接触角定义及其应用，能够进行润湿程度的判断，了解润湿表面及性能的科学前沿和发展动态。三、教学重难点接触角定义及应用液体对固体润湿程度的热力学推导四、教学方法课堂教授为主，学生练习为辅五、教学手段多媒体课件为主，黑板板书为辅六、教学过程设计（一）创设情境，导入新课（视频00:00:37开始）由车窗玻璃上的雨滴和荷叶上的水珠等自然或生活现象引入液体对固体润湿性能情况。设计意图：以富有生活情趣的谈话导入课题，可以激起学生的兴趣及探究新知的欲望，调动学习积极性。（二）深入讲解，详细推导（视频00:01:26开始）恒温恒压条件下，将气-液界面与气-固界面转变为液-固界面，若各界面都为单位面积，从热力学的角度，该过程的Gibbs自由能的变化值为：lgsgslG其中,（界面张力）液固界面吉布斯自由能:sl（表面张力）固体表面吉布斯自由能:sg（表面张力）液体表面吉布斯自由能:lg2G越负，液体对固体润湿程度越好。但是上述几个表（界）面张力难于全部测定得到。需要借助其他参数得以表征。将液滴滴在固体表面，达平衡后，会存在以下两种情况，如图1所示：，图1液滴在固体表面的接触角在气、液、固三相交界点，气-液与液-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用表示，oo1800。达平衡后，水平方向上力的平衡结果为：lgslsgcos此公式为Young润湿方程。则，）（cos1lgG在0o至180o范围内，0G，均可润湿，只是润湿程度不同，接触角成为液体润湿固体程度的一种量度。为了更加清楚指示润湿程度，规定：o90，为润湿情况；o90，为不润湿情况。为了研究需要，o0，为完全润湿情况；o180，为完全不润湿情况。设计意图：通过多媒体课件展示和黑板板书推导，使学生直观地认识接触角以及由来，对公式印象深刻。（三）应用练习，巩固新知（视频00:08:38开始）介绍生产过程的实例，练习公式的应用：氧化铝件上镀银，当加热到某一温度时，银熔化为液态，已知该温度下固体氧化铝的表面张力为1.00N/m；液态银的表面张力为0.88N/m；液态银与氧化铝的界面张力为1.77N/m，请判断液态银能否润湿氧化铝表面？解答：o900875.088.077.100.1cos，，液态银不能润湿氧化铝表面。设计意图：本环节中学生通过实例练习，加强对接触角公式的认识，便于公式的掌握和知识的巩固。（四）拓展知识，开拓视野（视频00:10:57开始）随着人们对液-固界面想象的认识加深和科学研究的发展，研究人员已经能够制备接触角小于5o的和接触角大于150o的表面（滚动接触角小于10o），习惯上，分别称为超亲水和超疏水表面。尤其，超疏水表面的研究日益活跃，其中有三大课题组在该领域做出了突出贡献，分别为国内江雷院士研究小组，日本AkiraFujishima和德国的WilhelmBarthlott课题组，同学们如果感兴趣可访问他们的网站！同时，超疏水表面的设计在实现表面自清洁功能（国家大剧院的外表面设计），以及开发防水织物等方面具有较高的应用价值。设计意图：将较新的科学研究方向以及发展动态引入课堂，培养学生的创新意识，有助于调动学生学习兴趣与积极性。（五）延伸知识，举一反三（视频00:13:37开始）请同学们思考如果将接触角小于90o的水装入玻璃细管中，现象如何？提示：在实验室移取水或水溶液时，水在移液管中形成凹液面。根据接触角定义发现，小于90o的接触角决定了该液面必须为凹形，同理引导出凸液面情况。凹凸液面统称为弯曲液面，弯曲液面的形成是由于接触角决定的，弯曲液面又有哪些独特现象？这是下节课主要内容：弯曲液面现象。请同学们预习！3设计意图：引导学生主动思考，有助于激发学生发现问题的热情及参与学习的积极性。并且自然地引出下节课内容。（六）本课小结（视频00:15:13开始）本节课中以液体对固体润湿性能为学习内容，学习了用接触角来判断润湿性能，掌握气-液，气-固和液-固界面张力和接触角的关系式，并进行了实例练习。正是三种界面张力决定了接触角的大小，接触角不同反映出不同的界面现象，比如荷叶上的露珠和车窗玻璃上的雨滴，回应了课程导入部分的问题。设计意图:强调本节课重点，便于学生复习巩固，并为下节课学习奠定基础。（七）课后作业（视频00:16:05开始）课后习题16，18题16.298K，根据下列表面张力数据，计算下列情况的接触角。界面苯-水苯-气水-气汞-气汞-水汞-苯1310/mN35.028.972.7483375357（1）苯在水面上（未互溶前）（2）水在汞面上（3）苯在汞面上18.已知水-石墨系统的下述数据：298K，水的表面张力为72.71310mN，水与石墨的接触角测得为90o，求水对石墨的润湿过程吉布斯自由能变。七、教学总结结合本内容特点，教学过程中注意基本概念的讲解，突出公式的推导和结果的应用。密切联系实际，激发学生学习兴趣。