促進觀念發(fā)展的課堂教學(xué)

甘玉琴

[摘 要]? 物質(zhì)觀與能量觀是變化的兩大主題，基于進階理論，從學(xué)生已有基礎(chǔ)出發(fā)，逐步開展科學(xué)、真實的課堂教學(xué)，促進學(xué)生形成定量的能量觀，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)水平。

[關(guān)鍵詞]能量觀;學(xué)科核心素養(yǎng);焓變;熱化學(xué)方程式;蓋斯定律

一、教材分析與設(shè)計思路

“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”是蘇教版“化學(xué)反應(yīng)原理”第一章第一單元的內(nèi)容，是中學(xué)化學(xué)基本理論的重要組成部分。

現(xiàn)階段中學(xué)化學(xué)課程的三個主要階段為：初中義務(wù)教育課程，高中必修課程以及高中選擇性必修課程。對于化學(xué)反應(yīng)中熱量的認識，初中化學(xué)教學(xué)屬于啟蒙性教學(xué)，主要停留在對燃燒反應(yīng)的認識。高中化學(xué)必修階段通過放熱和吸熱反應(yīng)實驗，引導(dǎo)學(xué)生認識在化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)變化的同時，也伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，形成初步的能量觀，為選修課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。高中化學(xué)選擇性必修課程有較為完整和系統(tǒng)的化學(xué)知識體系。本單元的內(nèi)容著重引導(dǎo)學(xué)生在定量的層次上，討論化學(xué)反應(yīng)的能量變化問題，在觀念上形成定量的能量觀。

本節(jié)課以火箭燃料為線索，將知識點巧妙聯(lián)系在一起。首先，以火箭燃料引入，啟動學(xué)生既有的定性的能量觀。其次，介紹燃料加注量需要精確計算，引發(fā)定量研究熱量變化的熱情。最后，通過計算得到火箭燃料氧化的熱量值，初步構(gòu)建定量的能量觀。

二、教學(xué)設(shè)計與流程

【情景導(dǎo)入】圖片——2018年長征三號乙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射嫦娥四號探測器，2019年1月3日嫦娥四號探測器在月球背面南極—埃特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)成功軟著陸，獲取了世界第一張近距離的月背影像圖并傳回地面，是我國航天事業(yè)的又一重大成就。火箭升空，燃料必不可少，長征三號乙運載火箭的燃料為C2H8N2（偏二甲肼），它與氧化劑N2O4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱。化學(xué)反應(yīng)既有物質(zhì)變化，同時伴有能量變化，而能量變化一般表現(xiàn)為熱量變化。

設(shè)計意圖：通過對我國航空航天技術(shù)的大事件介紹，讓學(xué)生體會作為一名中國人的自豪感，激發(fā)愛國情懷。轉(zhuǎn)而過渡到火箭升空所需的燃料，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)中熱量的興趣。

【展示圖片】高一學(xué)生實驗

鎂條與稀鹽酸的反應(yīng)讓我們感覺溫暖熱烈，而氫氧化鋇和氯化銨固體間的反應(yīng)則讓我們感覺冰爽醒腦。

兩個反應(yīng)一個劇烈放熱，一個則需從環(huán)境中吸熱。

【復(fù)習(xí)總結(jié)】從熱量變化的角度，可將化學(xué)反應(yīng)分為放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)。

設(shè)計意圖：通過展示學(xué)生高一做過的實驗圖片，親切自然，快速喚醒化學(xué)儲備。

【學(xué)生活動1】回顧復(fù)習(xí)：常見的放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)分別有哪些？

【提出問題】普通的化學(xué)反應(yīng)方程式能否體現(xiàn)熱量的變化？

【回顧復(fù)習(xí)】2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）? ΔH1=-484kJ·mol-1

熱化學(xué)方程式的左側(cè)體現(xiàn)了物質(zhì)的變化，右側(cè)的ΔH涵義是什么？

【概念辨析】對比必修2和化學(xué)反應(yīng)原理教材對反應(yīng)熱概念的描述。

必修2中的描述：標(biāo)明反應(yīng)放出或吸收的熱量。

化學(xué)反應(yīng)原理中的描述：ΔH的涵義為反應(yīng)的焓變，在恒溫恒壓條件下，化學(xué)反應(yīng)過程中吸收或釋放的熱量。

設(shè)計意圖：從必修2到化學(xué)反應(yīng)原理，ΔH的概念更科學(xué)嚴謹。回歸課本，引導(dǎo)學(xué)生辨析概念，客觀認識ΔH是特定條件下化學(xué)反應(yīng)中的熱量。此處無需向?qū)W生具體交代焓變的復(fù)雜由來過程，但可以引導(dǎo)學(xué)生課后閱讀大學(xué)熱力學(xué)相關(guān)內(nèi)容，理解焓變的意義。

【學(xué)生活動2】嘗試說出下列熱化學(xué)方程式的意義。

①2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）? ΔH1=-484kJ·mol-1

②2H2（g）+O2（g）=2H2O（l） ΔH2=-571.6kJ·mol-1

③H2（g）+1/2O2（g）=H2O（l） ΔH3=-285.8kJ·mol-1

【問題1】①②兩個反應(yīng)放出的熱量不相等。為什么？物質(zhì)的狀態(tài)對反應(yīng)的熱量變化有影響，在熱化學(xué)方程式中，狀態(tài)的標(biāo)注是否有必要？

【問題2】熱化學(xué)方程式③中的化學(xué)計量數(shù)：1，1/2，1含義是什么？是否表示物質(zhì)的分子數(shù)？

【問題3】觀察方程式②③，相同的反應(yīng)，ΔH的值與化學(xué)計量數(shù)之間有何關(guān)系？

設(shè)計意圖：從鮮活的實例出發(fā)，反復(fù)引導(dǎo)學(xué)生對比觀察、發(fā)現(xiàn)，自然得到結(jié)論。

【問題4】在熱化學(xué)方程式中，ΔH的單位是kJ·mol-1，每摩爾的涵義什么？代表每摩爾物質(zhì)嗎？

設(shè)計意圖：化學(xué)教材是實施化學(xué)教學(xué)的根本，是化學(xué)知識的載體。以上教學(xué)過程以教材中三個熱化學(xué)方程式為基礎(chǔ)，提出一系列問題，層層遞進，于問題解決中，完成知識建構(gòu)。有關(guān)焓變單位的理解是教學(xué)的難點，通過具體的實例為載體來說明焓變單位中mol-1的含義，大大提高學(xué)生對mol-1含義的可理解性。

【學(xué)生活動3】熱化學(xué)方程式的書寫規(guī)則有哪些？

【學(xué)生討論】此時，學(xué)生通過以上一系列問題的解決，已對熱化學(xué)方程式有了清晰的理解，通過分組討論、相互補充，不難得到結(jié)論。

【學(xué)生活動4】完成下列熱化學(xué)方程式：

①1mol CaCO3吸收178.5kJ的熱量，完全分解生成1mol CaO和1mol CO2氣體。

②8g甲烷氣體在空氣中充分燃燒，得到CO2和液態(tài)水，放出445kJ的熱量。

③C2H8N2（偏二甲肼）和N2O4是一種雙組分火箭推進劑。已知6.0g液態(tài)偏二甲肼與足量的液態(tài)N2O4完全反應(yīng)生成N2（g）、CO2（g）、H2O（g），放出225.0kJ的熱量。

【過渡】反應(yīng)③——偏二甲肼的氧化放出大量的熱，可作為火箭的高能燃料?；鸺?，雄偉壯觀，背后是許許多多航天工作人員的智慧和辛勤勞動。僅僅是一個燃料加注的過程就需要持續(xù)數(shù)小時，同時火箭需要加注高能燃料的量，必須要經(jīng)過嚴格的計算才能確定。燃料過多將增加火箭的負載，過少則無法將嫦娥四號探測器送上預(yù)定軌道，顯然科學(xué)家必須對燃料氧化過程中的能量變化進行精確地定量研究。

設(shè)計意圖：本課以火箭燃料引入，引導(dǎo)學(xué)生從定性的角度認識化學(xué)反應(yīng)中的熱量。此時通過對火箭燃料加注量的介紹，激發(fā)學(xué)生要定量研究化學(xué)反應(yīng)過程中能量變化的興趣。問題的切入從定性轉(zhuǎn)向定量，科學(xué)思維的深度得到拓展，同時也讓學(xué)生感受到了化學(xué)的魅力。

【提出問題】化學(xué)反應(yīng)中的熱量數(shù)據(jù)是如何獲取的呢？如果你是一名化學(xué)工作者，你首先會想到用什么方法獲取數(shù)據(jù)？

【學(xué)生匯報】實驗測量

【教師補充】如甲烷的完全燃燒，在特定的裝置如熱量計內(nèi)進行，便可采集數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為熱量數(shù)值。很多物質(zhì)的燃燒反應(yīng)均可在特定裝置內(nèi)完成反應(yīng)，測量數(shù)據(jù)。

【提出問題】以下反應(yīng)的熱量數(shù)據(jù)能否通過實驗測量得到？為什么？

【學(xué)生匯報】反應(yīng)③難以通過實驗測量，因為在反應(yīng)中總會有CO2生成。

【疑問】如何獲取那些不易直接測定的反應(yīng)的反應(yīng)熱？一起沿著科學(xué)家的研究歷程來尋找答案。

【化學(xué)史介紹】18世紀拉瓦錫設(shè)計了第一臺簡易冰量熱計，并測定水的汽化熱，是熱化學(xué)的開創(chuàng)者。19世紀中，蓋斯研究測定大量反應(yīng)的熱效應(yīng)，提出著名的蓋斯定律，實現(xiàn)了通過計算來確定某些反應(yīng)的反應(yīng)熱，他是熱化學(xué)的重大貢獻者;19世紀末，貝特洛發(fā)明一種彈式量熱計，精確測定一系列有機物的燃燒熱，并且根據(jù)蓋斯定律計算出了大量難以通過實驗獲得的數(shù)據(jù)，他也是熱化學(xué)的重要貢獻者。經(jīng)過100多年的發(fā)展，時至今日，熱化學(xué)的研究已趨于成熟，形成了經(jīng)典的化學(xué)熱力學(xué)理論。

設(shè)計意圖：借助于化學(xué)史資料，熱化學(xué)沿著歷史的足跡，從遠古時期走來，歷經(jīng)多次創(chuàng)新發(fā)展，形成今日之成熟理論。在此過程中，鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家勇于創(chuàng)新、積極探索的科學(xué)精神。

【定律介紹】神奇的蓋斯定律，一種表述：一個化學(xué)反應(yīng)，不論是一步完成，還是分幾步完成，其總的熱效應(yīng)是完全相同的。另一種表述：一個化學(xué)反應(yīng)的焓變ΔH僅與反應(yīng)的起始狀態(tài)和反應(yīng)的最終狀態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無關(guān)。

【類比理解】一些生活情景可以幫助我們理解蓋斯定律。如爬山，從山腳到山峰，從A到B，無論選擇哪種方式，其勢能變化總是相同的，與具體的途徑無關(guān)（如圖1所示）。

【模型理解】從A到B，有三條途徑，熱量變化各是多少？數(shù)值大小關(guān)系如何？（如圖2所示）

【總結(jié)】從A到B，不同途徑， 焓變值相等——異途同歸，值變相等。

設(shè)計意圖：從途徑角度、能量守恒角度分析論證蓋斯定律，培養(yǎng)證據(jù)推理和模型認知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

【學(xué)生活動5】應(yīng)用蓋斯定律，設(shè)計合理途徑，計算反應(yīng)③的焓變。

【提出問題】ΔH1、ΔH2、ΔH3之間等量關(guān)系如何？方程式之間加和關(guān)系如何？

【總結(jié)規(guī)律】若一個反應(yīng)的化學(xué)方程式可由另外幾個反應(yīng)的化學(xué)方程式相加減而得到，則該反應(yīng)的焓變亦可以由這幾個反應(yīng)的焓變相加減而得到。

【知識應(yīng)用】C2H8N2（偏二甲肼）和N2O4是長征三號乙運載火箭推進劑。

若不用實驗測量的方法，利用上述有關(guān)數(shù)據(jù)，書寫液態(tài)C2H8N2（偏二甲肼）與足量的液態(tài)N2O4，生成N2（g）、CO2（g）、H2O（g）的熱化學(xué)方程式。

【分析總結(jié)】該反應(yīng)熱量值的獲得具有重要意義，為后續(xù)科學(xué)應(yīng)用提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

設(shè)計意圖：本課以火箭燃料引入，之后通過對火箭燃料加注量的介紹，激發(fā)學(xué)生定量的研究興趣，最后利用蓋斯定律計算火箭燃料氧化產(chǎn)生的熱量。利用熱化學(xué)方程式，可以有效準(zhǔn)確地預(yù)算一些反應(yīng)的熱效應(yīng)，可以更科學(xué)合理地利用資源。這樣來認識熱化學(xué)方程式，真正回歸到化學(xué)學(xué)科的本來面目，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思想和學(xué)科能力。

【課堂總結(jié)】本節(jié)課我們沿著必修2的腳步客觀認識了化學(xué)反應(yīng)中的熱量，借助于熱化學(xué)方程式進行了準(zhǔn)確描述，并嘗試應(yīng)用蓋斯定律定量計算熱量。化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，很多反應(yīng)的ΔH值一定是通過實驗獲取，這部分內(nèi)容下節(jié)課再做討論，最重要的是這些定量數(shù)據(jù)可以對科學(xué)研究、生產(chǎn)生活進行重要指導(dǎo)。

三、教學(xué)反思

本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容是基于蘇教版化學(xué)反應(yīng)原理專題1第一單元的第一課時內(nèi)容進行設(shè)計的。

學(xué)生在必修課程中已經(jīng)知道化學(xué)反應(yīng)過程中存在熱效應(yīng)，了解熱化學(xué)方程式可以描述熱量變化，但對于熱化學(xué)方程式的書寫要點并未過多涉及。此外，學(xué)生已經(jīng)知道常見的放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)，但不知道如何測量和計算反應(yīng)熱。本課基于從學(xué)生已有的知識出發(fā)，首先介紹了熱化學(xué)方程式的涵義及書寫要點。熱化學(xué)方程式的真正意義何在？表觀上它只是表征反應(yīng)過程中能量變化的方程式，實質(zhì)上反應(yīng)熱才是真正值得關(guān)注的焦點。化學(xué)變化永遠與能量相伴，沒有能量的核算，化學(xué)的價值將黯然失色。要獲得能量的數(shù)據(jù)，實驗測量和定量計算是兩架馬車，接著本課重點介紹了利用蓋斯定律進行計算，由于課堂時間有限，通過實驗測量這一重要手段獲取反應(yīng)熱未能涉及。從必修到選修，學(xué)生的能量觀從定性轉(zhuǎn)向定量，逐步形成定量的能量觀。待學(xué)習(xí)完反應(yīng)熱的測量后，相信學(xué)生會形成較完整的定量能量觀。本課試圖科學(xué)、真實地進行“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”教學(xué)，嚴謹妥善地處理關(guān)鍵細節(jié)，系統(tǒng)完整地構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，未達成之處，有賴于后續(xù)的學(xué)習(xí)。

[參 考 文 獻]

[1]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書：化學(xué)2：必修[M].6版.南京：江蘇鳳凰教育出版社，2015.

[2]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書：化學(xué)反應(yīng)原理：選修[M].5版.南京：江蘇鳳凰教育出版社，2014.

[3]俞秀慧，李醒亞，賀錫蘅，等.標(biāo)準(zhǔn)絕熱型彈式熱量計及高純甲烷熱值的測定[J].計量學(xué)報，1988（2）.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）