“素養(yǎng)為本”指導(dǎo)下的高三化學(xué)復(fù)習(xí)策略
—— 以“合成氨工業(yè)”為例

黃瓊玉

(江蘇省張家港市沙洲中學(xué) 215600)

一、問題的提出

2016年，教育部考試中心權(quán)威發(fā)布“一體四層四翼”，從頂層設(shè)計(jì)上回答了高考“為什么考”“考什么”“怎么考”，其中對“學(xué)科素養(yǎng)”考查要求是：學(xué)生能夠在不同情境下綜合利用所學(xué)知識和技能處理復(fù)雜任務(wù)，具有扎實(shí)的學(xué)科觀念和寬闊的學(xué)科視野，并體現(xiàn)出自身的實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神等內(nèi)化的綜合學(xué)科素養(yǎng).《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提到：高中化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)反映了社會主義核心價(jià)值觀下化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了化學(xué)課程學(xué)習(xí)對學(xué)生未來發(fā)展的重要價(jià)值.新高考、新課程標(biāo)準(zhǔn)都推動了廣大化學(xué)教師要在“素養(yǎng)為本”的視域下進(jìn)行化學(xué)教學(xué).

傳統(tǒng)的高三化學(xué)的復(fù)習(xí)教學(xué)注重知識點(diǎn)的反復(fù)梳理，雖然也有方法歸納和遷移應(yīng)用，但少了新意和生趣，不能很好地激發(fā)學(xué)生的求知欲望，以致于在有限的復(fù)習(xí)時(shí)間里沒有達(dá)到最好的復(fù)習(xí)效果.如何在化學(xué)核心素養(yǎng)要求下使高三復(fù)習(xí)課綻放精彩，值得每位高三化學(xué)教師思考與研究.

二、教學(xué)案例的選擇

筆者在多年的高三教學(xué)中關(guān)注到與化工工業(yè)相關(guān)的知識一直是考試的熱點(diǎn)，也是高三復(fù)習(xí)的重點(diǎn)，在實(shí)際教學(xué)中，通過各種嘗試，發(fā)現(xiàn)如果在化學(xué)核心素養(yǎng)指導(dǎo)下，將元素化合物知識結(jié)合化工生產(chǎn)，滲透物質(zhì)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)原理等知識，形成主題式復(fù)習(xí)模式，可以激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，讓課堂更鮮活更有激情.下面筆者以“合成氨工業(yè)”為例，談?wù)劇八仞B(yǎng)為本”指導(dǎo)下的高三化學(xué)復(fù)習(xí)策略.

三、教學(xué)過程的實(shí)施

環(huán)節(jié)一:合成氨工業(yè)的原理

【創(chuàng)設(shè)情境】播放錄像：化學(xué)史—— 諾貝爾化學(xué)獎三次握手合成氨工業(yè)，介紹哈伯、博施、埃特爾的事跡.

【學(xué)生活動】

1. 寫出哈伯的合成氨工業(yè)的原理.

2.該反應(yīng)過程中的能量變化如圖1所示.已知H—H鍵、N—H鍵、N≡N鍵鍵能分別為436、391、946 kJmol-1，請寫出其熱化學(xué)方程式____.

3.在25℃時(shí)該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為5×108，可為什么常溫下氮?dú)?、氫氣不能合成氨?/p>

【設(shè)計(jì)意圖】體現(xiàn)了“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng).通過化學(xué)方程式的書寫，認(rèn)識元素從游離態(tài)到化合態(tài)的轉(zhuǎn)化，形成“元素觀”，以此建立起一種工業(yè)合成新物質(zhì)的認(rèn)識框架.通過化學(xué)反應(yīng)能量圖的分析，能從“化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是舊化學(xué)鍵的斷裂，同時(shí)新化學(xué)鍵的形成”這一微觀層面來認(rèn)識宏觀的能量變化，并對物質(zhì)及其變化進(jìn)行分類和表征.

環(huán)節(jié)二：合成氨工業(yè)條件的選擇

【創(chuàng)設(shè)情境】合成氨工藝條件的成熟經(jīng)歷了很多艱辛的研究過程，凝聚了很多科學(xué)家的心血，他們通過大量實(shí)驗(yàn)來提煉資料，得到結(jié)論.

表1

研究者壓強(qiáng)/atm溫度/℃催化劑平衡混合氣中NH3所占的體積分?jǐn)?shù))能斯特50685鉑粉、錳粉等0.96%哈伯150～250550鋨或鈾8.25%

【學(xué)生活動】

1. 結(jié)合圖2、圖3和表1的信息，從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)平衡的角度來選擇合成氨工業(yè)的條件.

2. 在密閉容器內(nèi)的反應(yīng)：

(1)若初始投入:N21mol、H23mol，則N2和H2的平衡濃度比是____.

(2)平衡時(shí)，等容容器中充入惰性氣體，平衡將____移動.

(3)平衡時(shí)，將3種物質(zhì)的濃度同時(shí)增大1倍，平衡將____移動.

①氫氣的消耗速率與氨的生成速率為3∶2；

②N2、H2、NH3的分子數(shù)目比為1∶3∶2；

③N2、H2、NH3的濃度保持不變；

④混合氣體的總壓強(qiáng)不再改變.

【設(shè)計(jì)意圖】體現(xiàn)了“變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng).通過圖像和數(shù)據(jù)分析來概括合成氨工業(yè)的條件，認(rèn)識反應(yīng)條件對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響，學(xué)會運(yùn)用變量控制的方法研究化學(xué)反應(yīng)；根據(jù)稀有氣體對該反應(yīng)的影響以及平衡標(biāo)志的判斷來理解化學(xué)反應(yīng)中量變和質(zhì)變的關(guān)系，學(xué)會運(yùn)用對立統(tǒng)一思想和定性定量的方式揭示化學(xué)變化的規(guī)律，并運(yùn)用于生產(chǎn)、生活實(shí)際中去.

環(huán)節(jié)三：合成氨化學(xué)平衡中的等效思想

容器起始時(shí)物質(zhì)的量/moln(N2)n(H2)n(NH3)NH3的平衡濃度/mol·L-1反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率平衡體系壓強(qiáng)/Pa反應(yīng)的能量變化Ⅰ130c1α1p1放出a kJ熱量Ⅱ002c2α2p2吸收b kJ熱量Ⅲ004c3α3p3吸收c kJ熱量

【學(xué)生活動】構(gòu)造解題模型(如圖4所示).一般先建立等效平衡(將恒容容器先變?yōu)楹銐喝萜?，再確定反應(yīng)過程中體積的變化，然后將體積復(fù)原，確定平衡移動的方向，分析平衡移動引起的量的變化.

圖4

【設(shè)計(jì)意圖】體現(xiàn)了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng).面對復(fù)雜的等效平衡問題，幫助學(xué)生對情境中的關(guān)鍵要素(“一邊倒”后是否相同或成比例、等溫等壓、等溫等容、絕熱容器)進(jìn)行分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型.這是一種極其重要的思想方法，其一般步驟是：分析抽象問題→構(gòu)建化學(xué)模型→建立化學(xué)關(guān)系→回歸解決問題.

環(huán)節(jié)四：合成氨工業(yè)的發(fā)展

【創(chuàng)設(shè)情境】合成氨工業(yè)關(guān)系到全人類的生存和發(fā)展，常溫常壓下合成氨的探索一直是科學(xué)家研究的熱點(diǎn).下面圖5是2001年兩位希臘化學(xué)家提出了采用高質(zhì)子導(dǎo)電性的SCY陶瓷(能傳遞H+)為介質(zhì)電解合成氨的方法.圖6是化學(xué)模擬生物固氮新的功能分子模型，實(shí)現(xiàn)了在雙鐵中心上，氮烯(NxHy)還原轉(zhuǎn)化成氨氣.圖7是大連化物所在合成氨反應(yīng)機(jī)理中對復(fù)合催化劑的部分研究結(jié)果.

【學(xué)生活動】

1. 由圖5寫出電極反應(yīng)式.

2. 由圖6選擇催化性能較好的催化劑.

3. 由圖7寫出生成NH3的化學(xué)方程式.

4. 請從原料氣的來源、凈化，催化劑的選擇，節(jié)能減排等方面談?wù)勀銓铣砂惫I(yè)未來發(fā)展的設(shè)想.

【設(shè)計(jì)意圖】體現(xiàn)了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng).科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，而只有創(chuàng)新才能推動科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步.這一環(huán)節(jié)通過對合成氨工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展歷史的學(xué)習(xí)和討論，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，讓學(xué)生能根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)際需要提出綜合性探究方案，善于合作，勇于創(chuàng)新.

環(huán)節(jié)五：合成氨工業(yè)與綠色化學(xué)

【創(chuàng)設(shè)情境】全世界每年約有15%的氨用于非化肥領(lǐng)域，如氨是固定裝置排放NOx的還原劑.利用NH3催化還原氮氧化物(SCR技術(shù))是目前應(yīng)用廣泛的煙氣脫硝技術(shù).

【學(xué)生活動】

1.寫出SCR技術(shù)核心反應(yīng)

的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式K=____.

若K隨溫度T的升高而減小，則該反應(yīng)的ΔH____0.(填“>”、“<”或“=”).

2.如圖8所示，在有氧及Ag2O催化下，還會發(fā)生：

ΔH=-1627.2 kJ·mol-1

試分析當(dāng)溫度為550～700℃，NO轉(zhuǎn)化率下降、NO2產(chǎn)率上升的可能原因____.

【設(shè)計(jì)意圖】體現(xiàn)“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的核心素養(yǎng).通過了解合成氨的產(chǎn)品氨氣能參與含氮污水的處理，樹立“綠色化學(xué)”理念.解決社會熱點(diǎn)問題，逐步形成節(jié)約成本、循環(huán)利用、保護(hù)環(huán)境等觀念.

四、教學(xué)反思

本節(jié)課依托“合成氨工業(yè)”進(jìn)行主題式復(fù)習(xí)，從諾貝爾化學(xué)獎到合成氨工藝的條件及平衡狀態(tài)，再挖掘發(fā)展前景及參與綠色化學(xué)等，將元素化合物知識、化學(xué)反應(yīng)與能量變化、等效平衡、電化學(xué)等知識串聯(lián)起來，打破了原有知識的孤立性和零散性，拓展了復(fù)習(xí)的廣度和深度，不僅提高了學(xué)生綜合解決問題的能力，還樹立了學(xué)生的社會責(zé)任意識.這樣的高三復(fù)習(xí)課既迎合了高考“一體四層四翼”的高層要求，又體現(xiàn)了五大化學(xué)核心素養(yǎng)，真正讓化學(xué)課堂成為落實(shí)立德樹人根本任務(wù)、發(fā)展素質(zhì)教育、弘揚(yáng)科學(xué)精神、提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體.這種“素養(yǎng)為本”的主題式高三復(fù)習(xí)課，要求教師在課前花費(fèi)大量的時(shí)間去思考如何最大限度地將各知識點(diǎn)結(jié)成一張立體的大網(wǎng)，再創(chuàng)設(shè)情境，構(gòu)思問題，設(shè)計(jì)成一堂不斷迸發(fā)思維火花的課堂.筆者相信，在高考“一體四層四翼”和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的正確指導(dǎo)下，通過廣大化學(xué)教師不懈的努力，肯定能讓原本枯燥的高三化學(xué)復(fù)習(xí)課大放異彩！