運用宏微結(jié)合解決社會性科學(xué)議題

韓曉 王朝暉 江合佩

摘? ?要：以含硫物質(zhì)對霧霾的形成影響這一社會性科學(xué)議題為切入點，從宏微結(jié)合的角度分析霧霾形成的原因，將內(nèi)容分為3個環(huán)節(jié)“認識議題，探究成分”“宏微結(jié)合，探究機理”以及“模塊融合，揭示機理”，發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)以及科學(xué)推理的關(guān)鍵能力，通過微觀機理的探究為霧霾的形成提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：霧霾；社會性科學(xué)議題；機理；宏微結(jié)合

1? 教學(xué)主題

社會性科學(xué)議題指與科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的，具有社會性和復(fù)雜性的問題，如氣候變化、環(huán)境污染等問題。

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）中要求能較深刻地理解化學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境之間的相互關(guān)系，在必修課程的主題2“常見的無機物及其應(yīng)用”的學(xué)業(yè)要求中，要求學(xué)生能有意識運用所學(xué)的知識或?qū)で笙嚓P(guān)證據(jù)與社會性議題的討論，如酸雨和霧霾的防治，體現(xiàn)了高中化學(xué)教學(xué)中實施社會性科學(xué)議題教學(xué)的重要性^{[ 1 ]}。

“探究含硫物質(zhì)對霧霾形成的影響”這一社會性科學(xué)議題聚焦環(huán)境污染問題，將社會性科學(xué)議題轉(zhuǎn)化為學(xué)生學(xué)習(xí)的化學(xué)問題，在問題解決的過程中運用化學(xué)學(xué)科的必備知識，利用化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)概念和基本原理來解決問題^{[ 2 ]}。本節(jié)課設(shè)置了“認識議題，探究成分”“宏微結(jié)合，探究機理”“模塊融合，揭示機理”三個環(huán)節(jié)，運用宏微結(jié)合的思想，探究霧霾形成的機理和本質(zhì)，將催化劑的表面催化反應(yīng)機理和質(zhì)子轉(zhuǎn)移等微觀機理融入其中，促進學(xué)生宏觀辨識與微觀探析，科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2? 教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)流程

根據(jù)課標(biāo)中相關(guān)的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，制定教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）能根據(jù)提供的相關(guān)信息，分析霧霾的成因和霧霾的主要成分，能運用化學(xué)知識參與討論霧霾形成這一社會性科學(xué)議題。

（2）能從微觀層面分析反應(yīng)過程中含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化路徑，能運用化學(xué)符號描述反應(yīng)機理，能根據(jù)微粒的結(jié)構(gòu)，微粒間作用力解釋物質(zhì)具有相關(guān)性質(zhì)的原因。

（3）能從SO₂、SO₃和甲醇等參與霧霾形成的機理討論和探究中，認識化學(xué)可持續(xù)發(fā)展的重要意義，發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。

教學(xué)設(shè)計思路如圖1所示，教學(xué)流程圖如圖2所示。

3? 教學(xué)過程

3.1? 認識議題 探究成分

【引入課題】? 霧霾危害人們的身體健康，霧霾影響了人們的生產(chǎn)和生活。分析霧和霾的區(qū)別，以及產(chǎn)生霧和霾的原因。學(xué)生思考得出霧霾是霧和霾的混合物，都是分散系，分散劑為空氣，分散質(zhì)不同。霧的分散質(zhì)是微小的水滴，霾的分散質(zhì)是懸浮在空氣層中微小的煙粒或者粉塵。

【資料】大氣顆粒物污染除在生產(chǎn)生活中造成的一次顆粒物污染外，還包括一定溫度和濕度下經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次氣溶膠污染。我國霧霾的成因，如圖3所示；我國某地不同時間段霧霾顆粒物的來源，如圖4所示；某地清潔天和霧霾天兩種天氣條件下顆粒物的特征成分，如表1所示。

表1中的百分比指含有該特征成分的顆粒物占所有顆粒物的百分比，加和并不是100%。

教師根據(jù)上述資料提出以下問題：

（1）分析某地清潔天和霧霾天的主要污染物是什么？霧霾天哪些污染物增多？這次污染由什么造成？霧霾成因是什么因素？

（2）分析清潔天和霧霾天哪些離子占比大，屬于什么污染物？形成的原因是什么？

（3）大氣污染物SO₂、NO_x的來源主要是什么？

學(xué)生通過小組討論和思考交流，分析匯報，推理判斷出該地污染主要由汽車尾氣排放所致，是霧霾成因中的人文地理因素。在清潔天，Na⁺，Cl^-的濃占比較大；霧霾天，NH4+、NO₃^-的濃占比較大。NH₄⁺、NO₃^-和SO₄^2-是一次大氣污染物NH₃，SO₂，NO_x的二次轉(zhuǎn)化，大氣中的SO₂來自火山爆發(fā)產(chǎn)生的硫化物以及含硫礦物的燃燒，NO_x主要來自化石燃料的燃燒，特別是機動車的尾氣排放。

【設(shè)計意圖】? 以霧霾的概念為切入口， 讓學(xué)生分析某地霧霾的成因以及大氣中SO₂對霧霾形成的影響，激發(fā)學(xué)生參與社會性議題討論的興趣，通過圖形數(shù)據(jù)和表格數(shù)據(jù)分析，讓學(xué)生體會人類活動對霧霾成因的較大影響，引出核心任務(wù)。

3.2? 宏微結(jié)合 探究機理

【資料】 礦質(zhì)顆粒物是大氣氣溶膠的主要成分，它參與了SO₂的遷移轉(zhuǎn)化，在硫酸鹽氣溶膠的形成過程中起了關(guān)鍵性的作用。具有光催化活性的TiO₂能夠利用太陽光催化氧化大氣中的SO₂，其反應(yīng)機理如圖5所示。

教師指導(dǎo)學(xué)生分析 SO₂在TiO₂表面非均相光化學(xué)反應(yīng)機理，分析得出在太陽光的照射下，TiO₂受到光激發(fā)產(chǎn)生光生空穴（h⁺）和光生電子（e^-），光生空穴（h⁺）帶正電，缺電子，具有強氧化性，并通過書寫水蒸氣產(chǎn)生羥基自由基（·OH）的反應(yīng)式（h⁺+ H2O → ·OH + H⁺），分析羥基自由基具有強氧化性的原因。

根據(jù)反應(yīng)機理的示意圖，教師提問：

（1）SO₂在TiO₂顆粒物表面最終形成的物質(zhì)是什么？

（2）形成該物質(zhì)有幾種途徑？

學(xué)生通過分析討論，得出SO₂在TiO₂顆粒物表面最終形成SO42-，有兩種途徑，一種為光生電子（e^-）被大氣中的氧氣分子捕獲產(chǎn)生氧自由基（·O），·O同大氣中的SO₂反應(yīng)生成SO42-；另一種為光生空穴氧化水蒸氣產(chǎn)生的羥基自由基（·OH）同SO₂結(jié)合生成HSO₃^-，HSO₃^-同·O反應(yīng)再轉(zhuǎn)化為SO₄^2-。

教師歸納總結(jié)，硫酸鹽氣溶膠在TiO₂顆粒物表面的形成主要是非均相反應(yīng)，SO₂在TiO₂催化作用下發(fā)生吸附、遷移和轉(zhuǎn)化等物理化學(xué)反應(yīng)。因為TiO₂有光化學(xué)活性，晝夜都會對大氣中硫酸鹽氣溶膠的形成產(chǎn)生影響。

【資料】? SO₂在MgO等礦質(zhì)顆粒物表面的非均相反應(yīng)受光照影響較小，主要暗反應(yīng)條件下吸附SO₂。研究表明大氣中的NO₂會促進MgO表面對SO₂的非均相反應(yīng)，如圖6和圖7所示。

教師提出問題：

（1）物質(zhì)a為一種雙原子氣體分子，a是什么？

（2）物質(zhì)b為一種離子，b是什么？圖7中，NO₂的吸附反應(yīng)位點是什么物質(zhì)？

（3）高濃度體系中SO₂和NO₂濃度分別為572.0 mg·m^-3和410.7 mg·m^-3，低濃度體系中SO₂和NO₂濃度為分別2.90 mg·m^-3和0.41 mg·m³，圖6和圖7所示的機理中采用什么濃度體系，原因是什么？

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下根據(jù)圖6和圖7分析NO₂和SO₂在MgO顆粒表面協(xié)同反應(yīng)的兩種機理，得出物質(zhì)a為NO，b為NO₂，NO₂的吸附反應(yīng)位點是SO₃^2-。圖6采用高濃度體系，圖7采用低濃度體系，因為NO₂氣體容易雙聚成N2O4，濃度越高，聚合的程度越大，圖6的機理中NO₂首先經(jīng)過階段1和階段 2雙聚成N2O4，再與SO₂反應(yīng)，而圖7的機理中NO₂直接與SO₂反應(yīng)。

【設(shè)計意圖】本環(huán)節(jié)分析SO₂在不同光學(xué)活性的顆粒物表面的反應(yīng)機理，從宏觀的霧霾形成現(xiàn)象，深入到微觀機理中，探討SO₂參與形成霧霾的本質(zhì)，提升學(xué)生科學(xué)推理論證、信息有效辨識等能力。

3.3? 模塊融合 探秘機理

【資料】 SO₃能與水結(jié)合形成硫酸，是形成酸雨和大氣氣溶膠的重要物質(zhì)。由植物、生物燃燒和工業(yè)排放釋放的甲醇在某些地區(qū)的對流層中含量很高，研究大氣污染物SO₃與甲醇或水之間的反應(yīng)，有利于揭示霧霾的形成原因。

教師指導(dǎo)學(xué)生研究反應(yīng)CH₃OH+ SO₃=CH₃OSO₃H 在無水和有水條件下的反應(yīng)歷程，如圖8所示^{[ 3 ]}。其中分子間作用力用“…”表示，分析a、b或c分子間靜電作用力的強弱以及水在反應(yīng)過程中的作用。

學(xué)生通過交流和小組討論得出相關(guān)結(jié)論，有水存在時的反應(yīng)歷程中，甲醇、H₂O、SO₃三者間通過靜電作用，使得相對能量改變， SO₃中S帶正電荷，甲醇中的O帶負電荷，靜電作用力強，使得能量降低最多，因此靜電作用力最強。無水存在時甲醇和SO₃反應(yīng)生成硫酸氫甲酯的最高能壘為20.93 eV；有水存在時，從d到f轉(zhuǎn)化中，最高能壘為6.62 eV，證明了水的催化作用，降低了反應(yīng)的能壘。

學(xué)生分析得出d到f轉(zhuǎn)化過程實質(zhì)為質(zhì)子的轉(zhuǎn)移，有水存在的反應(yīng)歷程中，從d到f的轉(zhuǎn)化中，斷開SO₃中的硫氧鍵，H₂O中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到SO₃中的O上，形成O-H鍵，甲醇中的O-H鍵斷裂，將質(zhì)子轉(zhuǎn)移給H₂O，H₂O作為催化劑參與了反應(yīng)，降低了反應(yīng)能壘，因此該過程中斷裂了甲醇中的氫氧鍵、水中的氫氧鍵和三氧化硫中的硫氧鍵。

【設(shè)計意圖】? SO₃既能通過人類活動直接釋放到大氣中，又能通過二氧化硫的氧化得到，在甲醇和水的作用下，更容易轉(zhuǎn)化為硫酸鹽。本環(huán)節(jié)從物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其微觀機理角度分析加入催化劑對化學(xué)反應(yīng)歷程的改變，從微觀研究落地于宏觀觀測中，再反向推演出合理的大氣污染物模型，為提供了理論支撐，也為制定有效的霧霾控制策略提供了理論依據(jù)。

4? 教學(xué)反思

圍繞含硫物質(zhì)對霧霾的形成影響這一社會性科學(xué)議題，讓學(xué)生體會含硫化合物SO₂和SO₃等物質(zhì)排放到大氣中對霧霾形成的影響，以及霧霾對氣候和人類健康的影響。讓學(xué)生參與討論霧霾形成的原因，分析霧霾的主要成分，理解化學(xué)與環(huán)境的關(guān)系。

通過SO₂和SO₃在微觀過程中的機理探究，讓學(xué)生在真實的社會性科學(xué)議題的情境中分析問題，不斷地思考和交流，從霧霾形成的宏觀原因推演出微觀機理，培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合的能力，讓物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)原理的知識有效融合。

通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移在SO₃和甲醇作用下對霧霾形成的作用的機理探析，讓學(xué)生掌握化學(xué)學(xué)科知識的同時，增強學(xué)生對化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的理解。學(xué)生在陌生的情境中應(yīng)用已有化學(xué)知識分析問題，在和同伴不斷地討論和分析中，學(xué)生的認知角度發(fā)生了改變，推動了學(xué)生科學(xué)論證與推理等關(guān)鍵能力的落地。

通過含硫物質(zhì)參與霧霾形成的機理討論和探究，認識化學(xué)對可持續(xù)發(fā)展的重要意義，發(fā)展學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（ 2017 年版 2020 年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2022.

［2］ 江合佩，劉炯明，張賢金.“發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”項目式教學(xué)設(shè)計與實施：以“碳氮偶聯(lián)合成尿素研究”為例[J].化學(xué)教學(xué)，2021（6）： 42-48.

［3］ Ling Liu et al.Unexpected quenching effect on new particle formation from the atmospheric reaction of methanol with SO₃[J].PNAS，2020（1）：1-6.