基于真實情境的教學設計

“化學反應的方向”中涉及的焓變、熵變和自由能變是比較抽象的內(nèi)容，本文從情境導學、任務促學、實驗助學和評價診學四個方面引導學生開展學習，將枯燥的化學理論與生活實際、課堂實驗和數(shù)學圖像相互結(jié)合，讓課堂變得生動有趣。

一、課標解讀

1．內(nèi)容要求

了解反應能否自發(fā)進行的判據(jù)——焓變和熵變判據(jù)，能用焓變和熵變說明化學反應進行的方向。

2．目標要求

（1）通過實驗了解放熱反應的自發(fā)性，導出焓的概念，學會用焓判據(jù)判斷反應進行的方向。

（2）通過實驗和情境演示“有序”和“無序”狀態(tài)，導出熵的概念，學會用熵判據(jù)判斷反應進行的方向。

（3）能通過生產(chǎn)生活中的實例，學會綜合利用焓變和熵變的大小來判斷反應進行的方向。

二、教材分析

教材在安排了化學反應中的能量變化、反應速率和限度相關(guān)知識之后，再出現(xiàn)化學反應進行的方向，是對化學熱力學的一次綜合的認知提升，內(nèi)容安排符合由易到難的認知規(guī)律。教材以日常生活中的現(xiàn)象誘導學生得出焓變和熵變的大小概念，且通過一些簡單應用來闡釋這些概念，讓學生認識到單一判據(jù)的局限性，由此引入自由能變判據(jù)。

三、學情分析

通過前面的學習，學生已經(jīng)初步認識了化學反應經(jīng)常由高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)變，掌握了常見的放、吸熱反應的類型，知道了化學反應伴隨著能量變化，同時，能夠理解生活中相應的“有序”狀態(tài)和“無序”狀態(tài)，但對熵這一概念的理解有一定的困難。學生對反應方向的理解比較模糊，對化學反應進行的方向的綜合判據(jù)相關(guān)知識比較缺乏。

四、教學目標

1.了解自發(fā)過程和自發(fā)反應。

2.通過實驗探究和經(jīng)驗對比，認識焓變、熵變與自發(fā)性的關(guān)系。

3.通過自由能對焓、熵判據(jù)進行整合統(tǒng)一，培養(yǎng)學生證據(jù)推理和模型構(gòu)建的能力。

五、教學重難點

教學重點：焓、熵和自由能判據(jù)。

教學難點：熵、焓變與化學反應方向的關(guān)系。

六、教學方法

1.情境導學：列舉生活中反應進行的方向案例及課堂實驗，激發(fā)學生的興趣。

2.任務促學：（1）創(chuàng)設情境，認識自發(fā)過程和自發(fā)反應。

（2）利用實驗和經(jīng)驗的對比探究焓和焓判據(jù)，認識到放熱反應的自發(fā)性。

（3）改進實驗初步認識熵和熵判據(jù)，認識熵增、熵減過程的自發(fā)性。

（4）自由能判據(jù)的歸納總結(jié)，促進學生形成對反應進行方向的統(tǒng)一化認知。

3.評價診學：通過課堂環(huán)節(jié)中的師生評價、生生評價以及課堂練習檢測等來診斷學生對知識的掌握情況。

4.實驗助學：結(jié)合改進實驗Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應，引導學生從“宏觀、微觀、符號”的角度學習反應進行方向。

七、教學思路（見表1）

八、教學過程

環(huán)節(jié)一：情境認知自發(fā)過程和自發(fā)反應

教師活動：引入——觀察生活中的現(xiàn)象：高山流水、冰雪融化。

提問：這些現(xiàn)象需要外力推動嗎？

學生活動：觀察回答。

教師總結(jié)：在一定條件下，不借助外力而自動進行的過程稱之為自發(fā)過程；需要借助外力才能進行的過程稱之為非自發(fā)過程。比如高山流水是自發(fā)過程，而把水從低處抽到高處則需要外力做功，則是非自發(fā)過程。

教師提問：有沒有自發(fā)進行的化學反應？舉幾個例子。

播放實驗視頻：Na和水的反應。

教師總結(jié)：一定條件下，能自發(fā)進行的化學反應就是自發(fā)反應。

環(huán)節(jié)二：對比探究總結(jié)焓判據(jù)

教師提問：從能量變化角度看，反應前后發(fā)生了什么變化？

對比：下列反應都是自發(fā)進行的反應，有哪些共同點？

2Na（s）+Cl2（g）===2NaCl（s）

4Fe（s）+3O2（g）===2Fe2O3（s）

H2（g）+F2（g）===2HF（g）

學生回答：上述反應都是劇烈的發(fā)光發(fā)熱的化學反應，在一定的條件下都能自發(fā)反應。

學生活動：分組實驗Mg和稀鹽酸反應。

學生描述：當鎂條和鹽酸接觸時，鎂條表面產(chǎn)生氣泡，試管外壁發(fā)熱。

學生得出結(jié)論：上述反應能自發(fā)進行，且自發(fā)反應大多為放熱反應。

教師總結(jié)：從能量的角度看，反應物的總能量高于生成物的總能量，在反應過程中體系的能量降低了，因此具有自發(fā)進行的傾向。針對這類反應，科學家提出了用焓值的變化來判斷反應進行的方向，即焓判據(jù)。

教師講解焓的相關(guān)知識：

（1）焓可以衡量物質(zhì)所具有的能量。符號：H，單位：kJ·mol-1。

（2）化學反應前后能量的變化可以表示為焓變，符號ΔH。ΔH<0：放熱反應；ΔH>0：吸熱反應。

（3）焓判據(jù)：體系趨向于從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)（這時體系會對外做功或者釋放熱量，即ΔH<0）。

環(huán)節(jié)三：實驗探究總結(jié)熵判據(jù)

教師引導：是不是所有自發(fā)進行的化學反應都是放熱的？請舉例說明。

學生回答：生活中常見的化學反應基本都是放熱的，吸熱反應似乎沒見過，在必修二課本上出現(xiàn)過Ba（OH）2·8H2O固體和NH4Cl固體的吸熱反應，但是現(xiàn)象并不明顯。

改進課本實驗：事先用一個保鮮袋，兩角分別裝入Ba（OH）2·8H2O固體和NH4Cl固體，打結(jié)。課上，把兩部分固體混合，隔著保鮮袋用手揉搓固體，感受溫度變化。反應一段時間后，打開保鮮袋，觀察混合物狀態(tài)，聞氣味。

學生活動：分組實驗。

教師提問：該反應的實驗現(xiàn)象有哪些？

學生回答：固體混合后，保鮮袋外部有水珠，手感冰冷。內(nèi)部是糊狀物，有刺激性氣味氣體生成。

學生練習：請根據(jù)實驗現(xiàn)象寫出該反應的方程式

Ba（OH）2·8H2O（s）+2NH4Cl（s）=== BaCl2（s）+10H2O（l）+2NH3（g）

教師總結(jié)：實驗說明，八水合氫氧化鋇和氯化銨的反應能夠自發(fā)進行，但它卻是吸熱的。這樣的反應還有很多，比如：

（1）2N2O5（g）=== 4NO2（g）+O2（g）

（2）（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）+NH3（g）

教師引導：這些都是自發(fā)進行的反應，但全部都是吸熱反應。按照剛才所言的焓判據(jù)，這些吸熱反應是不容易自發(fā)進行的，但它們卻發(fā)生了，說明反應是否自發(fā)，除了焓的影響外，還有其他因素。那是什么呢？

播放情境：（1）散落的粉筆；（2）散落的撲克牌，并由此引出熵判據(jù)。

教師講解：熵判據(jù)。

（1）熵是用來衡量體系（物質(zhì)）無序程度的物理量。熵值越大，體系的混亂度越大。

符號：S，單位：J·mol-1·K-1。

（2）影響熵大小的因素。

①同一條件，不同物質(zhì)的熵值不同。

②熵值與物質(zhì)的存在形態(tài)有關(guān)，一般而言：S（g）>S（l）>S（s）。

③氣體物質(zhì)的量越大，分子數(shù)越多，熵值越大。

（3）反應前后體系熵的變化稱為熵變，ΔS。

①ΔS>0，熵增，在一定條件下可以自發(fā)進行。

②ΔS<0，熵減，在一定條件下不可以自發(fā)進行。

教師總結(jié)：一般而言，氣體分子數(shù)增大的反應為熵增大（ΔS>0）的反應。

環(huán)節(jié)四：綜合總結(jié)自由能判據(jù)

引導過渡：經(jīng)過漫長的探究后，吉布斯·亥姆霍茲提出了體系自由能變，詮釋了反應能否自發(fā)與焓變和熵變的關(guān)系。

教師講解：吉布斯自由能判據(jù)。

（1）ΔG＝ΔH－TΔS（T是絕對溫度，單位為K）。

（2）ΔG與反應的自發(fā)性：①當ΔG＝ΔH－TΔS<0時反應能自發(fā)進行。

②當ΔG＝ΔH－TΔS>0時反應不能自發(fā)進行。

教師活動：引導學生繪制吉布斯自由能判據(jù)的二維象限圖如圖1所示：

環(huán)節(jié)五：案例分析學以致用

案例1：-10℃時水能自動結(jié)成冰，10℃時冰也能自動變成水，試從熵變和焓變的兩個角度，分析促使他們自發(fā)反應發(fā)生的主要因素是什么？

教師引導：水變冰時，ΔH<0，水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，ΔS<0。冰變?yōu)樗<0，水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，ΔS>0，請大家結(jié)合吉布斯自由能判據(jù)的二維象限圖開展分析。

學生很快就能分析出一個低溫自發(fā)，一個高溫自發(fā)。

過渡：學習了焓變和熵變的概念之后，我們就可以用這些概念去解釋生活中常見的現(xiàn)象了。

案例2：汽車尾氣中的污染物主要是CO和NO，它們是現(xiàn)代城市中的主要大氣污染物，為了減輕大氣污染，人們提出能否通過以下反應來處理汽車尾氣：

2NO（g）+2CO（g）=N2（g）+CO2（g），ΔH=-746.8kJ/mol，ΔS=-0.2kJ·mol-1·K-1

請你從一位化學工作者的視角出發(fā)，思考這個設計是否正確可行。

（1）請大家判斷該反應能否在常溫下進行？

（2）研究發(fā)現(xiàn)該反應的速率非常慢，效果非常不理想，如何提高化學反應速率？

教師引導：大家注意焓變和熵變的單位要一致，注意吉布斯自由能變的計算方法。

教師總結(jié)：使用ΔG判斷反應能否自發(fā)應注意的幾個細節(jié)。

（作者單位：深圳市光明區(qū)高級中學）

編輯：李琴芳

作者簡介：周仁，男，漢族，碩士，深圳市光明區(qū)高級中學化學教師，從事高中化學教學和教研工作十余年，主要研究方向為高中化學教學。