◇　北京　宋兆爽　指導(dǎo)教師　王　春

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“化學(xué)反應(yīng)進行的方向”教學(xué)案件賞析

◇北京宋兆爽1指導(dǎo)教師王春2

1　指導(dǎo)思想與理論依據(jù)

依據(jù)《普通高中化學(xué)課程標準》對化學(xué)反應(yīng)方向的要求,確立了本教學(xué)設(shè)計的核心目標——認識到影響化學(xué)反應(yīng)方向的因素,并能夠初步利用焓變和熵變說明化學(xué)反應(yīng)的方向．化學(xué)史系統(tǒng)地記錄了影響化學(xué)發(fā)展的重要事件,更重要的是展示了化學(xué)家為了解開化學(xué)現(xiàn)象背后的規(guī)律所進行的思維活動和所采用的科學(xué)方法．以化學(xué)史貫穿本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計,追尋化學(xué)反應(yīng)方向相關(guān)理論的形成過程,不僅可以使學(xué)生有更清晰的思維脈絡(luò),而且可以讓他們切身感受化學(xué)家們的科學(xué)方法和科學(xué)精神．

2　教學(xué)背景分析

2.1學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

本章的前3節(jié)初步解決了速率和限度的問題,將反應(yīng)方向問題放在最后1節(jié)，主要是因為在中學(xué)階段只是讓學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)方向的判據(jù)有初步的了解,并不要求對熱力學(xué)知識深入學(xué)習(xí)．在本節(jié)課結(jié)束后教師有必要結(jié)合整章內(nèi)容,幫助學(xué)生梳理研究化學(xué)反應(yīng)的基本思路,即先判定反應(yīng)在給定的溫度、壓強下是否具有發(fā)生的可能性,再研究反應(yīng)的速率和限度．

2.2學(xué)生情況分析

通過對復(fù)分解反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)發(fā)生條件的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步意識到化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生是有條件的;通過對可逆反應(yīng)的學(xué)習(xí)，意識到同一個化學(xué)反應(yīng)由于反應(yīng)條件的不同是可以向不同的方向進行的.學(xué)生對自發(fā)反應(yīng)的典型錯誤理解有： 1)忽略反應(yīng)條件(溫度、壓強)對反應(yīng)自發(fā)性的影響; 2)把自發(fā)性等同于反應(yīng)一定發(fā)生,甚至等同于快速發(fā)生．對熵的認識障礙主要源于高中階段不可能深入解釋熵的真正含義,只能定性說明,因此學(xué)生認為“熵”比較難于理解．

3　教學(xué)目標設(shè)計

3.1知識與技能

1) 知道化學(xué)反應(yīng)存在方向問題,了解自發(fā)反應(yīng)的含義；2) 初步了解熵的含義,會定性判斷化學(xué)反應(yīng)前后熵的變化情況；3) 理解放熱、熵增有利于反應(yīng)自發(fā)進行,初步學(xué)會綜合利用焓變和熵變判斷反應(yīng)方向．

3.2過程與方法

1) 通過經(jīng)驗和直觀體驗,認識自然界中的自發(fā)過程及特征,并遷移到化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)過程,形成“化學(xué)反應(yīng)存在方向”的認識；2) 通過分析焓變和熵變對反應(yīng)方向的影響,認識到2種因素的影響不是孤立的,而是相互關(guān)聯(lián)的．

3.3情感態(tài)度與價值觀

通過化學(xué)史的學(xué)習(xí)了解化學(xué)反應(yīng)方向的研究歷程,認識到ΔH-ΔTS判據(jù)的價值在于科學(xué)家不僅能預(yù)測反應(yīng)的自發(fā)性,還能控制和設(shè)計反應(yīng)，使之向著預(yù)期的方向自發(fā)進行．

4　教學(xué)重、難點

1) 重點:焓變、熵變對反應(yīng)方向的影響,方向判據(jù)在科研生產(chǎn)中的應(yīng)用； 2) 難點:自發(fā)反應(yīng).

5　教學(xué)過程設(shè)計

環(huán)節(jié)1介紹工業(yè)制鈦的歷史,建立自發(fā)反應(yīng)概念.

鈦被譽為“21世紀金屬”,第1次制得純凈的鈦是在1910年,其實早在1791年人們就在金紅石的礦物中發(fā)現(xiàn)了鈦元素,科學(xué)家最初設(shè)計以金紅石為原料制備鈦，反應(yīng)方程式為TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g),TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti. 然而，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)第1步反應(yīng)的正向反應(yīng)在任何溫度下都不發(fā)生,逆向反應(yīng)在一定溫度下卻很容易進行．于是,科學(xué)家們意識到化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生是具有方向性的．

【引出概念】 人們把在一定溫度、壓強下,不借助(光、電能)外部力量即能進行,或具有發(fā)生的可能性的反應(yīng)稱為自發(fā)反應(yīng)．反之稱為非自發(fā)反應(yīng)．

【提出問題】 列舉生活中常見的自發(fā)反應(yīng)和非自發(fā)反應(yīng)的例子．

【學(xué)生思考并回答問題】 自發(fā)反應(yīng):蘋果氧化、鋼鐵生銹、Na和水反應(yīng)、NaOH和HCl反應(yīng).

環(huán)節(jié)2利用化學(xué)史引出焓變對反應(yīng)方向的影響.

【問題1】 如果你是18世紀的科學(xué)家,面對以上并不成功的制備鈦的設(shè)計,你會想到化學(xué)反應(yīng)的方向與哪些因素有關(guān)系呢?

學(xué)生A: 應(yīng)該和吸、放熱有關(guān)系．可能向著放熱的方向自發(fā)進行,如燃燒、中和等反應(yīng)都是自發(fā)反應(yīng)．

【問題2】 早在18世紀,以拉瓦錫為代表的科學(xué)家就開始關(guān)注反應(yīng)過程中的熱量變化及其與反應(yīng)方向間的關(guān)系．19世紀的科學(xué)家們曾認為決定反應(yīng)能否自發(fā)進行的因素就是反應(yīng)熱:放熱反應(yīng)可以自發(fā)進行,而吸熱反應(yīng)則不能自發(fā)進行．你同意這種觀點嗎?請舉例說明．

學(xué)生B: NH4Cl(s)與Ba(OH)2·8H2O(s)的反應(yīng)是吸熱的,但是常溫、常壓下是自發(fā)進行的．

學(xué)生C: 石灰石的分解反應(yīng)也是吸熱的,但高溫時可以自發(fā)進行．

【小結(jié)】 放熱反應(yīng)使體系能量降低,因此反應(yīng)具有正向進行的傾向，焓減是有利于反應(yīng)自發(fā)進行的．但科學(xué)家們認識到,焓變是與反應(yīng)能否自發(fā)進行的有關(guān)因素之一,但不是唯一因素．那么還有什么因素在影響反應(yīng)的方向呢?

環(huán)節(jié)3結(jié)合生活情境和化學(xué)史引出熵變對反應(yīng)方向的影響.

【展示圖片】 1) 冰雪融化; 2) 食鹽溶解; 3) 火柴散落; 4) 墨水?dāng)U散.

【問題1】 你能找到這樣一些表面上看似無關(guān)的事件的共同特點嗎?

學(xué)生D: 這些過程都是從有序向無序進行的,趨向于更亂．

【講解】 熵的歷史.

1855年,德國物理學(xué)家克勞修斯首次提出熵的概念(符號S),用來表示體系的混亂程度．固體的溶解、水的汽化、墨水的擴散都是體系混亂度增大的過程,即熵增(ΔS>0)的過程．1869年,德國化學(xué)家霍斯特曼在研究氯化銨的受熱分解過程時運用了熵的概念,指出這一過程和液體的蒸發(fā)過程遵守同樣的規(guī)律．他把熵的概念首次推廣到化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域．

【列舉數(shù)據(jù)】 1) 標準狀況下,不同的物質(zhì)的熵; 2) 水在固、液、氣三態(tài)下的熵值.

【學(xué)生觀察并得出結(jié)論】 不同物質(zhì)的熵不同,而同一物質(zhì)的熵與其聚集狀態(tài)有關(guān)．

【問題2】 再次思考下列吸熱反應(yīng)常溫、常壓下能夠自發(fā)進行的原因是什么?

1) 2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8H2O(s)=

BaCl2(s)+2NH3(g)+10H2O(l)ΔH>0;

2) 2N2O5(g)=2N2O4(g)+O2(g)

ΔH=+56.7 kJ·mol-1;

3) (NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g)

ΔH=+74.9 kJ·mol-1.

【學(xué)生觀察并得出結(jié)論】 生成氣體的反應(yīng),或者氣體的物質(zhì)的量增大的反應(yīng)都是熵增反應(yīng),熵增有利于反應(yīng)的自發(fā)進行．

【小結(jié)】 一定條件下,化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進行,既與反應(yīng)焓變有關(guān)又與反應(yīng)熵變有關(guān),焓變和熵變共同影響反應(yīng)的進行方向．

環(huán)節(jié)4提出反應(yīng)方向綜合判據(jù),進行簡單應(yīng)用.

【講解】 1878年,美國科學(xué)家吉布斯在大量理論研究的基礎(chǔ)上提出判斷化學(xué)反應(yīng)方向的綜合判據(jù).在一定溫度、壓強下:

ΔH-TΔS<0, 反應(yīng)自發(fā);

ΔH-TΔS>0, 反應(yīng)非自發(fā);

ΔH-TΔS=0, 反應(yīng)達平衡態(tài).

【理論聯(lián)系實際應(yīng)用】 根據(jù)ΔH和ΔS數(shù)據(jù)定量確定碳酸鈣分解的溫度．

CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)

ΔH=178.2 kJ·mol-1,ΔS=169.6 J·mol-1·K-1.

【講解】 科學(xué)家歷經(jīng)百年最終克服了工業(yè)制鈦的難題,體會化學(xué)反應(yīng)方向的綜合判據(jù)對于控制和設(shè)計反應(yīng)的重要意義．

6　教學(xué)設(shè)計特色說明與教學(xué)反思

《高中化學(xué)課程標準》特別強調(diào)在課程實施過程中,要從“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀”3個方面為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展和今后的進一步學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)．本節(jié)課以化學(xué)史貫穿始終,教學(xué)設(shè)計有以下幾個特點:

1) 追尋科學(xué)家的思維脈絡(luò)組織教學(xué).

“化學(xué)反應(yīng)進行的方向”一節(jié)是新課程增加的章節(jié)．最初接觸這一章節(jié)時感到知識比較凌亂和單薄,很多內(nèi)容在中學(xué)階段都是淺嘗輒止,如果從知識線進行梳理,有種“講不透,理還亂”的感覺．但從化學(xué)史的角度切入后,遵循科學(xué)家對化學(xué)反應(yīng)方向這一問題的研究思路組織教學(xué),并結(jié)合化學(xué)史背景講解自發(fā)反應(yīng)、焓變、熵變的概念,條理清晰、深入淺出,學(xué)生經(jīng)過這節(jié)課的學(xué)習(xí)后也形成了比較清晰的思維脈絡(luò)．

2) 問題的呈現(xiàn)具有情景化,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

本節(jié)開篇以工業(yè)制鈦的故事引入主題,中間以工業(yè)制鈦的故事提出問題,結(jié)尾又以工業(yè)制鈦的故事引導(dǎo)學(xué)生完成知識的應(yīng)用．這些情景化的問題使學(xué)生具有新鮮感,產(chǎn)生解決問題的“沖動”,也有助于培養(yǎng)他們在真實情境中分析問題、解決問題的能力．

3) 情感態(tài)度價值觀的培養(yǎng).

在一些生動有趣的化學(xué)史故事中,化學(xué)家們走下神壇,他們可能在一生中經(jīng)歷過很多困苦磨難,甚至終其一生不被認可．但是,他們又幾乎無一例外地具有一些共同的品質(zhì),那就是對自己的研究領(lǐng)域癡迷、忘我，敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新、持之以恒．比如本節(jié)課中提到的美國科學(xué)家吉布斯,作為科學(xué)史上最偉大的理論學(xué)者之一,他為化學(xué)熱力學(xué)的發(fā)展做出了卓越的貢獻．但他一生淡泊名利,論文只是在名不見經(jīng)傳的期刊上發(fā)表,且拒絕一切宣傳工作,所以直到晚年他的工作也沒有得到美國科學(xué)界的廣泛認可,然而這并沒有影響他對于自己研究領(lǐng)域的熱愛．課堂上利用合適的時機讓學(xué)生們走進這些化學(xué)史上真實的人和事,學(xué)生們的品格和科學(xué)素養(yǎng)也會在潛移默化中得到提升．