甘玉琴

[摘 要]? 物質(zhì)觀與能量觀是變化的兩大主題，基于進(jìn)階理論，從學(xué)生已有基礎(chǔ)出發(fā)，逐步開(kāi)展科學(xué)、真實(shí)的課堂教學(xué)，促進(jìn)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(jì)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(gè)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(duì)于化學(xué)反應(yīng)中熱量的認(rèn)識(shí)，初中化學(xué)教學(xué)屬于啟蒙性教學(xué)，主要停留在對(duì)燃燒反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。高中化學(xué)必修階段通過(guò)放熱和吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)在化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)變化的同時(shí)，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(shí)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(wèn)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(shí)點(diǎn)巧妙聯(lián)系在一起。首先，以火箭燃料引入，啟動(dòng)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(jì)算，引發(fā)定量研究熱量變化的熱情。最后，通過(guò)計(jì)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(jì)與流程

【情景導(dǎo)入】圖片——2018年長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射嫦娥四號(hào)探測(cè)器，2019年1月3日嫦娥四號(hào)探測(cè)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(guó)航天事業(yè)的又一重大成就?；鸺?，燃料必不可少，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)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(shí)伴有能量變化，而能量變化一般表現(xiàn)為熱量變化。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)我國(guó)航空航天技術(shù)的大事件介紹，讓學(xué)生體會(huì)作為一名中國(guó)人的自豪感，激發(fā)愛(ài)國(guó)情懷。轉(zhuǎn)而過(guò)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(shí)驗(yàn)

鎂條與稀鹽酸的反應(yīng)讓我們感覺(jué)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(jué)冰爽醒腦。

兩個(gè)反應(yīng)一個(gè)劇烈放熱，一個(gè)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(jì)意圖：通過(guò)展示學(xué)生高一做過(guò)的實(shí)驗(yàn)圖片，親切自然，快速喚醒化學(xué)儲(chǔ)備。

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

【提出問(wèn)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(duì)比必修2和化學(xué)反應(yīng)原理教材對(duì)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(guò)程中吸收或釋放的熱量。

設(shè)計(jì)意圖：從必修2到化學(xué)反應(yīng)原理，ΔH的概念更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?；貧w課本，引導(dǎo)學(xué)生辨析概念，客觀認(rèn)識(shí)ΔH是特定條件下化學(xué)反應(yīng)中的熱量。此處無(wú)需向?qū)W生具體交代焓變的復(fù)雜由來(lái)過(guò)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(dòng)2】嘗試說(shuō)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(wèn)題1】①②兩個(gè)反應(yīng)放出的熱量不相等。為什么？物質(zhì)的狀態(tài)對(duì)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(wèn)題2】熱化學(xué)方程式③中的化學(xué)計(jì)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(wèn)題3】觀察方程式②③，相同的反應(yīng)，ΔH的值與化學(xué)計(jì)量數(shù)之間有何關(guān)系？

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

【問(wèn)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(jì)意圖：化學(xué)教材是實(shí)施化學(xué)教學(xué)的根本，是化學(xué)知識(shí)的載體。以上教學(xué)過(guò)程以教材中三個(gè)熱化學(xué)方程式為基礎(chǔ)，提出一系列問(wèn)題，層層遞進(jìn)，于問(wèn)題解決中，完成知識(shí)建構(gòu)。有關(guān)焓變單位的理解是教學(xué)的難點(diǎn)，通過(guò)具體的實(shí)例為載體來(lái)說(shuō)明焓變單位中mol-1的含義，大大提高學(xué)生對(duì)mol-1含義的可理解性。

【學(xué)生活動(dòng)3】熱化學(xué)方程式的書寫規(guī)則有哪些？

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

【學(xué)生活動(dòng)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(jìn)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(guò)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。火箭升空，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(dòng)。僅僅是一個(gè)燃料加注的過(guò)程就需要持續(xù)數(shù)小時(shí)，同時(shí)火箭需要加注高能燃料的量，必須要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算才能確定。燃料過(guò)多將增加火箭的負(fù)載，過(guò)少則無(wú)法將嫦娥四號(hào)探測(cè)器送上預(yù)定軌道，顯然科學(xué)家必須對(duì)燃料氧化過(guò)程中的能量變化進(jìn)行精確地定量研究。

設(shè)計(jì)意圖：本課以火箭燃料引入，引導(dǎo)學(xué)生從定性的角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)中的熱量。此時(shí)通過(guò)對(duì)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(guò)程中能量變化的興趣。問(wèn)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(shí)也讓學(xué)生感受到了化學(xué)的魅力。

【提出問(wèn)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(huì)想到用什么方法獲取數(shù)據(jù)？

【學(xué)生匯報(bào)】實(shí)驗(yàn)測(cè)量

【教師補(bǔ)充】如甲烷的完全燃燒，在特定的裝置如熱量計(jì)內(nèi)進(jìn)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(cè)量數(shù)據(jù)。

【提出問(wèn)題】以下反應(yīng)的熱量數(shù)據(jù)能否通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到？為什么？

【學(xué)生匯報(bào)】反應(yīng)③難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，因?yàn)樵诜磻?yīng)中總會(huì)有CO2生成。

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

【化學(xué)史介紹】18世紀(jì)拉瓦錫設(shè)計(jì)了第一臺(tái)簡(jiǎn)易冰量熱計(jì)，并測(cè)定水的汽化熱，是熱化學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者。19世紀(jì)中，蓋斯研究測(cè)定大量反應(yīng)的熱效應(yīng)，提出著名的蓋斯定律，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)計(jì)算來(lái)確定某些反應(yīng)的反應(yīng)熱，他是熱化學(xué)的重大貢獻(xiàn)者;19世紀(jì)末，貝特洛發(fā)明一種彈式量熱計(jì)，精確測(cè)定一系列有機(jī)物的燃燒熱，并且根據(jù)蓋斯定律計(jì)算出了大量難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，他也是熱化學(xué)的重要貢獻(xiàn)者。經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，時(shí)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(jì)意圖：借助于化學(xué)史資料，熱化學(xué)沿著歷史的足跡，從遠(yuǎn)古時(shí)期走來(lái)，歷經(jīng)多次創(chuàng)新發(fā)展，形成今日之成熟理論。在此過(guò)程中，鼓勵(lì)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(gè)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(gè)化學(xué)反應(yīng)的焓變?chǔ)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(wú)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(wú)論選擇哪種方式，其勢(shì)能變化總是相同的，與具體的途徑無(wú)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(jì)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(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

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

【提出問(wèn)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(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式可由另外幾個(gè)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(gè)反應(yīng)的焓變相加減而得到。

【知識(shí)應(yīng)用】C2H8N2（偏二甲肼）和N2O4是長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭推進(jìn)劑。

若不用實(shí)驗(yàn)測(cè)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(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

設(shè)計(jì)意圖：本課以火箭燃料引入，之后通過(guò)對(duì)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(jì)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(lái)認(rèn)識(shí)熱化學(xué)方程式，真正回歸到化學(xué)學(xué)科的本來(lái)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(rèn)識(shí)了化學(xué)反應(yīng)中的熱量，借助于熱化學(xué)方程式進(jìn)行了準(zhǔn)確描述，并嘗試應(yīng)用蓋斯定律定量計(jì)算熱量。化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，很多反應(yīng)的ΔH值一定是通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)科學(xué)研究、生產(chǎn)生活進(jìn)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(shí)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

學(xué)生在必修課程中已經(jīng)知道化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(duì)于熱化學(xué)方程式的書寫要點(diǎn)并未過(guò)多涉及。此外，學(xué)生已經(jīng)知道常見(jiàn)的放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)，但不知道如何測(cè)量和計(jì)算反應(yīng)熱。本課基于從學(xué)生已有的知識(shí)出發(fā)，首先介紹了熱化學(xué)方程式的涵義及書寫要點(diǎn)。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(guò)程中能量變化的方程式，實(shí)質(zhì)上反應(yīng)熱才是真正值得關(guān)注的焦點(diǎn)?；瘜W(xué)變化永遠(yuǎn)與能量相伴，沒(méi)有能量的核算，化學(xué)的價(jià)值將黯然失色。要獲得能量的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量和定量計(jì)算是兩架馬車，接著本課重點(diǎn)介紹了利用蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算，由于課堂時(shí)間有限，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)量后，相信學(xué)生會(huì)形成較完整的定量能量觀。本課試圖科學(xué)、真實(shí)地進(jìn)行“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”教學(xué)，嚴(yán)謹(jǐn)妥善地處理關(guān)鍵細(xì)節(jié)，系統(tǒng)完整地構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，未達(dá)成之處，有賴于后續(xù)的學(xué)習(xí)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)及高純甲烷熱值的測(cè)定[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，1988（2）.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）