葉依叢

摘要：“化學反應的調控”是根據化學反應原理指導實踐的重要內容，揭示了知識的實踐價值。分析并歸納從理論學習到科學實踐層面的主要難點，以“合成氨工業(yè)條件選擇”為例，通過處理合成塔中真實物料數據、合成氨反應機理示意圖、鐵催化下合成氨反應歷程-勢能圖等一系列真實信息，引導學生從反應限度-速率-技術-效益等綜合角度構建真實情境下化工條件的選擇與優(yōu)化的思維模型。

關鍵詞： 信息處理; 模型建構; 合成氨; 調控反應

文章編號： 1005-6629（2022）03-0041-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 提出問題

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》在“化學反應原理”模塊主題2“化學反應的方向、限度和速率”中，新增了化學反應的調控內容： 認識化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產、生活和科學研究中的重要作用。知道催化劑可以改變反應歷程，對調控化學反應速率具有重要意義[1]。它指明了學習反應原理相關理論的實踐價值和社會價值，幫助學生建構綜合認識化學反應的思路，尋找最優(yōu)的反應條件調控實際生產中的反應。

但是，當學生面臨真實情境下工業(yè)生產條件的選擇和優(yōu)化時，往往存在較大的困難。通過與學生的溝通與對話后發(fā)現，這部分內容在“輸入”和“輸出”的轉化過程中，普遍存在兩個難點：

第一，學習的過程采用封閉、靜態(tài)的平衡體系為研究對象得到相關結論，但真實的工業(yè)生產過程，卻是一個開放、動態(tài)的體系。故不能利用“理想狀態(tài)”的結論簡單地推演并解釋真實反應過程。

第二，學習過程一般是從孤立的角度調控反應速率或者反應限度，而實際工業(yè)生產中需要綜合考慮反應速率和反應限度因素，且某一條件的改變對反應速率和反應限度的影響往往是矛盾的，復雜問題背景下難以抽提出解決問題的關鍵要素。

要攻克上述難點，必須厘清以下問題： 一是“真實的開放體系”與“理想的封閉體系”兩者的區(qū)別是什么？二是如何建立綜合角度調控反應？三是催化劑為什么對調控反應有重要意義？

2 主題價值分析

比較不同版本的教材，針對“化學反應的調控”內容，人教版和魯科版教材都選擇“合成氨反應條件的選擇”為主題展開討論，這與合成氨反應本身具有的獨特???? 的學科價值與社會價值密切相關。

首先，合成氨工業(yè)相對成熟，便于提供合成氨塔內各組分濃度的真實物料數據。引導學生關聯相關知識、分析和計算數據，有效打破思維定勢，建立“開放體系”的思考模型，為合成氨工業(yè)條件的選擇提供思考的起點。

其次，合成氨反應是一個放熱反應，溫度升高有利于加快反應速率，但不利于平衡正向移動。選擇最優(yōu)溫度的過程，能有效幫助學生建立“單位時間轉化率”的概念;壓強增大有利于促進平衡正向進行，但對設備提出了很高的要求，因此選擇最佳壓強的過程，將科學理論與工程技術相結合，有助于形成速率—限度—技術—效益等多角度考慮工業(yè)問題的思維。

第三，合成氨反應蘊含豐富的關于催化劑改變反應歷程的學科本體素材[2]，經過適當加工后能有效引導學生從微觀角度認識基元反應、催化劑與活化能的關系，有助于學生在復雜問題中抽提關鍵要素建立邏輯關系，形成有序調控反應的思維模型。

第四，合成氨反應融合了科學發(fā)展史，系統(tǒng)地梳理人類探索合成氨反應條件優(yōu)化的發(fā)展脈絡，將調控化學反應的認識思路外顯化、認識角度結構化，有助于學生形成綜合調控化學反應的思維模型。

3 學習目標確立

（1） 通過理論分析合成氨反應條件，運用反應方向、限度和速率等理論知識調控生活、生產中的化學反應，形成穩(wěn)定的認識思路。

（2） 通過對合成氨塔中各組分濃度的定性、定量分析，構建分析化工生產中“開放體系”的思維模型。

（3） 通過認識催化劑參與下合成氨的微觀反應歷程，知道基元反應活化能對反應速率的影響，從“提高反應決速步驟速率”的角度優(yōu)化反應條件。

（4） 通過解讀合成氨反應的科學發(fā)展史，了解科學家的科學態(tài)度和社會責任感，總結提煉“多角度分析化學反應，選擇和優(yōu)化化工生產條件”的思路，體會化學反應原理的社會價值和應用價值。

4 教學設計構思

圍繞“如何調控反應”以及“為什么這么調控”兩個核心問題，為學生提供一系列真實的數據、圖表信息。學生在分析和處理信息的過程中，深度認識化學反應的方向和限度、工業(yè)生產的效率、催化劑改變反應歷程的微觀原理等問題;學生認識和調控反應的視角由發(fā)散到聚焦、由單一到綜合、由宏觀到微觀，從而形成有序調控反應的思維模型。具體教學設計思路如圖1所示。

5 課堂實踐實錄

5.1 創(chuàng)設情境，引入課題——構建化工生產主反應選擇思路

[教師]19世紀，隨著第二次工業(yè)革命的到來，世界人口劇增，人類面臨糧食不足的問題，各國都迫切要求建立規(guī)模巨大的生產氮化合物的工業(yè)。科學家克魯克斯創(chuàng)造性地提出“向空氣要氮肥”的號召。

[設問]為什么要“向空氣要氮肥”？

[學生]思考、回顧?？諝庵械扛撸饕圆槐恢参镂盏腘2存在，需要將N2轉化為能被植物吸收利用的含氮微粒。

[追問]回顧學過的人工固氮反應，哪個反應可以實現工業(yè)化生產？說明原因。

[學生]N2+3H22NH3可以實現工業(yè)化生產。原因如下： （1）NH3可以進一步轉化為NH+4、 NO-3被植物吸收和利用;（2）該反應原料來源豐富;（3）合成氨反應ΔH<0，ΔS<0，低溫下反應能自發(fā)進行;（4）該反應在常溫下反應限度較大。

[教師]合成氨反應被譽為“20世紀科學領域最輝煌的成就之一”，它成功解決了糧食問題。如何調控反應條件使它滿足工業(yè)化生產的要求呢？我們一起學習“從合成氨工業(yè)看化工條件的選擇和優(yōu)化”。

設計意圖： 追溯“合成氨工業(yè)”產生的歷史背景，使學生切實感受到科學家們面對社會需求時所展現的科學態(tài)度和社會責任感，充分體現化學對人類社會進程的重要推動作用。引導學生從解決糧食問題——制造肥料出發(fā)，按照“需要合成什么→需要用什么原料→選擇什么反應→該反應熱力學是否可行→是否能夠實現工業(yè)化生產”的思路展開思考，初步構建化工生產中主反應選擇的思路。

5.2 運用舊知，理論分析——從平衡角度選擇合成氨反應條件

[ppt]N2（g）+3H2（g）2NH3（g），ΔH=-92.2kJ·mol-1。

[設問]結合圖表數據（見圖2），描述平衡狀態(tài)時，氨的體積分數與反應的溫度、壓強有什么關系？

[學生]讀圖并回答： 在平衡混合物中，壓強一定時，溫度升高，氨的體積分數減小;溫度一定時，壓強增大，氨的體積分數升高。

[設問]請用平衡移動原理判斷并解釋什么條件有利于合成氨反應正向進行？

[學生]高壓、低溫條件。合成氨反應是一個熵減的放熱反應，壓強增大和溫度降低均有利于平衡正向移動。

[教師]1MPa=1×106Pa，30MPa相當于30N的力（約300kg的重量）作用于1cm2的面積上所產生的壓強?？紤]設備的承受能力，工業(yè)上往往選擇10～30MPa的壓強。

[設問]在30MPa壓強下，選擇低溫作為工業(yè)生產條件是否合適？

[學生]不合適，溫度降低雖然有利于平衡正向移動，但是溫度降低，反應速率減慢，導致生產效率低。

[教師]溫度在調節(jié)速率和平衡的時候出現矛盾，選擇哪個溫度最合適呢？需要進一步討論，工業(yè)生產追求的主要目標是什么？

設計意圖： 先從單一的熱力學角度（即化學平衡角度）對合成氨反應條件進行選擇，有利于學生思考相關問題時思維的有序性。但理論運用于實際時會出現偏差需要修正，并引出關鍵問題： 化工生產中追求的主要目的是什么？為后文動力學分析（即速率角度）做好鋪墊，由淺入深、由單一到綜合地討論合成氨反應條件的選擇與優(yōu)化。

5.3 數形結合，突破難點——構建動態(tài)開放體系的認識模型

[教師]不妨走進真實的合成氨工廠看一看。ppt中展示的是某日產600t氨氣的合成氨工廠的化工設計圖的物料平衡數據（如表1所示），請關注合成氨塔氣體進口和氣體出口各組分的氣體體積分數。

[教師]為了方便計算，將合成氨塔進氣口和出氣口中N2、 H2、 NH3的氣體體積分數折算成以物質的量濃度為單位，并折算相同的條件下該反應達到平衡時，N2、H2和NH3的平衡濃度數據如表2所示。

[設問]在合成氨塔中，合成氨反應達到平衡了嗎？判斷依據是什么？

[學生]用平衡濃度計算得該反應在439K溫度下Kc=c2（NH3）c（N2）·c3（H2）=2.5120.747×2.103=0.910，再計算合成塔出塔口各組分的濃度商

Qc=c2（NH3）c（N2）·c3（H2）=0.99721.03×2.993=0.0360，Qc<Kc，反應沒有達到平衡。

[教師]請作圖表示從投料到平衡，總反應的速率—時間變化曲線，根據圖像和數據解釋為什么合成氨塔中不等反應達到平衡？

[學生]作圖（如圖3中曲線）。從圖中可以看出，隨著反應的進行，總反應速率不斷減小最后趨近于0，速率過低不利于工業(yè)生產效率。

[教師]請在圖3的基礎上，畫出其他條件均相同、合成氨塔中從進料到出塔單個回合的速率—時間曲線，并分別說明兩條曲線與坐標軸形成的面積所代表的物理意義。

[學生]作圖（如圖3所示）。深色圖形面積代表合成氨塔中從進料到出塔單次合成氨氣的濃度，淺色圖形面積代表相同條件下合成氨反應達平衡時氨氣的濃度。

[教師]雖然一個回合的氨氣產量比不上平衡產量，但可以再來一個回合，再來一個回合，如此不斷重復，形成如圖4所示的速率—時間曲線。

[設問]比較單位時間內，上述速率—時間圖中兩種曲線圍成的面積的大小。并解釋工業(yè)上不等到反應達平衡，而采用不斷投料的方式進行生產的優(yōu)勢是什么？工業(yè)生產追求的目標是什么？

[學生]優(yōu)勢在于讓反應持續(xù)在反應物濃度比較大、速率比較高的狀態(tài)下發(fā)生，增大產物在時間上進行疊加之后的總量。

[學生]工業(yè)追求的是單位時間的產量，所以除了考慮反應限度，還要考慮反應速率。

設計意圖： 為學生提供合成氨塔中真實的物料數據，引導學生從定性與定量結合的角度收集證據。通過定性分析、定量計算以及數形結合分析等方法，打破慣有的封閉體系反應平衡的定勢思維，重塑工業(yè)生產中開放體系、循環(huán)投料的思維模型。該模型的建立有助于學生抓住本質，更深刻地理解工業(yè)生產調控的關鍵著力點。形成模型的過程充分建立了證據—結論之間的聯系，培養(yǎng)學生的證據推理能力。

5.4 信息助力，微觀探析——理解催化劑作用下的反應歷程

[提問]控制哪些反應條件可以提高合成氨反應的反應速率？

[學生]升高溫度、增大壓強、提高反應物濃度、加入催化劑……

[教師]催化劑能加快化學反應速率的本質原因是什么？請在能量—反應歷程圖中畫出催化劑參與下合成氨反應過程中的能量變化。

[學生]作圖（如圖5所示）。

[追問]加入催化劑之后能量圖出現兩個峰代表什么含義？

[學生]代表催化劑先作為反應物參與反應，又作為產物生成。

[教師]這是合成氨在鐵觸媒催化作用下，通過計算機模擬生成的能量—反應歷程圖[4]（如圖6所示）。

[教師]請用自己的語言描述，加入催化劑后，該反應的能量—反應歷程圖像有什么變化？

[學生]（1）加入催化劑之后，活化能大大降低;（2）加入催化劑之后，產生了幾個小峰，說明發(fā)生了幾個反應。

[教師]沒錯，N2和H2分子在催化劑表面經過若干簡單反應步驟，才最后轉化為NH3分子。每一個簡單的反應步驟，就是一個基元反應。

[教師]想知道N2和H2在催化劑表面發(fā)生反應生產氨氣的過程嗎？請結合合成氨在催化劑參與下反應機理示意圖[5]（如圖7所示），用自己的語言描述這個過程。

[學生]氮氣和氫氣擴散到催化劑表面，吸附在催化劑上。吸附在催化劑表面的氮氣和氫氣斷開化學鍵，氫原子逐一與氮原子成鍵，一個、兩個、三個，在催化劑表面生成NH3，最后NH3脫離催化劑表面，飛走了。

[教師]正如同學們描述的，合成氨的催化歷程一般分為五個主要步驟： 擴散→吸附→表面反應→脫附→擴散，具體過程見圖7。

1 氣體向催化劑表面擴散。

2～3 氣體在催化劑表面吸附： N2（g）→N2（ad）; H2（g）→H2（ad）。

4～7 表面反應： N2（ad）2N（ad）; H2（ad）→2H（ad）; N（ad）+H（ad）→NH（ad）; NH（ad）+H（ad）NH2（ad）; NH2（ad）+H（ad）NH3（ad）。

8 NH3從催化劑表面脫附： NH3（ad）→NH3（g）。

[教師]我們將這一系列基元反應中，反應速率最慢的一步稱為“決速步驟”，它決定了總反應的反應速率。根據合成氨在鐵催化下的能量-反應歷程圖（如圖6實線部分所示），判斷這些基元反應中，哪個步驟是決速步驟？說出你的判斷依據。

[學生]步驟12N2（ad）+32H2N（ad）+3H（ad），因為這個步驟對應的活化能最大?；罨艽?，反應速率慢。

[追問]這部分能量主要是克服哪種微粒間的作用力？

[學生]吸附態(tài)的N2中的化學鍵，因為NN的鍵能大，斷裂需要較多能量。

[教師]結合以上分析結果思考： 如何調控反應條件，加快“決速步驟”的反應速率，從而提高催化效率呢？

[學生]（1）增加N2的濃度（分壓），從而增加N2的吸附濃度，加快決速步驟的反應速率。（2）及時移走生成的NH3，為N2和H2騰出更多可供吸附的催化劑表面空間。

設計意圖： 利用驅動問題并輔以反應機理示意圖，啟發(fā)學生利用已有知識，結合提示信息，經歷“認識反應歷程→找到決速步驟→調控決速步驟→實現深度調控”的過程，探索反應的微觀歷程，學生在解決新問題的過程中獲得知識與發(fā)展能力。補充的信息，既拓展了教材知識的深度，也提升了學生的信息素養(yǎng)，為調控反應留下了思考的空間和發(fā)揮的余地。

5.5 貫穿史實，總結提煉——構建調控化學反應的思維模型

[視頻]以諾貝爾化學獎獲得者——哈伯、博施、艾爾特的研究為主線介紹合成氨發(fā)展史。

[教師]結合所學內容，從合成氨工業(yè)發(fā)展史中，與學生共同提煉出工業(yè)條件優(yōu)化的一般思維模型（如圖8所示）。

設計意圖： 在課堂結尾系統(tǒng)地呈現人類探索合成氨反應工業(yè)條件的優(yōu)化過程，將科學知識、技術發(fā)明、社會發(fā)展相聯系，系統(tǒng)梳理了合成氨反應條件選擇和優(yōu)化的發(fā)展脈絡，將合成氨工業(yè)條件的選擇優(yōu)化的認識思路、認識角度結構化和外顯化，有助于學生形成比較穩(wěn)定的思維模型。在歷史事件的發(fā)展進程中，學生充分感知前人在探索和改造自然過程中展現的嚴謹的科學態(tài)度與高度的社會責任感，理解和體驗合成氨工業(yè)對人類文明進程巨大的推動作用。

6 課堂教學反思

工業(yè)合成氨反應條件的選擇和優(yōu)化是一個涉及工業(yè)生產設備、反應歷程等多方面因素的復雜問題，因此不要求學生能獨立找到最佳的生產條件，而是希望他們在這一過程中初步形成從多方面綜合思考問題的意識[6]。在教學實踐中，將合成氨反應條件的選擇作為證據推理、建立認知模型的教學契機，需關注以下幾點：

（1） 選擇真實情境素材作為推理證據，構建推理路徑。挖掘并利用科技文獻數據、生產物料數據、化學發(fā)展史實等真實鮮活的素材作為推理證據，培養(yǎng)學生有序地建立外界條件、圖表數據、推理結論之間的邏輯關系，使學生初步了解化工條件選擇的思考維度、證據來源和建模過程。

（2） 依據學生認知特點設置核心問題，構建思維模型。尊重學生的認知特點，設置每一環(huán)節(jié)的核心問題。尤其在多因素影響下反應條件對反應的影響產生矛盾時，通過驅動性問題厘清主要矛盾是什么，矛盾的主要方面是什么，引導學生在條件選擇時有清晰的權衡和側重，從而構建全面、有序、可發(fā)展的思維模型。

（3） 根據工業(yè)合成氨的背景，開展拓展活動。例如原料氣H2的制備過程中反應條件的選擇，它進一步增大反應調控的復雜程度——對主、副反應的調控。依據本節(jié)課的思維模型，創(chuàng)造性地解決問題，從模型建構向模型應用遷移，提升思維的深刻性和靈活性，擴展和深化思維模型。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社，2018： 31.

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[3]王晶，鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學（選擇性必修1）·化學反應原理[M]. 北京： 人民教育出版社，2020： 45.

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[5]鄭仁垟. 固體表面上的化學反應——2007年諾貝爾獎簡介[J]. 大學化學，2007，（12）： 13～17.

[6]王磊主編. 普通高中教科書·化學（選擇性必修1）·化學反應原理教師用書[M]. 濟南： 山東科學技術出版社，2020： 210.