江蘇 居亞芬 王 菁

一、問(wèn)題的提出

1.社會(huì)高度關(guān)注“碳中和”

2021年全國(guó)兩會(huì)期間，“碳達(dá)峰”和“碳中和”被首次寫(xiě)入政府工作報(bào)告，因其對(duì)氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公民個(gè)人生活密切相關(guān)，所以社會(huì)關(guān)注度非常高。

“碳中和”是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的CO2排放總量，通過(guò)CO2去除手段，如植樹(shù)造林、節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)調(diào)整等，抵消掉這部分碳排放，達(dá)到“凈零排放”的目的。

2.高考熱門(mén)試題情境“碳中和”

《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說(shuō)明》中倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣?！疤贾泻汀背蔀榱?021年高考中多個(gè)省份、多門(mén)學(xué)科的熱門(mén)情境，同時(shí)該主題可關(guān)聯(lián)最新的科學(xué)研究進(jìn)展，已經(jīng)受到高三師生的關(guān)注。例如被形象稱為“液體陽(yáng)光”計(jì)劃的中國(guó)科學(xué)家研發(fā)的全球首套千噸級(jí)太陽(yáng)能燃料合成項(xiàng)目，作為試題情境出現(xiàn)在2021年全國(guó)甲卷理綜的28題和35題，展示我國(guó)在綠色發(fā)展和清潔能源開(kāi)發(fā)上的成果。由此筆者精選例題，開(kāi)展了一節(jié)有關(guān)“碳中和”概念的高三復(fù)習(xí)課，此類項(xiàng)目式課堂模式可以類推到其他元素化合物復(fù)習(xí)課。

【例1】(2021·全國(guó)乙卷·7)我國(guó)提出爭(zhēng)取在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這對(duì)于改善環(huán)境、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展至關(guān)重要。“碳中和”是指CO2的排放總量和減少總量相當(dāng)。下列措施中能促進(jìn)碳中和最直接有效的是( )

A.將重質(zhì)油裂解為輕質(zhì)油作為燃料

B.大規(guī)模開(kāi)采可燃冰作為新能源

C.通過(guò)清潔煤技術(shù)減少煤燃燒污染

D.研發(fā)催化劑將CO2還原為甲醇

【答案】D

【解析】本題以“碳中和”為情境，考查如何利用化學(xué)技術(shù)減少碳排放。重質(zhì)油裂解為輕質(zhì)油不能減少CO2排放總量，A項(xiàng)錯(cuò)誤；可燃冰的使用會(huì)產(chǎn)生CO2，B項(xiàng)錯(cuò)誤；清潔燃煤技術(shù)主要是減少粉塵、SO2等污染，不能很有效地減少CO2排放，C項(xiàng)錯(cuò)誤；D項(xiàng)通過(guò)氧化還原真正實(shí)現(xiàn)了CO2的資源化利用。本題基于學(xué)生的學(xué)情，向?qū)W生普及了多種實(shí)現(xiàn)“碳中和”的化學(xué)技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注化學(xué)對(duì)國(guó)家科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)。

二、“碳中和”課堂教學(xué)實(shí)踐

【環(huán)節(jié)一】CO2的來(lái)源

[真實(shí)情境引入]化石能源耗得多，導(dǎo)致地球變暖的元兇CO2也生成得多。隨著人類的活動(dòng)，全球變暖氣候問(wèn)題突出，也在影響著人們的生活方式，帶來(lái)越來(lái)越多的問(wèn)題。限制碳排放必然對(duì)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大的影響，特別是對(duì)我國(guó)這樣油氣資源相對(duì)較少、煤炭資源相對(duì)豐富的國(guó)家，減排壓力更加嚴(yán)峻。

【學(xué)習(xí)任務(wù)1】小組活動(dòng)：尋找CO2的來(lái)源。

[小組匯報(bào)]化石燃料的大量燃燒，汽車(chē)尾氣的大量排放，生物的呼吸作用，電器的間接釋放，水果行業(yè)CO2的使用，有機(jī)物在分解、發(fā)酵、腐爛、變質(zhì)的過(guò)程中都會(huì)生成CO2。

[目的]讓學(xué)生了解學(xué)科與工業(yè)生產(chǎn)、生活、自然之間的緊密聯(lián)系，從而對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題具有重要意義。

【學(xué)習(xí)任務(wù)2】小組活動(dòng)：說(shuō)說(shuō)你知道的CO2的用途。

[小組匯報(bào)]①CO2不支持燃燒且密度比空氣大，可用于滅火，是常用滅火劑。

②化工上CO2是一種重要原料，大量用于生產(chǎn)純堿(Na2CO3)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、尿素[CO(NH2)2]、碳酸氫銨(NH4HCO3)等。

③生產(chǎn)碳酸飲料、啤酒、汽水等。

④現(xiàn)代化倉(cāng)庫(kù)里常充入CO2，防止糧食蟲(chóng)蛀和蔬菜腐爛，延長(zhǎng)其保存期。

⑤固態(tài)的CO2即“干冰”，可作制冷劑，可用于人工降雨，還可以做食品速凍保鮮劑。

⑥烘焙食品行業(yè)中作膨松劑。

⑦在農(nóng)業(yè)上，作肥料增進(jìn)植物的光合作用，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。與氮循環(huán)類似，碳循環(huán)對(duì)自然界也有著重要的作用。

[教師]正視CO2的存在，任何物質(zhì)都有兩面性。然而我國(guó)現(xiàn)在面臨著節(jié)能減排的重任，可以從哪些方面有效的實(shí)現(xiàn)“碳中和”？

【學(xué)習(xí)任務(wù)3】小組活動(dòng)：說(shuō)說(shuō)你掌握的碳中和的化學(xué)技術(shù)。

【環(huán)節(jié)二】節(jié)能減排

方法1：碳捕集與封存

人類能做的就是植樹(shù)造林，通過(guò)土壤、森林和海洋等吸收空氣中的CO2。

方法2：建立低碳系統(tǒng)

(1)碳核算

碳核算是針對(duì)所有可能產(chǎn)生CO2的來(lái)源，進(jìn)行企業(yè)排放源清查與數(shù)據(jù)搜集，以了解企業(yè)CO2排放源及量化所搜集的數(shù)據(jù)信息，是邁向?qū)崿F(xiàn)低碳管理的第一步。

(2)能源轉(zhuǎn)型

我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化后期，固定投資增速拐點(diǎn)顯現(xiàn)，城鎮(zhèn)化速率放緩，第三產(chǎn)業(yè)比重超過(guò)50%，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的深刻變革已然成為逐步與減少碳排放的最大底氣。煤炭在能源使用的占比重過(guò)高(57.6%)是導(dǎo)致碳排放強(qiáng)度過(guò)高的重要原因。能源轉(zhuǎn)型開(kāi)始較早，但脫離煤炭開(kāi)展較為緩慢。

[小組1]通過(guò)清潔煤炭技術(shù)可在一定程度上減少煤燃燒造成的污染。

[小組2]新能源汽車(chē)、各種儲(chǔ)能設(shè)施等作為能源革命的一部分，將會(huì)伴隨清潔能源技術(shù)的成熟而迅速發(fā)展。

[小組3]不斷發(fā)展風(fēng)、光、核、氫等非化石能源，減少煤、石油、天然氣等化石能源的使用帶來(lái)的污染。

[資料呈現(xiàn)]1979年碳達(dá)峰的歐盟、2005年碳達(dá)峰的美國(guó)，都承諾在2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放，分別用了71年和45年。而中國(guó)有著“2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，只有30年。

[教師]想用更高的效率、更短的時(shí)間完成發(fā)達(dá)國(guó)家同樣的任務(wù)，我們還能作什么？

方法3：想辦法將CO2變廢為寶，轉(zhuǎn)化為工業(yè)所需的含碳化合物。

【環(huán)節(jié)三】CO2的資源化利用

【學(xué)習(xí)任務(wù)4】從含碳元素物質(zhì)的多樣性、價(jià)態(tài)觀、氧化還原等角度，設(shè)想不同價(jià)態(tài)含碳物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化。

[小組1]通過(guò)氧化還原反應(yīng)可直接將CO2轉(zhuǎn)化為碳單質(zhì)、CO或有機(jī)化合物(如甲醇、甲酸、甲酸甲酯等)。

[小組2]通過(guò)氧化還原反應(yīng)可結(jié)合電化學(xué)原理將CO2轉(zhuǎn)化為其他資源進(jìn)行充分利用。

【例2】(2019·江蘇卷·20節(jié)選)電解法轉(zhuǎn)化CO2可實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用。電解CO2制HCOOH的原理示意圖如圖1所示。

圖1

①寫(xiě)出陰極CO2還原為HCOO-的電極反應(yīng)式：____________________。

②電解一段時(shí)間后，陽(yáng)極區(qū)的KHCO3溶液濃度降低，其原因是____________________。

【解析】①根據(jù)電解原理，陰極上發(fā)生得電子、化合價(jià)降低的過(guò)程。

[小組3]利用CO2是酸性氧化物，可用堿或堿性氧化物吸收將其轉(zhuǎn)化為其他化工原料。

例如，用氨水吸收CO2轉(zhuǎn)化為化肥碳銨等。CaO可在較高溫度下捕集CO2，在更高溫度下將捕集的CO2釋放利用。

三、真題賞析

【學(xué)習(xí)任務(wù)5】通過(guò)2021年各地高考真題賞析，從理論環(huán)節(jié)真正進(jìn)入實(shí)踐環(huán)節(jié)，同時(shí)對(duì)2022年高考的備考做出一定的思考。

[落實(shí)素養(yǎng)]用真實(shí)的情境引入，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

【例3】(2021·廣東省選擇性考試·9)火星大氣中含有大量CO2，一種有CO2參加的新型全固態(tài)電池有望為火星探測(cè)器供電。該電池以金屬鈉為負(fù)極，碳納米管為正極，放電時(shí)( )

A.負(fù)極上發(fā)生還原反應(yīng)

B.CO2在正極上得電子

C.陽(yáng)離子由正極移向負(fù)極

D.將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能

【答案】B

【解析】本題的情境是搭載最新的火星探測(cè)計(jì)劃，通過(guò)CO2的資源化利用為火星探測(cè)器供電。原電池原理將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，D錯(cuò)誤；負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；正極得電子，B項(xiàng)正確；為形成閉合電路，陽(yáng)離子移向正極，C項(xiàng)錯(cuò)誤。本題創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，借力原電池實(shí)現(xiàn)碳中和，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)所學(xué)的化學(xué)基本原理和方法，去解決實(shí)際面對(duì)的化學(xué)問(wèn)題。

【例4】(2021·全國(guó)甲卷·28)二氧化碳催化加氫制甲醇，有利于減少溫室氣體二氧化碳。回答下列問(wèn)題：

總反應(yīng)的ΔH=________kJ·mol-1；若反應(yīng)①為慢反應(yīng)，圖2各示意圖中能體現(xiàn)上述反應(yīng)能量變化的是________(填標(biāo)號(hào))，判斷的理由是。

A

B

C

D

圖3

①用各物質(zhì)的平衡分壓表示總反應(yīng)的平衡常數(shù)，表達(dá)式Kp________；

②圖中對(duì)應(yīng)等壓過(guò)程的曲線是________，判斷的理由是________；

③當(dāng)x(CH3OH)=0.10時(shí)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率α=________，反應(yīng)條件可能為_(kāi)_______或________。

【答案】(1)-49 A ΔH為負(fù)值，反應(yīng)放熱，因此生成物總能量低于反應(yīng)物總能量 反應(yīng)①為慢反應(yīng)，所以反應(yīng)①的活化能大于反應(yīng)②。

②b 總反應(yīng)ΔH<0，升高溫度時(shí)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)變小

③33.3% 5×105Pa，210℃ 9×105Pa，250℃

【解析】(1)根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)①+②可得二氧化碳加氫制甲醇的總反應(yīng)的ΔH=ΔH1+ΔH2=-49 kJ·mol-1。該反應(yīng)的總反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此生成物總能量低于反應(yīng)物總能量，B項(xiàng)和D項(xiàng)圖形不符。反應(yīng)①為慢反應(yīng)，因此反應(yīng)①的活化能高于反應(yīng)②，因此示意圖中能體現(xiàn)反應(yīng)能量變化的是A項(xiàng)。

③設(shè)起始n起始(CO2)=1 mol，n起始(H2)=3 mol；設(shè)反應(yīng)中轉(zhuǎn)化的n轉(zhuǎn)化(CO2)=xmol，n轉(zhuǎn)化(H2)=3xmol；則平衡時(shí)n平衡(CO2)=1-xmol，n平衡(H2)=3-3xmol，n平衡(CH3OH)=xmol，n平衡(H2O)=xmol，當(dāng)平衡x(CH3OH)=0.10時(shí)，經(jīng)計(jì)算CO2的平衡轉(zhuǎn)化率α=33.3%。由圖3可知，滿足平衡時(shí)x(CH3OH)=0.10的條件有：5×105Pa，210℃或9×105Pa，250℃。

本題考查選擇性必修《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊中有關(guān)平衡的三段式計(jì)算、外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響等基本知識(shí)，引導(dǎo)考生認(rèn)識(shí)并體會(huì)化學(xué)學(xué)科對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用。

四、教學(xué)反思

1.教師視角

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中對(duì)氯、硫、氮及其重要化合物的主要性質(zhì)、在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用做出了具體要求，但碳元素并不在內(nèi)。然而以素養(yǎng)為主的高中教學(xué)，希望每一個(gè)學(xué)生從自身做起，形成綠色低碳的生活方式，并且能對(duì)與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題做出正確的價(jià)值判斷，能積極參與到相關(guān)化學(xué)問(wèn)題的實(shí)踐中。

教師從碳中和的全球輿論關(guān)注，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類面臨的與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)問(wèn)題，通過(guò)分析碳源和碳匯認(rèn)識(shí)到國(guó)家能源結(jié)構(gòu)急需轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生從源頭上實(shí)現(xiàn)零減排放，同時(shí)多角度實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的資源化利用，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，最終讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)解決社會(huì)實(shí)際問(wèn)題所作出的重大貢獻(xiàn)。

2.學(xué)生視角

學(xué)生在這堂課中不僅僅是解決了幾道高考真題，而是充分認(rèn)識(shí)到自己所學(xué)的化學(xué)知識(shí)與技能并不是紙上談兵，可以真正落實(shí)到生產(chǎn)、生活實(shí)際問(wèn)題的解決中去。也許目前的想法還是理論性較多，實(shí)踐難度大，但是極大地鼓勵(lì)了學(xué)生勇于創(chuàng)新的精神。

3.針對(duì)2022年高考的備考指導(dǎo)

(1)讓教學(xué)回歸基礎(chǔ)

高考試題的呈現(xiàn)更加靈活化和創(chuàng)新性，旨在杜絕機(jī)械的刷題模式。本節(jié)課展示的項(xiàng)目式教學(xué)模式：對(duì)元素化合物的復(fù)習(xí)和考查不再拘泥于書(shū)本中的方程式和性質(zhì)，而是從物質(zhì)的多樣性、價(jià)態(tài)觀、氧化還原等角度創(chuàng)造性進(jìn)行物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化。高中化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的考查并不是直接考概念定義，而是將基礎(chǔ)知識(shí)融合到物質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)化、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)探究等方面，對(duì)學(xué)生有著更高的要求。

(2)加強(qiáng)信息提取與加工能力

學(xué)生都知道審題的重要性，讀題時(shí)劃下關(guān)鍵字詞和該題的重要原料和目標(biāo)，問(wèn)題都是圍繞一個(gè)目標(biāo)而設(shè)置的。例如高考真題中圖表的呈現(xiàn)，學(xué)生需獲取圖中數(shù)據(jù)信息，再進(jìn)行深層次的推導(dǎo)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぁ?/p>

(3)加強(qiáng)邏輯推理和歸納能力

教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)由淺到深的問(wèn)題情境，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生邏輯推理能力的考查。例如2021年全國(guó)甲卷第28題中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)原理分析陌生的圖表和數(shù)據(jù)，能在信息加工的基礎(chǔ)上利用所學(xué)知識(shí)，分析或選擇反應(yīng)條件。

本文系常州市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題：學(xué)科核心素養(yǎng)視域下的高中化學(xué)課型及教學(xué)策略研究(課題編號(hào)：CJK-L2020020)的階段性研究成果之一。