譚德山 宗曉菲

(1.北京市順義區(qū)教育研究和教師研修中心;2.北京市第四中學(xué)順義分校)

一、理論分析

(一)教材分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)(以下簡稱“新課標(biāo)”)中提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析” “變化觀念與平衡思想” “證據(jù)推理與模型認(rèn)知” “科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)” “科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”。新課標(biāo)對(duì)化學(xué)反應(yīng)、限度和速率這一主題中化學(xué)反應(yīng)調(diào)控的要求為:認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用。知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程,對(duì)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率具有重要意義。

結(jié)合新課標(biāo)中的要求,選擇實(shí)際生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)調(diào)控問題為真實(shí)情境。經(jīng)過調(diào)研,本課例選擇現(xiàn)代社會(huì)亟待解決的“碳排放”問題為主題,以工業(yè)廢氣中的二氧化碳與氫氣反應(yīng)的調(diào)控為研究對(duì)象。本課例的指導(dǎo)思想是從理論分析與真實(shí)情境的矛盾出發(fā),引導(dǎo)學(xué)生基于實(shí)際結(jié)果,形成解決真實(shí)情境中化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡問題的方法,體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡對(duì)于調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的作用,培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知” “變化觀念與平衡思想” “科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)的方向等化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí),在人教版(2019)教科書中屬于高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章內(nèi)容?；瘜W(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡體現(xiàn)了以下價(jià)值:(1)學(xué)科價(jià)值,化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡是中學(xué)理論化學(xué)的基礎(chǔ),是學(xué)習(xí)后續(xù)章節(jié)水溶液中的離子平衡的基礎(chǔ);(2)社會(huì)價(jià)值,應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡理論實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)生活中化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控和利用,使反應(yīng)符合人們的需求;(3)學(xué)生價(jià)值,化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡能夠使學(xué)生更深刻、更全面地理解化學(xué)反應(yīng),有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。本章雖然沒有具體地介紹化工生產(chǎn)內(nèi)容,但選擇化工生產(chǎn)最適宜的條件必然涉及化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡等理論的應(yīng)用。教師可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分析具體反應(yīng)的特點(diǎn),進(jìn)而可以利用所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行合理選擇,同時(shí)要學(xué)會(huì)全面思考各種條件的相互影響,在比較中趨利避害,找到最優(yōu)化的條件,使學(xué)生體會(huì)化學(xué)理論對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用。

(二)學(xué)情分析

高三第一輪復(fù)習(xí)中,由于已完成對(duì)于化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的章節(jié)復(fù)習(xí),故學(xué)生對(duì)于該章節(jié)的基礎(chǔ)概念掌握熟練。在前測中,對(duì)熟悉的可逆反應(yīng),改變一個(gè)外界條件時(shí),大部分學(xué)生可以準(zhǔn)確地分析出化學(xué)反應(yīng)速率的變化和化學(xué)平衡的移動(dòng)。但是對(duì)于真實(shí)情境的分析,如體系中有多個(gè)化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生,對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中復(fù)雜圖表的分析(如2019年北京卷,27(1)④題;2018年北京卷,26(4)題等),學(xué)生缺乏有效的分析方法,往往還是靠猜測。這是重點(diǎn)要去解決、突破的問題。

二、教學(xué)目標(biāo)

(一)教學(xué)及評(píng)價(jià)目標(biāo)

1.通過利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳加氫合成甲醇的反應(yīng),對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化,讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)平衡和速率相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值,形成從限度、速率和實(shí)際生產(chǎn)等多個(gè)角度綜合分析、解決工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問題的基本思路。

2.通過本課時(shí)的學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生樹立綠色化學(xué)理念,認(rèn)識(shí)到利用化學(xué)反應(yīng)將無用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)是解決環(huán)境問題的重要途徑之一。

(二)核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)

1.變化觀念與平衡思想:通過真實(shí)情境中的化學(xué)反應(yīng)調(diào)控問題,認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)有一定的限度和速率,是可以通過改變外界條件進(jìn)行調(diào)控的。

2.證據(jù)推理與模型認(rèn)知:培養(yǎng)學(xué)生建立外界條件、圖表和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的邏輯關(guān)系,讓學(xué)生體會(huì)處理真實(shí)情境下問題的方法。

3.科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任:認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用,探索最適宜的化工生產(chǎn)條件,樹立綠色化學(xué)觀念。

三、教學(xué)流程

四、教學(xué)重點(diǎn)

1.提升學(xué)生從圖表、文字中提取有效信息,并結(jié)合已有知識(shí)體系,運(yùn)用“全面搜索”的方法對(duì)信息進(jìn)行加工的能力。

2.從理論向?qū)嶋H應(yīng)用遷移,掌握實(shí)際生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)調(diào)控問題的解題思路。

五、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一:提出課題

【教師】今年南極冰川融化的新聞?lì)l繁上熱搜。全球變暖的主要原因是什么?如何利用化學(xué)手段將無用廢氣變?yōu)橛杏玫馁Y源是解決全球變暖的研究方向之一?？茖W(xué)家提出利用廢氣二氧化碳加氫制甲醇,一可以減少碳排放,二可以制得清潔能源。

ΔH=-49.0 kJ/mol

本節(jié)課的目的就是利用所學(xué)知識(shí)為該反應(yīng)投入工業(yè)生產(chǎn)確認(rèn)反應(yīng)條件。

【學(xué)生】傾聽思考。

【設(shè)計(jì)意圖】由全球變暖引出利用化學(xué)反應(yīng)將無用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)是解決環(huán)境問題的重要途徑之一,認(rèn)識(shí)到化學(xué)學(xué)科在生產(chǎn)生活中具有的重要意義。

環(huán)節(jié)二:綜合預(yù)測反應(yīng)條件

任務(wù)一:回顧反應(yīng)的影響因素和選擇條件時(shí)的思考角度

【教師】如果你作為實(shí)際生產(chǎn)者,你需要考慮哪些方面?盡可能有序、完整地進(jìn)行思路表達(dá)。

【學(xué)生】思考、回答。

針對(duì)化學(xué)反應(yīng)角度:平衡轉(zhuǎn)化率大、速率快;

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)角度:安全、成本、方便、環(huán)保...

涉及的影響因素:濃度(投料比)、氣體壓強(qiáng)、溫度、催化劑等。

【設(shè)計(jì)意圖】盡可能引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)、有序地思考條件因素和優(yōu)化角度,形成思維模型。

任務(wù)二:綜合預(yù)測反應(yīng)條件

【資料】以二氧化碳和氫氣為原料合成甲醇時(shí),通常存在著以下反應(yīng):

ΔH=+41.2 kJ/mol

【教師】1.主副反應(yīng)的特點(diǎn)有哪些?

2.理論預(yù)測反應(yīng)條件,填寫在學(xué)案上。

【學(xué)生】討論、分享。

主反應(yīng)特點(diǎn):放熱、氣體系數(shù)和減小。

副反應(yīng):吸熱,氣體系數(shù)和不變。

調(diào)控目標(biāo):提高速率、提高轉(zhuǎn)化率、促進(jìn)主反應(yīng)、抑制副反應(yīng)。

條件選擇:高壓、低溫、提高反應(yīng)物濃度、加入催化劑。

【教師】整理學(xué)生答案,引導(dǎo)學(xué)生在增加副反應(yīng)的思考維度后關(guān)注平衡轉(zhuǎn)化率、平衡產(chǎn)率的表達(dá)差異;關(guān)注催化劑的活性和選擇性。

【設(shè)計(jì)意圖】運(yùn)用反應(yīng)限度及反應(yīng)速率的基本知識(shí),從不同角度對(duì)主副反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行考量,探討不同條件的利弊。

環(huán)節(jié)三:分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定適合的反應(yīng)條件

任務(wù)三:結(jié)合資料分析真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測是否相符合,優(yōu)化理論預(yù)測的反應(yīng)條件

【學(xué)生】小組討論,匯報(bào)優(yōu)化結(jié)果。

任務(wù)四:結(jié)合不同小組的匯報(bào)內(nèi)容,進(jìn)行問題解答,依次分析各因素對(duì)該反應(yīng)的影響

活動(dòng)一:確定實(shí)際投料比的選擇

2.氫氣的來源:通過電解水產(chǎn)生氫氣或通過甲烷水蒸氣重整制氫得到氫氣,生產(chǎn)成本較高。

【教師】利用問題線,對(duì)學(xué)生的思維路徑進(jìn)行引導(dǎo)。

1.結(jié)合K和Qc關(guān)系,你認(rèn)為提高哪一種反應(yīng)物用量對(duì)平衡移動(dòng)的影響更大?

3.理想狀態(tài)時(shí),二氧化碳的轉(zhuǎn)化率=甲醇的產(chǎn)率,結(jié)合圖像你發(fā)現(xiàn)了什么問題?請(qǐng)對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析,并加以解決。

4.是否有辦法提高原料的利用率?

【學(xué)生】針對(duì)以上問題分析整理。

活動(dòng)二:確定實(shí)際壓強(qiáng)的選擇

【資料】不同壓強(qiáng)對(duì)甲醇產(chǎn)率的影響圖像

【教師】觀察圖像,選擇合適的反應(yīng)壓強(qiáng),并說明原因。壓強(qiáng)是否越大越好?綜合理論數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)成本等問題優(yōu)化壓強(qiáng)的選擇。

【學(xué)生】從圖中數(shù)據(jù)變化可看出,壓強(qiáng)越高,甲醇的產(chǎn)率越高,但從成本投入角度看,壓強(qiáng)越高生產(chǎn)成本越高。

活動(dòng)三:確定實(shí)際催化劑的選擇

【資料】催化劑組成的改變對(duì)甲醇產(chǎn)率和選擇性的影響

【教師】分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇合適的催化劑,并說明原因。

【學(xué)生】闡述不同催化劑選擇的原因。3組優(yōu)點(diǎn):選擇性100%,沒有副產(chǎn)物生成。4組優(yōu)點(diǎn):單位時(shí)間內(nèi)生成甲醇的量更多,反應(yīng)速率快,催化劑活性更好。綜合考慮,與其他催化劑相比,3組和4組都有各自的優(yōu)點(diǎn),實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以按需選擇。

活動(dòng)四:確定實(shí)際溫度的選擇

【材料】反應(yīng)溫度與甲醇產(chǎn)率的關(guān)系。請(qǐng)關(guān)注圖中數(shù)據(jù)的測定標(biāo)準(zhǔn):其他條件相同時(shí),不同溫度下,加入相同催化劑,在相同生產(chǎn)時(shí)間段內(nèi),測得甲醇的產(chǎn)率。

【教師】理論上,低溫有利于合成甲醇,即溫度越高甲醇平衡產(chǎn)率越低。結(jié)合主副反應(yīng)的特點(diǎn)及研究化學(xué)反應(yīng)的兩個(gè)角度,請(qǐng)回答:

1.為何圖像中溫度升高,實(shí)際產(chǎn)率呈先升高后降低的趨勢。

2.選擇合適的反應(yīng)溫度,并說明原因。

【學(xué)生】第一階段,甲醇的產(chǎn)率隨溫度的升高而升高。

因?yàn)樵摐囟认路磻?yīng)未達(dá)平衡,甲醇的產(chǎn)率受速率影響,溫度越高,反應(yīng)速率越快,甲醇的產(chǎn)率越高;溫度越高,催化劑的活性越好,反應(yīng)速率加快。

第二階段,甲醇的產(chǎn)率隨溫度的升高而降低。

因素1:該溫度下,反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)。溫度升高,主反應(yīng)逆向移動(dòng),甲醇的產(chǎn)率降低;

因素2:隨著溫度的繼續(xù)升高,催化劑的活性減弱,反應(yīng)速率減慢,甲醇的產(chǎn)率降低。

【教師】資料中的產(chǎn)率都是一定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù),并不是平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率。低溫條件下有利于甲醇的生產(chǎn),可實(shí)際生產(chǎn)中,低溫狀態(tài)幾乎測不到生成物,是因?yàn)樵摐囟炔惶幵诖呋瘎┑幕钚苑秶鷥?nèi)。因此確定溫度時(shí),通常需要在催化劑的活性溫度范圍內(nèi),研究溫度對(duì)產(chǎn)率的影響。

【設(shè)計(jì)意圖】通過引導(dǎo)學(xué)生閱讀資料、圖表,針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將抽象的條件預(yù)測更直觀、具體的呈現(xiàn)出來。引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)證據(jù)和理論證據(jù)的不同特點(diǎn)。提升學(xué)生提取信息、應(yīng)用信息和利用所學(xué)知識(shí)解決問題的能力。對(duì)分析問題的依據(jù),建立理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)維度。通過理論和實(shí)際的聯(lián)系,學(xué)生可以了解理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)對(duì)于解決問題各自的貢獻(xiàn)。經(jīng)過上述分析,學(xué)生能夠意識(shí)到工業(yè)生產(chǎn)的目的是獲得利潤,因此選擇合成甲醇的適宜條件時(shí),既不能片面追求高轉(zhuǎn)化率,也不能片面追求高反應(yīng)速率,應(yīng)選擇以較高反應(yīng)速率獲得適當(dāng)轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。

環(huán)節(jié)四:歸納總結(jié)形成思路

【教師】經(jīng)過本次項(xiàng)目活動(dòng),同學(xué)們已經(jīng)明確了工業(yè)廢氣中二氧化碳和氫氣合成甲醇的反應(yīng)特點(diǎn)以及對(duì)其有利的反應(yīng)條件。事實(shí)上,除甲醇外,還有很多化工原料,如甲醛、乙烯、乙醇、二甲醚等,都有可能利用二氧化碳作為碳源進(jìn)行合成。垃圾是放錯(cuò)地方的資源,這一思路也可以應(yīng)用在將我們生活中其他廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)我們有用物質(zhì)的合成中去。

【問題】針對(duì)一個(gè)特定的實(shí)際問題,我們能否歸納出調(diào)控反應(yīng)條件的思路和方法?

【學(xué)生】針對(duì)給定化學(xué)反應(yīng),根據(jù)反應(yīng)的焓變、氣體系數(shù)和等特點(diǎn),初步從平衡和反應(yīng)速率兩個(gè)維度明確溫度和壓強(qiáng)的趨勢,綜合安全、成本、技術(shù)等實(shí)際情況以及可能發(fā)生的副反應(yīng)的特點(diǎn),選擇適當(dāng)反應(yīng)物的適當(dāng)濃度和投料比例,同時(shí)選擇活性和選擇性都較強(qiáng)的催化劑,并注意催化劑活性溫度范圍。最終通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證將這些理論預(yù)測落實(shí)為具體的反應(yīng)條件。

【設(shè)計(jì)意圖】通過反應(yīng)條件的選擇與優(yōu)化的歸納總結(jié),促使學(xué)生形成從限度、速率等多角度綜合調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的基本思路。

六、教學(xué)反思

本課例采用“微項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”的教學(xué)方式,通過情境、問題和活動(dòng)的設(shè)計(jì),以實(shí)際問題為教學(xué)的任務(wù),以真實(shí)情境為教學(xué)的載體,以化學(xué)知識(shí)為解決問題的工具,教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程與學(xué)生認(rèn)知過程中的思維發(fā)展路徑相一致,與綜合問題解決所需的知識(shí)發(fā)展脈絡(luò)相一致,這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)更有利于化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的落地。

此教學(xué)設(shè)計(jì)是在真實(shí)情境中基于學(xué)科核心素養(yǎng)建構(gòu)思維模型的教學(xué),具有以下兩個(gè)特點(diǎn):在教學(xué)過程中,利用問題了解學(xué)生思維路徑和思考過程的細(xì)節(jié),將抽象的表格和圖形轉(zhuǎn)化為可被學(xué)生提取利用的化學(xué)信息,培養(yǎng)學(xué)生建立外界條件、圖表和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的邏輯關(guān)系,讓學(xué)生學(xué)會(huì)處理真實(shí)情境下問題的方法,分別從外界因素對(duì)于化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響這兩個(gè)角度進(jìn)行思考,培養(yǎng)了學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科核心素養(yǎng);提高了學(xué)生對(duì)于化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡的認(rèn)知水平,通過真實(shí)情境中的化學(xué)反應(yīng)調(diào)控問題,認(rèn)識(shí)到化學(xué)變化有一定的限度和速率,是可以通過改變外界條件進(jìn)行調(diào)控的,在分析改變外界條件對(duì)于復(fù)雜體系影響時(shí),也能從多角度分別進(jìn)行具體的分析,解決簡單的實(shí)際問題,培養(yǎng)了學(xué)生“變化觀念與平衡思想”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

探討如何利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳合成甲醇——

化學(xué)反應(yīng)條件優(yōu)化任務(wù)單

任務(wù)一:如果你作為實(shí)際生產(chǎn)者,你需要考慮哪些方面?

任務(wù)二:綜合預(yù)測反應(yīng)條件

ΔH=+41.2 kJ/mol

小組活動(dòng):1.主副反應(yīng)的特點(diǎn)有哪些?

2.理論預(yù)測反應(yīng)條件,填寫在學(xué)案上。

表1 整理主反應(yīng)和副反應(yīng)特點(diǎn)

表2 理論預(yù)測反應(yīng)條件

任務(wù)三:根據(jù)理論預(yù)測,查閱資料中的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

小組活動(dòng):結(jié)合問題,優(yōu)化反應(yīng)條件

濃度(投料比)壓強(qiáng)溫度催化劑

資料數(shù)據(jù)單

一、濃度資料

n(H2)∶n(CO2)2∶13∶15∶17∶1二氧化碳轉(zhuǎn)化率/%11.6313.6815.9318.71甲醇產(chǎn)率/%3.044.355.968.11

(2)在等溫條件下,若氣體的總壓不變,則氣體的總投料量相同。

圖1 不同對(duì)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率及甲醇的產(chǎn)率的影響

資料2:氫氣的來源:通過電解水產(chǎn)生氫氣或通過甲烷水蒸氣重整制氫得到氫氣,生產(chǎn)成本較高。

小組討論:

1.結(jié)合K、Qc關(guān)系,提高哪一種反應(yīng)物濃度對(duì)平衡移動(dòng)影響更大?

3.理想狀態(tài)時(shí),二氧化碳的轉(zhuǎn)化率=甲醇的產(chǎn)率,結(jié)合圖像你發(fā)現(xiàn)了什么問題?請(qǐng)對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析,并加以解決。

二、壓強(qiáng)資料

圖2 反應(yīng)壓強(qiáng)與甲醇產(chǎn)率的關(guān)系

小組討論:

1.觀察圖像,選擇合適的反應(yīng)壓強(qiáng),并說明原因?

三、催化劑資料

資料1:催化劑組成的改變對(duì)甲醇產(chǎn)率和選擇性的影響

組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)CH3OH產(chǎn)量/[g(kg-催化劑-1·h-1)]選擇性/%1組:CuO/Al2O378402組:CuO/ZnO/ZrO296883組:CuO/ZnO/ZrO2(3.6)/MnO(4)881004組:CuO/ZnO/ZrO2(5.6)/MnO(2)13891

(2)選擇性:生成甲醇的二氧化碳在全部二氧化碳反應(yīng)物中所占的比例。

(3)甲醇產(chǎn)量/[g·(kg-催化劑-1·h-1)]:單位質(zhì)量催化劑在單位時(shí)間內(nèi)所獲得的產(chǎn)物質(zhì)量;常用于評(píng)價(jià)催化劑活性。

小組討論:

1.分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇合適的催化劑,并說明原因?

四、溫度資料

其他條件相同時(shí),不同溫度下,加入相同催化劑,在相同生產(chǎn)時(shí)間段內(nèi),測得甲醇的產(chǎn)率。

圖3 反應(yīng)溫度與甲醇產(chǎn)率的關(guān)系

(2)以CuO為主要活性成分的銅基催化劑是目前二氧化碳加氫合成甲醇研究的主要對(duì)象之一,這種催化劑的活性溫度范圍通常為433～543 K。

小組活動(dòng):

理論上,低溫有利于合成甲醇,即溫度越高甲醇平衡產(chǎn)率越低。結(jié)合主副反應(yīng)的特點(diǎn)及研究化學(xué)反應(yīng)的兩個(gè)角度,請(qǐng)回答:

1.選擇合適的反應(yīng)溫度,并說明原因?