甘玉琴

[摘 要]? 物質(zhì)觀與能量觀是變化的兩大主題，基于進階理論，從學生已有基礎出發(fā)，逐步開展科學、真實的課堂教學，促進學生形成定量的能量觀，發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)水平。

[關鍵詞]能量觀;學科核心素養(yǎng);焓變;熱化學方程式;蓋斯定律

一、教材分析與設計思路

“化學反應中的熱效應”是蘇教版“化學反應原理”第一章第一單元的內(nèi)容，是中學化學基本理論的重要組成部分。

現(xiàn)階段中學化學課程的三個主要階段為：初中義務教育課程，高中必修課程以及高中選擇性必修課程。對于化學反應中熱量的認識，初中化學教學屬于啟蒙性教學，主要停留在對燃燒反應的認識。高中化學必修階段通過放熱和吸熱反應實驗，引導學生認識在化學反應中物質(zhì)變化的同時，也伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，形成初步的能量觀，為選修課程的學習打下基礎。高中化學選擇性必修課程有較為完整和系統(tǒng)的化學知識體系。本單元的內(nèi)容著重引導學生在定量的層次上，討論化學反應的能量變化問題，在觀念上形成定量的能量觀。

本節(jié)課以火箭燃料為線索，將知識點巧妙聯(lián)系在一起。首先，以火箭燃料引入，啟動學生既有的定性的能量觀。其次，介紹燃料加注量需要精確計算，引發(fā)定量研究熱量變化的熱情。最后，通過計算得到火箭燃料氧化的熱量值，初步構建定量的能量觀。

二、教學設計與流程

【情景導入】圖片——2018年長征三號乙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射嫦娥四號探測器，2019年1月3日嫦娥四號探測器在月球背面南極—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，是我國航天事業(yè)的又一重大成就?；鸺?，燃料必不可少，長征三號乙運載火箭的燃料為C2H8N2（偏二甲肼），它與氧化劑N2O4發(fā)生化學反應，放出大量的熱?；瘜W反應既有物質(zhì)變化，同時伴有能量變化，而能量變化一般表現(xiàn)為熱量變化。

設計意圖：通過對我國航空航天技術的大事件介紹，讓學生體會作為一名中國人的自豪感，激發(fā)愛國情懷。轉(zhuǎn)而過渡到火箭升空所需的燃料，激發(fā)學生學習化學反應中熱量的興趣。

【展示圖片】高一學生實驗

鎂條與稀鹽酸的反應讓我們感覺溫暖熱烈，而氫氧化鋇和氯化銨固體間的反應則讓我們感覺冰爽醒腦。

兩個反應一個劇烈放熱，一個則需從環(huán)境中吸熱。

【復習總結(jié)】從熱量變化的角度，可將化學反應分為放熱反應和吸熱反應。

設計意圖：通過展示學生高一做過的實驗圖片，親切自然，快速喚醒化學儲備。

【學生活動1】回顧復習：常見的放熱反應和吸熱反應分別有哪些？

【提出問題】普通的化學反應方程式能否體現(xiàn)熱量的變化？

【回顧復習】2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）? ΔH1=-484kJ·mol-1

熱化學方程式的左側(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】對比必修2和化學反應原理教材對反應熱概念的描述。

必修2中的描述：標明反應放出或吸收的熱量。

化學反應原理中的描述：ΔH的涵義為反應的焓變，在恒溫恒壓條件下，化學反應過程中吸收或釋放的熱量。

設計意圖：從必修2到化學反應原理，ΔH的概念更科學嚴謹?；貧w課本，引導學生辨析概念，客觀認識ΔH是特定條件下化學反應中的熱量。此處無需向?qū)W生具體交代焓變的復雜由來過程，但可以引導學生課后閱讀大學熱力學相關內(nèi)容，理解焓變的意義。

【學生活動2】嘗試說出下列熱化學方程式的意義。

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

【問題1】①②兩個反應放出的熱量不相等。為什么？物質(zhì)的狀態(tài)對反應的熱量變化有影響，在熱化學方程式中，狀態(tài)的標注是否有必要？

【問題2】熱化學方程式③中的化學計量數(shù)：1，1/2，1含義是什么？是否表示物質(zhì)的分子數(shù)？

【問題3】觀察方程式②③，相同的反應，ΔH的值與化學計量數(shù)之間有何關系？

設計意圖：從鮮活的實例出發(fā)，反復引導學生對比觀察、發(fā)現(xiàn)，自然得到結(jié)論。

【問題4】在熱化學方程式中，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？

設計意圖：化學教材是實施化學教學的根本，是化學知識的載體。以上教學過程以教材中三個熱化學方程式為基礎，提出一系列問題，層層遞進，于問題解決中，完成知識建構。有關焓變單位的理解是教學的難點，通過具體的實例為載體來說明焓變單位中mol-1的含義，大大提高學生對mol-1含義的可理解性。

【學生活動3】熱化學方程式的書寫規(guī)則有哪些？

【學生討論】此時，學生通過以上一系列問題的解決，已對熱化學方程式有了清晰的理解，通過分組討論、相互補充，不難得到結(jié)論。

【學生活動4】完成下列熱化學方程式：

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劑。已知6.0g液態(tài)偏二甲肼與足量的液態(tài)N2O4完全反應生成N2（g）、CO2（g）、H2O（g），放出225.0kJ的熱量。

【過渡】反應③——偏二甲肼的氧化放出大量的熱，可作為火箭的高能燃料?；鸺?，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。僅僅是一個燃料加注的過程就需要持續(xù)數(shù)小時，同時火箭需要加注高能燃料的量，必須要經(jīng)過嚴格的計算才能確定。燃料過多將增加火箭的負載，過少則無法將嫦娥四號探測器送上預定軌道，顯然科學家必須對燃料氧化過程中的能量變化進行精確地定量研究。

設計意圖：本課以火箭燃料引入，引導學生從定性的角度認識化學反應中的熱量。此時通過對火箭燃料加注量的介紹，激發(fā)學生要定量研究化學反應過程中能量變化的興趣。問題的切入從定性轉(zhuǎn)向定量，科學思維的深度得到拓展，同時也讓學生感受到了化學的魅力。

【提出問題】化學反應中的熱量數(shù)據(jù)是如何獲取的呢？如果你是一名化學工作者，你首先會想到用什么方法獲取數(shù)據(jù)？

【學生匯報】實驗測量

【教師補充】如甲烷的完全燃燒，在特定的裝置如熱量計內(nèi)進行，便可采集數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為熱量數(shù)值。很多物質(zhì)的燃燒反應均可在特定裝置內(nèi)完成反應，測量數(shù)據(jù)。

【提出問題】以下反應的熱量數(shù)據(jù)能否通過實驗測量得到？為什么？

【學生匯報】反應③難以通過實驗測量，因為在反應中總會有CO2生成。

【疑問】如何獲取那些不易直接測定的反應的反應熱？一起沿著科學家的研究歷程來尋找答案。

【化學史介紹】18世紀拉瓦錫設計了第一臺簡易冰量熱計，并測定水的汽化熱，是熱化學的開創(chuàng)者。19世紀中，蓋斯研究測定大量反應的熱效應，提出著名的蓋斯定律，實現(xiàn)了通過計算來確定某些反應的反應熱，他是熱化學的重大貢獻者;19世紀末，貝特洛發(fā)明一種彈式量熱計，精確測定一系列有機物的燃燒熱，并且根據(jù)蓋斯定律計算出了大量難以通過實驗獲得的數(shù)據(jù)，他也是熱化學的重要貢獻者。經(jīng)過100多年的發(fā)展，時至今日，熱化學的研究已趨于成熟，形成了經(jīng)典的化學熱力學理論。

設計意圖：借助于化學史資料，熱化學沿著歷史的足跡，從遠古時期走來，歷經(jīng)多次創(chuàng)新發(fā)展，形成今日之成熟理論。在此過程中，鼓勵學生學習科學家勇于創(chuàng)新、積極探索的科學精神。

【定律介紹】神奇的蓋斯定律，一種表述：一個化學反應，不論是一步完成，還是分幾步完成，其總的熱效應是完全相同的。另一種表述：一個化學反應的焓變ΔH僅與反應的起始狀態(tài)和反應的最終狀態(tài)有關，而與反應的途徑無關。

【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，無論選擇哪種方式，其勢能變化總是相同的，與具體的途徑無關（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。

設計意圖：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)推理和模型認知的學科核心素養(yǎng)。

【學生活動5】應用蓋斯定律，設計合理途徑，計算反應③的焓變。

【提出問題】ΔH1、ΔH2、ΔH3之間等量關系如何？方程式之間加和關系如何？

【總結(jié)規(guī)律】若一個反應的化學方程式可由另外幾個反應的化學方程式相加減而得到，則該反應的焓變亦可以由這幾個反應的焓變相加減而得到。

【知識應用】C2H8N2（偏二甲肼）和N2O4是長征三號乙運載火箭推進劑。

若不用實驗測量的方法，利用上述有關數(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）的熱化學方程式。

【分析總結(jié)】該反應熱量值的獲得具有重要意義，為后續(xù)科學應用提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

設計意圖：本課以火箭燃料引入，之后通過對火箭燃料加注量的介紹，激發(fā)學生定量的研究興趣，最后利用蓋斯定律計算火箭燃料氧化產(chǎn)生的熱量。利用熱化學方程式，可以有效準確地預算一些反應的熱效應，可以更科學合理地利用資源。這樣來認識熱化學方程式，真正回歸到化學學科的本來面目，培養(yǎng)學生的學科思想和學科能力。

【課堂總結(jié)】本節(jié)課我們沿著必修2的腳步客觀認識了化學反應中的熱量，借助于熱化學方程式進行了準確描述，并嘗試應用蓋斯定律定量計算熱量?；瘜W是一門以實驗為基礎的科學，很多反應的ΔH值一定是通過實驗獲取，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)可以對科學研究、生產(chǎn)生活進行重要指導。

三、教學反思

本節(jié)課的教學內(nèi)容是基于蘇教版化學反應原理專題1第一單元的第一課時內(nèi)容進行設計的。

學生在必修課程中已經(jīng)知道化學反應過程中存在熱效應，了解熱化學方程式可以描述熱量變化，但對于熱化學方程式的書寫要點并未過多涉及。此外，學生已經(jīng)知道常見的放熱反應和吸熱反應，但不知道如何測量和計算反應熱。本課基于從學生已有的知識出發(fā)，首先介紹了熱化學方程式的涵義及書寫要點。熱化學方程式的真正意義何在？表觀上它只是表征反應過程中能量變化的方程式，實質(zhì)上反應熱才是真正值得關注的焦點?；瘜W變化永遠與能量相伴，沒有能量的核算，化學的價值將黯然失色。要獲得能量的數(shù)據(jù)，實驗測量和定量計算是兩架馬車，接著本課重點介紹了利用蓋斯定律進行計算，由于課堂時間有限，通過實驗測量這一重要手段獲取反應熱未能涉及。從必修到選修，學生的能量觀從定性轉(zhuǎn)向定量，逐步形成定量的能量觀。待學習完反應熱的測量后，相信學生會形成較完整的定量能量觀。本課試圖科學、真實地進行“化學反應中的熱效應”教學，嚴謹妥善地處理關鍵細節(jié)，系統(tǒng)完整地構建知識網(wǎng)絡，未達成之處，有賴于后續(xù)的學習。

[參 考 文 獻]

[1]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書：化學2：必修[M].6版.南京：江蘇鳳凰教育出版社，2015.

[2]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書：化學反應原理：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.標準絕熱型彈式熱量計及高純甲烷熱值的測定[J].計量學報，1988（2）.

（責任編輯：趙曉梅）