“化學反應進行的方向”教學案例及分析

文章編號：1005－6629(2008)10－0018－04中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

教材分析

人教版《化學》選修4中“化學反應進行的方向”的內容最終涉及到反應的吉布斯自由能變化、焓變和熵變知識。要求學生全面了解決定化學反應方向的因素不是單一的焓判據，熵判據也是決定因素之一。教材聯系生活實際以及同學們熟悉的化學反應，由淺入深，使學生自然接受，促使學生從混亂度的角度形成對熵的概念的初步認識。教學的重點是通過問題分析，力求使學生知道化學反應存在方向問題、化學反應進行的方向又與反應體系的某些物理量有關。等溫等壓條件下化學反應進行的方向是由反應焓變和反應熵變共同決定。教學中應根據學生的認知水平，盡量避免深究熵的問題，對于自由能變的知識，供學習有余力、有興趣的學生進一步認識，根據我校的實際情況，我們一并把吉布斯自由能判據與同學進行了討論。

［教學方法］

教學中，充分挖掘學生的想象力，引導學生思考、交流、討論，盡可能使學生自己獲取更多的理性知識。通過列舉現象、引發質疑、交流討論、歷史蹤跡再現等手段和方法來解決問題。并在此基礎上不斷質疑，產生矛盾沖撞，激發探究欲望，提高解決問題的思維深度。使主題在不斷質疑和不斷更新的過程中循序展開。教學中始終關注學生的認知反饋，注重學生學習興趣的激發，并在激烈的討論思考質疑中認識解決問題。以學生為主體進行問題的設置和探究思路。做到問題設置層次明顯，引導功效突出。

［教學目標］略

［教學過程］

［引入］

化學研究的目的之一就是判定在一定的條件下一些物質之間能否自發地進行反應，并為我們所用。例如汽車尾氣中有毒的一氧化碳和一氧化氮能否在一定條件下自發反應轉化成無毒的二氧化碳和氮氣呢？等等諸如此類問題，不可能都通過實驗驗證，這樣耗費極大，甚至最終可能徒勞。這就需要人們去發現和尋找一些客觀判據，來幫助解決化學反應在一定條件下能否自發進行的問題。

［投影］

(1)自然界中水由高處往低處流；(2)石頭從山坡上滾下；

這些常見的現象將向何方發展，我們非常清楚，因為它們有明顯的自發性并且過程自發進行后體系的能量降低。

［提問］(學生交流與思考把問題引向深入)

下列反應在一定條件下都能自發進行，

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)

△H=-802.3kJ·mol-1

2Fe(s)+3/2O2(g)=Fe2O3(s)△H=-824kJ·mol-1

2H2(g)+O2(g)=2H2O(1) △H=-571.6kJ·mol-1

請從能量變化的角度分析這些自發進行的反應的共同特點？

［學生］△H<0的反應即放熱反應，在一定條件下能自發進行；同時自發進行的化學反應也需要燃燒、加熱等一些條件。

［設問］19世紀，化學家曾認為決定化學反應能否自發進行的因素是反應的焓變，即△H<0的放熱反應都可以自發進行(上述已經確認這點)，而△H>0的吸熱反應則不能自發進行，你同意這個觀點嗎？

［實驗探究］取適量Ba(OH)2·8H2O(s)和NH4Cl(s)混合于錐形瓶，振蕩，思考并回答：

1.該反應是否發生？如何判斷？2.該反應的焓變如何？

［學生］反應的溫度變化確定反應已經發生；容器外壁觸摸感覺溫度降低，說明反應吸熱。

［提問］還有哪些常見的能自發進行的吸熱反應呢？

［學生］

CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g) △H=+178.5kJ·mol-1

C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)△H=+131.3kJ·mol-1

等等。顯然，一些吸熱反應(過程)在一定條件下也能自發進行。(引發矛盾，引起質疑)

［結論］焓判據不足以全面說明反應的自發性，即決定化學反應自發進行一定還有其他因素。

［設計意圖］

在課中提出問題，引發本節課學習目的，同時提出問題，引發質疑和探究，激發學習的熱情。通過自然界自發現象聯系到化學放熱反應在一定條件下能自發進行。引導學生類比歸納。引用了歷史上化學家的階段性研究結論，揭示了問題研究過程的相似性。緊接著設計通過實驗來判斷結論正確與否，通過試驗研究分析，擴展認識，產生矛盾沖突，即吸熱反應也能在一定條件下自發進行。整個設計是引發問題，歸納問題，實驗驗證結論，自然得出焓判據不足以全面說明反應的自發性問題。激發學生不斷把問題的思考引向深入。

［投影］一組自然現象

一盒火柴棒落地散亂；一滴墨水在清水中擴散；酚酞滴入堿溶液中顏色擴散；冰的融化，水的氣化……這些變化的共同點是什么呢？

［學生交流］

上述自發進行的過程共同點是微粒排布明顯從相對有序狀態過渡到相對混亂狀態。

教師繼續設置問題，引發從有序到無序的進一步認識。

［提問］

大家知道，固體硝酸銨、氫氧化鈉、氯化鈉、蔗糖都能自動溶解于水。請問：

1.他們溶解過程的焓變如何？說明了什么問題？

2.他們溶解于水后微粒排布有何變化？

［學生］思考相互交流得出結論

固體硝酸銨溶于水吸熱，氫氧化鈉溶于水放熱，而氯化鈉和蔗糖溶解于的水熱效應不太明顯，但是都能自發溶解于水；并且溶于水后微粒排布也是從相對有序過渡到相對無序狀態。

［質問］(聯系化學反應，把問題繼續引向深入)

下列反應在一定條件下可以自發進行：

H2O2分解后放出O2：

鋅粒和稀硫酸反應放出H2……聯系上述變化，又說明了什么問題？

［學生］由氣體放出的化學反應在一定條件下也能夠自發進行。從微粒排布的角度也可以看作是有氣體生成其實也是體系的混亂度增加。

［投影］(教師闡述)德國物理學家克勞修斯在1850年創造的一個術語，即“熵”，用來描述大量粒子組成體系混亂度的物理量。

從有序到無序，系統的熵增加。熵增加的過程，實質就意味著能量耗散了。

熵判據：體系有自發的向混亂度增加(即熵增)的方向轉變的傾向。

［投影］：(請學生觀察表中所給的信息分析得出結論)

一些物質在不同狀態下的標準熵值

298K100kPa S:單位J·mol-1·K-1

上述表格能得出什么結論？

［學生］相同條件下，等物質的量同種物質在不同聚集狀態時氣態的熵值最大，即混亂度最大；固態時熵值最小。

［投石問路］

給定條件下：△S=生成物熵的總和-反應物熵的總和

在一定的溫度、壓強下，下列反應能自發進行：

NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)

Ag+(aq)+Cl-(aq)=AgCl(s)

1.請分析反應的熵變(△S)？2.能得到什么結論呢？

［學生］反應1和2都是熵變減小的反應，在一定條件下也能自發進行。

結論：熵判據是反應自發進行傾向的又一說明，但是也不唯一

［設計意圖］

本塊設計主要基于以上概念的抽象性及認識難度和大綱對高中生學習效果要求程度來設計教學。目的是創設一個由淺入深，自然而然地層層遞進認識。從自然現象到化學現象，再到具體的聯系實際問題，為學生搭建起對混亂度-熵這個新物理量的認識，知道了自發過程普遍存在的混亂度增加，即熵增加原理。同時結合實際測量數據，利用圖表數據讓學生自己去分析學習，得出物質在不同聚集狀態下熵值的相對大小，為下邊更全面具體的判斷打好基礎。在對事物認識達到一定高度后，又聯系化學反應提出了新的問題，來說明熵判據的不全面性，引起矛盾，激發認識成長。始終以學生為主體，考慮學生的認知水平、考慮學生的思維特點，注重探索發現。

［投影］闡述科學實驗事實

科學家觀點:

根據體系存在著力圖使自身能量趨于“最低”和“有序”變“無序”的自然現象提出了用相互關聯的焓判據和熵判據解決化學反應的方向問題。為了同時考慮能量和混亂度兩方面的因素，1876年美國化學家Gibbs提出一個新狀態函數G(稱為自由能)作為等溫、等壓下化學反應方向的判據：G=H-TS

在等溫、等壓下△G=△H-T△S

上式稱為吉布斯—赫姆霍茲公式，從中我們看到，△G(自由能變化)中包含了△H(焓變)和△S(熵變)兩種因素的影響。

［投影］對上述事實再給與充分的認識分析。

在等溫、等壓條件下自發進行的化學反應總是向著體系吉布斯自由能降低(△G<0)的方向進行。

△G<0能自發進行 △H-T△S<0

△G>0不自發進行 △H-T△S>0

△G=0處于平衡狀態△H-T△S=0

［問題］引導學生充分思考，小組討論后填寫(給出化學反應和焓變，學生討論后兩項)

化學反應焓變熵變 可否自發進行

2H2O2(1)=2H2O(1)+O2(g)△H<0 △S>0自發進行

N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) △H<0 △S<0低溫可自發進行

CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g) △H>0 △S>0高溫可自發進行

2H2O(1)+O2(g)=2H2O2(1)△H>0 △S<0不自發進行

［結論］在焓變和熵變一定的條件下，通過改變反應的溫度也使在常溫下不能自發進行的化學反應得以自發進行。

［設計意圖］

把上述研究得出兩方面不全面的認識結合起來得出吉布斯—赫姆霍茲公式，并引導學生思考應用。這點是和課前提出問題—尋找判據相呼應的。雖然大綱對此不作太深的要求，但是根據我校學生的情況我還是把本部分內容作了系統的引導分析。我覺得最終要把問題解釋清楚，讓學生能運用理論進行初步的化學反應進行方向的判斷。從方法上也啟發學生對事物的認識不可能一帆風順，是在深入研究后不斷發現，不斷發生矛盾的沖突中去提高認識，才能使認識更全面，更客觀。對學生今后研究化學問題也起到一定的方法指導作用。

［聯系實際］聯系本節課學習的判據，解決引課提出的問題。首尾呼應。學生在練習本上演算。

汽車尾氣凈化采用如下原理：

2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)

試解釋是否可行？已知：298K、100kPa下，

△H=-746.8KJ·mol-1，△S=-197.5J·mol-1·K-1

［結論］根據△G=△H-T△S計算，最終△G<0，反應可以自發進行。

［教師］

事實是在通常條件下這個反應進行很慢，要用催化劑來加速反應以除去NO、CO。即過程的自發性只能用于判斷過程的方向，不能確定過程是否一定會發生和過程發生的速率。如鋼鐵的腐蝕是必然的，但是我們可以涂保護層防止它腐蝕，即從理論上判斷可以自發進行的反應在實際條件下不一定能夠發生。

［課后思考］登錄百度網站，鍵入“熵”字，加深和擴大對它的認識。

［設計意圖］體現了化學學習最終也是學以致用，解決實際問題。同時也回答了引課提出的汽車尾氣處理問題。體現了激趣、誘思、善斷的課堂教學理念。始終注重同學對問題認識在達到一定高度后，再提出較高的認識問題。最后在課后小結時其實也是隱含告訴學生，結論的認識推廣是有條件限制的，要全面認識，必須更深入一步：即化學反應進行方向自發性判斷不能確定過程是否一定發生和過程發生的速率，達到課堂最終的升華。最后為了擴展學生的學習視野，課后要求借助網絡加深認識。

［課堂練習］略

［教后反思］

1.熟悉教材把握教材編寫思想是上好課的前提。我校使用的是人教版教材版本，但我還分別研讀了蘇教版、魯科版教材。每個版本對教學內容的展示都有各自的特點。本節內容蘇教版分別設計了“你知道嗎、觀察與思考、問題解決、交流與討論”等教學安排；魯科版的“聯想質疑、交流研討、拓展視野”，包括人教版“學與問、科學視野”等都體現了教材編寫者的思想和教學要求。通過對教學資源整合，形成了我本節課的教學思路，專家課后點評也充分肯定研讀不同教材、廣泛查閱資料、提出自己對教材處理意見等在課堂教學方面的重要性。

2.明確要求有的放矢是上好課的基礎。本節教學內容是過去高中人教版課本上沒有涉及到的內容。這部分知識在大學物理化學要進行系統的學習，教材編寫者充分尊重了中學生的認知特點，要求教師要準確把握課程標準，不隨意加深教學內容，對教學中的熵、熵判、吉布斯自由能變只要求“能用……說明化學反應的方向”。所以教學設計既不能盲目求難、求深，又必須把問題討論清楚。在這點上，根據我們學校學生特點，我們把吉布斯自由能這部分內容適當拓展，從教后反饋情況來看，絕大部分學生都能理解。

3.教法得當探究式教學，思考性問題的設置是上好課的關鍵。學生的興趣來自他的需求。而學生的需求要靠教師去不斷引導而獲得滿足。問題探究式教學對于啟發學生的思維、激發學生的求知欲望、培養學生分析思考問題的能力、合作式交流與學習的能力有很大幫助。這就要求教師對問題的設置要難易適度層層深入，邏輯嚴密思考性強，并不斷地在舊問題解決的基礎上適時提出新的問題來引導學生，解決新矛盾。教后感覺學生總體比較興奮，思維活躍，收到了預期效果。

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”