基于核心素養(yǎng)發(fā)展的項目教學
——以“CO2資源化利用”為例

蘇 芹 佘曉敏

（廈門雙十中學，福建 廈門 361005）

常規(guī)高三化學復習往往是以知識梳理、習題講練為主的教學模式，師生在多輪次的講評練中逐漸喪失了教與學的激情，課堂逐漸空洞枯燥乏味，再提升的空間小。為提高高三二輪復習的有效性，本案例以社會熱點溫室氣體CO2的資源化利用的研究應用展開項目教學活動，在復雜陌生的問題情境中，學生從類價二維、方向、限度、速率、條件和能量轉(zhuǎn)化等多認識角度系統(tǒng)分析物質(zhì)和反應，構(gòu)建動力學熱力學分析解決問題的思維模型，實現(xiàn)知識、問題的結(jié)構(gòu)化和解題思路化，提高了遷移創(chuàng)新能力。［1］

一、項目教學主題分析

本課程是魯教版化學反應原理模塊的第二章化學反應的方向、限度和速率的專題式高三二輪復習。

“CO2的資源化利用”是社會熱點也是科技前沿的世界性科研熱點，以此新素材為項目課題，立足于CO2這一耳熟能詳?shù)某Ｒ?guī)典型的物質(zhì)，辯證地引導學生認識到CO2不僅是溫室氣體，更是潛在的碳資源，探索其能源價值這一未知領域，能極大地激發(fā)學生的學習興趣與探索渴望?？茖W研究表明，從大規(guī)模利用角度考慮，CO2合成CH3OH、HCOOH、CH3、CH2OH、CO 和CH4等反應最具研究價值，尤其是CH3OH 和CH4的能源價值非常顯著。［2］CO2結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，活化CO2分子所需的能量來源于電能、高溫或其他活潑原料的化學能，轉(zhuǎn)化反應中最重要的就是高選擇性的催化劑的選擇，研究過程承載了熱力學動力學的核心知識內(nèi)容，符合課程標準的規(guī)定和價值導向。課程內(nèi)容選擇研究較多理論較成熟CO2催化加氫還原制備CH3OH 反應條件的選擇與優(yōu)化［3］、CO2-CH4化重整反應中積炭問題解決［4］兩方面的內(nèi)容，從物質(zhì)、反應、能量多角度組織學生開展關(guān)于反應路線設計、反應方向判斷、反應條件的選擇與優(yōu)化的討論，有效地促使學生形成從方向、限度、速率、能耗和條件等多角度綜合調(diào)控化學反應的基本思路，培養(yǎng)能量觀、變化觀念素養(yǎng)；在積炭問題研究過程中，通過催化劑調(diào)控反應速率體驗利用活化能理論實現(xiàn)反應調(diào)控，綜合應用多種視角解決真實問題，培養(yǎng)證據(jù)推理素養(yǎng)，發(fā)展學生“綠色化學”的觀念和辯證思維的能力。

二、項目學習規(guī)劃

（一）項目學習設計思路

基于學生的學生認知發(fā)展和學生的能力發(fā)展水平及知識的邏輯順序、實際問題的解決過程，項目活動以“CO2資源化利用”的從理想轉(zhuǎn)化到實際轉(zhuǎn)化再到工業(yè)生產(chǎn)的研究過程為情景線索，通過CO2合成CH3OH 反應路線設計、CO2加氫還原制取CH3OH 的反應條件選擇、CO2-CH4催化重整積炭問題解決三個主題問題解決活動，引導學生從物質(zhì)、反應、能量的多重認識角度，運用價-類二維、熱力學和動力學原理綜合解決問題，梳理核心知識的同時自主構(gòu)建思維模型，實現(xiàn)復習課程的教學目標。

（二）項目任務及教學流程（見表1）

表1 教學流程圖

三、項目實施過程及教學成果

項目教學實施過程實錄如下：

［任務1］由CO2合成CH3OH 路線分析

【引入】多媒體展示溫室效應的圖片，引導學生提出應對分析全球變暖問題的途徑，多角度認知CO2既是溫室氣體又是潛在的碳資源。介紹CO2資源化的主要轉(zhuǎn)化途徑。

【布置任務】任務1：如何將CO2合成CH3OH？嘗試寫出合理的反應方程式。

【學生觀點】對比反應物CO2和生成物CH3OH 的組成，應該選擇含氫元素的物質(zhì)H2和CO2反應。反應方程式為CO2+3H2====CH3OH+H2O。

【教師追問】為什么不選擇自然界存在更多的H2O 呢？

【學生回答】因為CO2生成CH3OH 的變化過程中碳元素化合價降低，從價態(tài)的角度來看反應還需要還原劑，H2具有還原性，H2O 不具備，應該選擇H2。

【教師概括分析思路和角度】回答很準確。分析物質(zhì)轉(zhuǎn)化時應從類別和價態(tài)兩個角度即“類價二維”的角度進行分析，找出合理的反應路徑。

［任務2］CO2催化氫化合成CH3OH 的條件選擇

【教師給出反應的熱化學方程式，設問】設計完反應方程式之后，如何判斷反應能否發(fā)生呢？請根據(jù)熱化學方程式CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）ΔH=-49.01kJ·mol-1進行判斷。

【學生根據(jù)反應的特點回答】根據(jù)ΔH-TΔS 是否小于0 進行判斷。是放熱熵減的反應，低溫條件下反應可以發(fā)生。

【教師概括分析角度和思路，追問】回答得很好，該反應的特點是正向氣體系數(shù)減小，ΔH<0，ΔS<0，低溫條件下有利于反應的發(fā)生。根據(jù)理論計算證明反應確實可以發(fā)生。那什么條件有利于CH3OH 的合成？并說出你的判斷依據(jù)。

【學生根據(jù)反應的特點回答】該反應ΔH<0，ΔS<0，降低溫度、增大壓強和增大H2的濃度都有利于提高CO2的轉(zhuǎn)化率。

【教師追問】工業(yè)上為了獲得較高的CH3OH 產(chǎn)率，需要控制合適的反應條件。同學們根據(jù)反應的特點提出低溫高壓有利于提高反應的限度，在實際工業(yè)生產(chǎn)中是不是如此呢？

【布置任務：提高合成CH3OH 的產(chǎn)率的適宜條件選擇分析】請根據(jù)材料1 和材料2 完成以下任務：

材料1：CO2（C=O 的鍵能為799kJ·mol-1）自身很穩(wěn)定，活化CO2分子所需的能量很高，需要使用催化劑加快反應速率。目前生產(chǎn)CH3OH 所用催化劑主要有2大類，一類是以Cu 為主要活性成分的Cu 基催化劑，另一類是以貴金屬作為主要活性成分的催化劑。

材料2：一個采用Cu 基催化劑的研究實例中，CO2和H2體積比為1：3，一定氣體流速（提示:反應時間一定）：溫度為523K，CO2的轉(zhuǎn)化率和CH3OH 產(chǎn)率隨壓強變化如下圖1 所示；壓強為5MPa，CO2的轉(zhuǎn)化率和CH3OH 的產(chǎn)率隨壓強變化如下圖2 所示［3］：

圖1 反應壓強與CO2轉(zhuǎn)化率/CH3OH 產(chǎn)率的關(guān)系

請分析：①根據(jù)圖2 分析CO2的實際轉(zhuǎn)化率和CO2理論轉(zhuǎn)化率不匹配的原因：

②根據(jù)圖2 分析CO2的實際轉(zhuǎn)化率高于CH3OH 的實際產(chǎn)率的原因：

③你認為通過控制哪些條件來提高合成CH3OH的產(chǎn)率？

【學生以4 人小組的方式展開討論，填寫學案，并匯報交流】

【學生觀點1】通過讀圖分析，CH3OH 的適宜條件是高壓，523K，采用比較便宜的銅基催化劑。圖2 分析CO2的實際轉(zhuǎn)化率和CO2理論轉(zhuǎn)化率不匹配的原因是溫度低于523K 時反應速度比較慢，反應時間固定時，未達到平衡，所以CO2的實際轉(zhuǎn)化率低于CO2理論轉(zhuǎn)化率。CO2的實際轉(zhuǎn)化率高于CH3OH 的實際產(chǎn)率的是因為存在副反應。

圖2 反應溫度與CO2轉(zhuǎn)化率/CH3OH 產(chǎn)率的關(guān)系

【學生觀點2】還應該考慮設備的耐壓問題，應該選擇適當?shù)母邏?，不能無限高壓。

【教師概括總結(jié)，理順思路并追問】兩組同學分析都很好，選擇條件不僅考慮了反應的特點、工業(yè)數(shù)據(jù)分析還想到了造價的問題。根據(jù)圖一可知CO2的轉(zhuǎn)化率和CH3OH 的產(chǎn)率與理想狀態(tài)隨壓強變化變化趨勢一致，增大壓強有利于反應，但考慮工業(yè)實際選擇5～10MPa 較好［4］。圖二中CO2的轉(zhuǎn)化率和CH3OH 的產(chǎn)率與理想狀態(tài)隨溫度變化變化趨勢不一致，低溫數(shù)值較小，說明低溫反應速率較小，說明熱力學分析得出的理論數(shù)值反映的是反應趨勢，并不代表反應實際生產(chǎn)情況；實際工業(yè)生產(chǎn)不僅要考慮反應限度也需要考慮反應速率問題，速率往往是決定性因素。溫度約為523K 時CH3OH 轉(zhuǎn)化率最高。CO2的轉(zhuǎn)化率高于CH3OH 的產(chǎn)率，說明副反應也會影響CH3OH 的轉(zhuǎn)化率。在CO2加氫制CH3OH 的反應體系中，若不考慮生成的烯烴和較高碳醇等副反應，主要的化學反應如下：

主反應：CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）ΔH=-49.01kJ·mol-1

副反應：CO2（g）+H2（g）?CO（g）+H2O（g）ΔH=+41.17kJ·mol-1

請綜合反應體系的主副反應特點再次分析，什么條件下有利于主反應發(fā)生？并說明理由。

【學生觀點】主反應為分子數(shù)減小的反應，而副反應為分子數(shù)不變的反應，因此增大體系的壓強有助于生成CH3OH 的主反應正向移動，而對生成CO 的副反應沒有影響。主反應ΔH<0，副反應ΔH>0，低溫有利。但是低溫反應速率比較低，目前還想不到解決方法。

【教師補充，拓展，提供知識支持】對于主副反應的調(diào)控，熱力學不占優(yōu)勢的反應，可控制動力學占優(yōu)勢，即使用優(yōu)良的催化劑。我國科學家研制了一種雙金屬固溶體氧化物催化劑，實現(xiàn)了CO2高選擇性高穩(wěn)定性加氫合成CH3OH。［7］

【教師概括分析角度和思維，建立熱力學和動力學綜合解決問題的模型并板書】（見圖3）

圖3

［任務3］CH4-CO2催化重整反應中積炭問題解決—應用模型

【銜接，教師講解，提出問題】CO2化學資源化利用存在爭議：消耗大量的H2；消耗能量經(jīng)濟性不高。若將還原劑換為自然存儲量大的另一典型溫室氣體CH4便可解決氫源困擾，同時CH4與CO2催化重整反應產(chǎn)生H2與CO 可直接作為深度轉(zhuǎn)化的碳基合成及費托合成的理想原料。（多媒體展示我國CH4-CO2重整技術(shù)研發(fā)獲重要突破新聞）工業(yè)生產(chǎn)中采用了相對豐富而廉價的Ni 基催化劑，催化活性較好，但是積炭嚴重；積炭會破壞催化劑結(jié)構(gòu)，造成催化劑失活。請大家思考如何通過調(diào)整反應條件解決積炭問題呢？

【布置任務】請同學們結(jié)合CO2-CH4重整反應涉及的主要反應［7-8］，思考溫度如何影響催化劑表面積炭的形成？

主反應：CO2（g）+CH4（g）======2CO（g）+2H2（g）ΔH=+247kJ·mol-1

逆水蒸氣變換：CO2（g）+H2（g）======H2O（g）+CO（g）ΔH=+41kJ·mol-1

CH4裂 解：CH4（g）======C（s）+2H2（g）ΔH=+75kJ·mol-1

CO 歧 化：2CO（g）======C（s）+CO2（g）ΔH=-172kJ·mol-1

【學生先獨立思考，后以小組的方式展開討論，填寫學案，并匯報交流】

【學生觀點，提出疑惑】CO2-CH4 重整主反應為吸熱反應、氣體系數(shù)和增加的反應，升溫及減壓有利于平衡正向進行。但是高溫也有利于CH4裂解反應生成積炭；同時，有利于消炭反應的發(fā)生。

【教師梳理分析思路，追問】不僅要考慮反應限度的影響也要考慮反應速率的影響；可以采用合適的催化劑調(diào)整消炭的速度大于積炭的速度，就能解決積炭問題了。［8］請大家結(jié)合給出的材料3 選擇合適催化劑并說明理由。

材料3：CO2-CH4重整反應中相關(guān)數(shù)據(jù)（見表2）

表2 CO2-CH4重整反應中在催化劑X和催化劑Y上的活化能

【學生分組討論，填寫學案，并匯報交流】

【學生觀點】選擇催化劑Y，積炭反應活化能比較大，同時消炭反應的活化能比較小。

【教師分析學生的思路，評價，追問】該催化劑適宜的使用溫度是如何選擇呢？請結(jié)合材料4 作答。

材料4：在反應進料氣組成、壓強及反應時間相同的情況下，催化劑表面的積炭量隨溫度的變化關(guān)系見圖4。

圖4 催化劑表面的積炭量隨溫度的變化關(guān)系

【學生分組討論，填寫學案，并匯報交流】

【學生觀點】溫度大于600℃，因為此時積炭量是減少的，消炭速度大于積炭速度。但不確定該如何選擇，雖然高溫有利于主反應但是高溫也會耗能。

【教師概括評價，追問】回答得非常棒！通過圖像分析可知，升高溫度時，下列關(guān)于積碳反應、消碳反應的平衡常數(shù)K 積、K 消和反應速率v 積、v 消均增加，但是v 消增加的倍數(shù)比v 積增加的倍數(shù)大，當溫度大于600℃，積炭量減少，消炭速度大于積炭速度。所以適當?shù)母邷厥怯欣谠谠摋l件下減少積炭的，當然也利于提高CO2-CH4重整反應合成氣的產(chǎn)率。影響反應速率的因素不僅有溫度和催化劑，還有濃度即氣體分壓。請根據(jù)材料反應速率方程和圖像分析CO2-CH4催化重整中p（CH4）和p（CO2）相對大小的選擇。

材料5：在一定溫度下，測得某催化劑上沉積炭的生成速率方程為v＝k·p（CH4）·［p（CO2）］-0.5（k 為速率常數(shù)）。在p（CH4）一定時，不同p（CO2）下積碳量隨時間的變化趨勢如圖5 所示，則將pa（CO2）、pb（CO2）、pc（CO2）按從大到小的順序排列。

圖5 p（CH4）一定時，不同p（CO2）下積碳量隨時間的變化趨勢

【學生分組討論，填寫學案，并匯報交流】

【學生觀點】根據(jù)反應速率方程可知，沉積炭生成速率隨p（CO2）的升高而降低，所以pa（CO2）

【教師評價，并概括總結(jié)】非常好。反應速率方程定量描述了氣體分壓對反應速率的影響，我們要注意研究過程中的變量控制，即對于該催化劑，p（CH4）一定時，提高p（CO2）有利于減慢沉積炭反應的發(fā)生。

【教師概括總結(jié)，并對熱力學和動力學綜合解決問題的模型從定量的角度再提升并板書】（見圖6）

圖6

【教師提出問題，辯證看待CO2資源化利用】通過CO2-CH4重整反應解決了CO2資源化利用過程中的耗氫問題，但是反應還是在高溫下進行的，耗能問題仍然沒有解決。請大家大膽設想，并提出你的建議。

【學生觀點】尋找還原性物質(zhì)和CO2構(gòu)成原電池，就能解決這一問題，還可以提供能量。

【教師評價，梳理提升】非常棒。這也是CO2資源化利用的一個很重要的方向，科學研究表明采用金屬CO2電池不但可以將CO2資源化利用，減少化石燃料的消耗，還能夠作為未來火星移民的潛在能源存儲體系，因為火星表面大氣中CO2的含量高達95%左右。近日南開大學的課題組利用廉價的NaCO3和碳納米管制備出無Na 預填裝“可呼吸”Na-CO2電池［9］。從能源的角度可以考慮該換能源的形式，比如光能、風能等綠色可持續(xù)發(fā)展的能源。（多媒體展示在化學鏈法制合成氣方面取得新進展）最新研究成果對能源問題研究有了新的進展：以光能為能源，利用反應過程中鐵基鈣鈦礦和FeO/氧化物間的智能切換，實現(xiàn)由CH4或H2O-CO2高選擇性制備合成氣（H2/CO=2）［10］。這就是化學的魅力，只要不懈追求就能將不可能變?yōu)榭赡?，化腐朽為神奇。課堂到此結(jié)束，但是對CO2的資源化利用的探索并沒有結(jié)束，歡迎同學們利用課余時間查閱相關(guān)文獻關(guān)注CO2的最新科研進展。

四、結(jié)語

學生經(jīng)歷了化學反應從理想轉(zhuǎn)化到實際轉(zhuǎn)化再到工業(yè)生產(chǎn)的整個過程，將學到的知識應用于解決實際問題，感到受學有所用、學有所獲，充分體驗學習成功的樂趣。通過對生產(chǎn)中真實問題解決，使學生體會到化學對于提高人類生活質(zhì)量、促進社會發(fā)展的作用，激發(fā)學生學習化學的熱情。教學過程中通過多篇我國科學家最新的研究成果，展示了科技創(chuàng)新發(fā)展的魅力，讓學生感受中國的發(fā)展不僅僅是經(jīng)濟的進步，在一些領域科學研究水平也逐步達到了世界領先水平。在解決項目式學習過程中任務過程中，學生不斷拆解問題，構(gòu)建問題解決模型，實現(xiàn)了復習課“現(xiàn)知識、問題的結(jié)構(gòu)化和解題思路化”的教學目標，同時多方面提升了學生分析問題解決問題的能力、創(chuàng)新意識、證據(jù)推理能力。