基于真實情境的化學反應原理主題式復習

吳健華

摘要：為順應高考新形勢，將發展學生核心素養落實到課程中，實現“知識、能力、素養”相統一的教學價值，選擇以工業脫硫為真實情境的教學素材進行高三化學反應原理的主題式復習。本主題通過開展“脫硫路線的設計”“反應歷程的研究”“反應條件的選擇與優化”“反應限度的計算”“電解法工藝的研究”等活動，將抽象的化學原理問題鏈結合真實情境呈現，引領學生問題解決能力的培養，診斷并發展學生關于化學反應原理主題的認識水平。

關鍵詞：真實情境;核心素養;主題式復習;認識水平;工業脫硫

文章編號：1008-0546（2022）04-0070-07

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.015

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、教學主題內容分析

1.學科認識水平分析

本課例為《化學反應原理》高三二輪復習課，王磊等研制出該主題的能力水平[1]，學生需要能夠達到基于多認識角度或多變量關系進行邏輯推理、解決綜合復雜問題的能力水平。

學生學習認識水平為進階式發展的。高二授課階段，教材中所呈現的問題情境，學生能基于某認識角度進行思考，對問題進行分析解釋、推論預測，認識發展水平處于2～3;經過高三系統復習，學生的認識水平需發展至4～5，進一步發展問題解決、遷移創新能力。

《化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出，可利用調控化學反應的成功案例（如石油開采中H2S的處理）等情境素材進行教學設計，基于真實情境實現化學反應原理的進階式復習，落實化學學科核心素養的培養。

2.學情分析

該課例授課對象為某重點高中的學生。在高二階段時，學生對化學原理概念能基本達到理解、熟悉的認識水平，但難以建立起邏輯性更強的知識體系;高三二輪復習以前，學生對抽象復雜的化學原理已具有進一步的認識，正處于知識體系的建構過程中，但對陌生的真實情境，仍未形成主動地基于多認識角度或多變量關系進行邏輯推理的能力等。因此在二輪教學中，通過創設真實陌生的問題情境、設計問題鏈等教學策略，幫助學生培養問題解決能力[2]。

3.教學策略

創設問題情境：設置工業脫硫的問題鏈活動，感受科學態度與社會責任。

運用價類二維圖：形成物質性質及轉化關系的研究方法，落實證據推理的素養建構。

處理圖表數據：培養信息獲取、分析及綜合應用能力，加深變化觀念的認識。

二、學習目標任務

本課例的學習目標任務包括：利用硫元素的價類二維圖，設計硫化氫的轉化路線，建立基于物質類別、元素價態多角度的物質認識角度，發展學生證據推理與認知模型的素養能力;通過繪制脫硫反應歷程與能量變化圖、脫硫反應中條件的選擇與優化等活動，診斷并發展學生對化學反應速率、化學平衡原理知識的掌握，培養變化觀念與平衡思想、宏觀辨析與微觀探析的核心素養;通過解決工業脫硫的真實情境問題，感受化學物質及其變化的價值，進一步形成正確的科學態度及社會責任;通過閱讀資料、處理信息及平衡常數的計算，提高獲取分析信息能力與計算能力。

三、主題教學思維框架

?根據主題內容的結構性、進階性及問題設計的梯度，本課例教學安排為2課時;基于課堂學習活動的層層推進及教學目標與評價的實施，結合學科核心素養的落實，設計本課例教學思維框架如圖1及圖2所示。

四、主題教學實施過程

第一課時走進工業脫硫研究之路

環節一：設計H2S的轉化方案

[學習任務]繪制價類二維圖，設計H2S轉化路線

[情境]黨的十九大報告提出建設美麗中國，推進工業綠色發展。石油開采的過程中會釋放H2S等有害氣體，脫硫技術的研究與應用，對環境保護及生態建設尤為重要。

[問題]繪制硫的價類二維圖，搭建元素化合物知識的復習工具，設計H2S的轉化路線。

[師生活動]

教師：展示硫的價類二維圖（圖3），引導學生從不同角度認識H2S性質，設計轉化路線。學生：從物質類別、元素價態兩個角度，H2S屬于酸性氣體、具有較強的還原性。根據硫化氫的性質，小組討論并提出其轉化方案（表1）。

教師：同學們所設計的H2S轉化路線均較為合理。結合常溫下部分物質的化學平衡常數[3]（見表2），利用已知化學原理，判斷下列轉化方案的可行性：

解答②：CuS04吸收HS轉化為CuS所發生的反應：Cu2+HS三CuS↓+2H+。通過計算平衡常數K，判斷反的進行程度：K=K（H2S）a·K（H2S）/Kp（CuS）=2.27×105》1.0×10;該反應正向進行程度很大，因此CuS04溶液可用于吸收HS;

同理，對于FeS04溶液，反應Fe2+HS=FeS↓+2H*K'=K（H2S）K（H2S）2/K（FeS）=2.27X10<1.0x10;該反應正向進行程度很小，因此難以用于吸收HS。逆反應進行程度較大，因此實驗室中常用FS固體與硫酸的反應來制備少量HS：FeS+H2S04====FeS04+HS↑。

教師評價：可利用平衡常數，判斷反應進行的方向及程度，為工業生產提供指導意義。

設計意圖：搭建元素化合物價類二維圖的學習工具，基于多角度認識物質性質，發展并診斷學生認識物質性質及轉化關系的水平，培養證據推理與模型認知素養。通過平衡常數的計算與應用，發展學生的變化觀念與平衡思想，提高邏輯分析能力。

環節二：克勞斯法脫硫反應歷程研究

[學習任務]繪制反應歷程與能量變化圖

[情境]工業上常利用克勞斯法處理H2S廢氣[4]，其脫硫原理分為兩步：首先，部分H2S在空氣中燃燒生成SO2，再使生成的SO2與第一步剩余的H2S反應，生成S2蒸氣，冷凝可獲得化工產品硫黃固體：

[問題]根據給出的兩步反應，請寫出克勞斯法脫硫的總反應的熱化學方程式，并畫出其反應歷程與能量的變化圖，并說明作圖的依據。

[師生活動]教師：根據情境素材，分析克勞斯法脫硫反應的特點，畫出其反應歷程與能量變化圖。學生：依據“蓋斯定律”，易判斷熱反應方程式為△H=-409.4kJ·mol-1。兩步反應1、2及總反應均放熱;反應1快速達至平衡，反應2緩慢平衡，兩步反應的活化能Ea1<Ea2。根據上述分析，繪制出反應歷程與能量的變化圖（圖4）。教師：可通過反應歷程與能量變化圖理解反應機理及特點，注意對反應活化能、中間產物、速控步等概念的認識。其中反應2需要較高活化能，為反應的“速控步”;反應過程中產生的SO2對于脫硫總反應而言，屬于中間產物。

設計意圖：通過克勞斯法脫硫反應研究，發展學生對化學反應歷程的深層認識，強化變化觀念與平衡思想的培養。學生通過動手繪制反應歷程與能量變化圖，化抽象概念為具體圖象，有利于從不同維度加深對化學反應原理的認識與理解。

環節三：克勞斯法脫硫條件的選擇與優化

[學習任務]脫硫條件的選擇與優化

[情境]利用克勞斯法脫硫反應，可將H2S廢氣轉化為S（2g），分離S（2g）從而獲取產品硫黃。工業生產中，通過控制不同的工藝條件，以實現“多、快、好、省”的工業生產目標。

[師生活動]教師：在工業上可采取哪些措施，提高克勞斯法反應中H2S的去除率（轉化率），獲得更多純凈的產品S2？學生交流討論，得出結論：可從反應物濃度、溫度、壓強、催化劑等因素考慮，尋找適宜的脫硫反應條件，實現工業生產最大效益。

教師歸納：結合化學原理知識，化工生產中條件的控制與選擇，一般從反應速率、化學平衡（反應限度）兩個角度思考，具體問題需根據具體的情境進行分析。

項目1：脫硫條件的選擇——投料比對反應的影響

[情境]對于克勞斯脫硫反應，某溫度下，不同投料比c（H2S）：c（O2）對H2S的平衡轉化率的影響（圖5）。按化學反應計量數投料通入H2S與O2，可保持H2S較高的轉化率。

[問題]若進料濃度比c（H2S）：c（O2）過低或過高，請分析其產生的不利影響及原因。

[師生活動]教師：引導學生結合脫硫反應的特點及圖象含義，分析問題。

學生：若濃度比c（H2S）：c（O2）過高，H2S未能夠充分轉化，平衡轉化率降低;若濃度比c（H2S）：c（O2）過低，則可能出現以下情況：

1H2S的轉化率變化不大，但O2的利用率低;

2過量的O2在較高溫度下可與S2發生副反應生成SO2，消耗產物;

綜合分析可知，若濃度比c（H2S）：c（O2）過低，導致O2的利用率低，且過量的O2在較高溫度下可與S2蒸汽發生副反應，消耗產物。因此需要優化氣體投料比，提高H2S轉化效率。

師生小結：當某化學反應的反應物不止一種時，其它條件不變，改變反應物之間的投料比（投料量）可改變反應物的轉化率。考慮實現工業效益與環境防護，可選擇合適的投料比。

項目2：脫硫條件的選擇——溫度

[情境]活性氧化鋁可作該脫硫反應的催化劑。

在一定壓強下，將c（H2S）∶c（O2）=2∶1的混合氣體，勻速通入裝有催化劑的反應器中反應（見圖6），測得反應相同時間內H2S的轉化率隨溫度的變化曲線（見圖7）。

[問題]分析當溫度高于T2時，H2S的轉化率迅速下降的原因;溫度在0～T2范圍內，先迅速上升后上升緩慢的主要原因。

[師生活動]學生：分組討論，加入催化劑的化學反應中，需考慮溫度對催化劑的影響。教師：注意溫度對化學反應的影響要從反應速率、平衡移動兩個角度考慮。學生：分析該反應過程，“在催化劑作用下，反應物勻速通過反應器反應一段時間”，根據關鍵詞可判斷該反應并未達至平衡狀態（考慮實際工業生產中大部分真實情況下反應并未達至平衡），因此該圖象中所指代的H2S轉化率為“過程轉化率”，而非“平衡轉化率”，本情境應由溫度對反應速率的影響角度出發研究。

教師：結合溫度——轉化率變化圖象，分析溫度如何影響反應的進程？

學生：升高溫度，化學反應速率加快;同時考慮到加入催化劑進行反應，催化劑在不同溫度范圍呈現不同的催化活性。因此可得出結論：

1在0～T1時，溫度升高和催化劑的高活性共同作用使得反應速率加快，H2S的轉化率迅速上升;T1～T2時，催化劑已到達適宜溫度范圍，H2S的轉化率升高主要因為反應溫度升高。

2溫度高于T2時，催化劑高溫失活，反應速率減小，導致H2S的轉化率迅速下降。

師生小結：對于加入催化劑的反應，判斷溫度對反應轉化率的影響時，要注意圖象中“轉化率”所指代的意義，分析圖象變化趨勢，結合化學原理知識分析變化的原因。

項目3脫硫條件的選擇——氣體流速

[情境]將c（H2S）∶c（O2）=2∶1的混合氣，以一定流速通入含活性Al2O3催化劑的反應器中恒溫反應，測得H2S的轉化率隨著混合氣流速的變化（見圖8所示）。結合實際工業生產效益分析，混合氣流速適宜范圍是多少？若混合氣流速過低或過高，對生產造成什么影響？

[師生活動]

學生：根據圖象判斷，在2×100m3/h～10×100m3/h

的氣體流速范圍內，H2S能保持在較高的轉化率;而當混合氣流速大于10×100m3/h時，H2S轉化率明顯降低。

師生共同得到結論：流速過慢，H2S轉化率較高，但單位時間內反應總量較低，不符合生產效益;流速過快，H2S的轉化率較低，未能夠充分脫硫。因此在8～10×100m3/h的氣體流速下，能有效提高工業生產效益。

師生小結：脫硫反應中條件的選擇（氣體投料比、溫度、氣體流速、壓強、催化劑種類等），影響實際工業生產效益，需選擇適宜的反應條件。但具體實際工業生產還需要考慮更多因素。

設計意圖：結合已學知識，發展學生從變化觀念與平衡思想角度出發，優化脫硫反應中條件的控制與選擇;發展學生基于多認識角度或多變量關系進行預測、解釋、推理的邏輯素養，提高綜合復雜問題的解決能力。

第二課時工業脫硫的再認識

環節一：知識回顧

[學習任務]歸納工業脫硫條件的優化的概念模型設計意圖：通過回顧上節課的知識，基于多角度、多變量歸納工業脫硫條件的優化的概念模型，加深對工業脫硫的全局認識，構建科學本質觀。

環節二：脫硫反應限度的計算

[學習任務]平衡常數的計算與應用

[情境]克勞斯法備受工業上的青睞，源于其原理簡單且反應程度較為徹底。除物質轉化率可判斷反應進行程度以外，常用平衡常數衡量反應限度的大小。

已知在氣體參與的化學反應中，可用壓強平衡常數Kp來衡量該反應進行程度。為消除氣壓因采用不同單位而對計算結果所造成的影響，可利用標準平衡常數K?，計算克勞斯脫硫反應的平衡常數。已其中p?為標準壓強（1×105Pa）分的平衡分壓，如pS2=xS2·p，其中p為平衡體系總壓為平衡體系中S2的物質的量分數。

[問題]若H2S和O2起始物質的量之比為2∶1，反應在恒定溫度和p1壓強下進行，測得O（2g）平衡轉化率為ω，請計算此溫度下的平衡常數Kp、K?（用含ω的最簡式表示）。

[師生活動]教師：引導學生理解平衡常數的意義，掌握平衡常數的計算方法。學生：獨立計算給定情境下克勞斯法脫硫反應的標準平衡常數;小組交流討論并理解標準平衡常數K?與平衡常數Kc、Kp的意義：K?可消除氣體壓強采用不同單位時由于數值的變化所引起的變化，使用更加科學、直觀。

當在同一條件下進行某反應時，若反應前后氣體計量數相等，則壓強平衡常數Kp、標準平衡常數K?在數值上相同。

設計意圖：通過平衡常數的計算，引導學生理解各種平衡常數的意義，多角度認識化學反應特點，發展學生的計算能力，落實變化觀念與平衡思想的核心素養的培養。

環節三：電解法脫硫的工藝研究

[學習任務]理解、評價電化學脫硫方案

[情境]電化學裝置在工業上用途廣泛，可實現許多物質的轉化與生產。實際工業生產可利用電解法處理H2S并轉化為相應的工業產品，可通過直接電解法或間接電解法進行[5]：

方法1：直接電解法

將燒堿吸收H2S后的溶液加入電解池的陽極區進

方法2：間接電解法

間接電解法也可進行H2S的轉化處理（裝置見圖11），其中H2S的吸收液為FeCl3溶液，可通過電解裝置實現循環再生。

[問題]1理解直接電解法的工作原理。2分析間接電解法處理H2S工藝，寫出吸收反應器、電解反應器中所發生反應的離子方程式;針對電解再生吸收液需要消耗電能的缺點，提出改進吸收液再生的方案;

3綜合比較直接電解法與間接電解法處理H2S方案的優缺點，并提出改進方案。

[師生活動]教師：電化學裝置在工業生產中應用廣泛、效率顯著，可綜合利用電化學的認知模型理解脫硫的原理，解決綜合性問題。

學生：交流討論，共同得出結論。直接電解法中，H2S通過堿液吸收后得到Na2S溶液，利用S2-的還原性，在電解池陽極放電生成S，再進一步轉化為多硫化從而實現H2S的脫除。

教師：電解后陽極區的溶液用稀HS04酸化，可重新獲得化工產品硫黃，請思考原因。

硫黃，但同時有部分H2S產生，需考慮后續吸收處理。

教師：間接電解法中，H2S氣體在吸收反應器中通過氧化劑（FeCl3溶液）反應吸收;在電解反應器陽極實現FeCl3溶液的再生，利用再生FeCl3溶液循環吸收H2S氣體。寫出在吸收反應器、電解反應器中，分別發生的反應的離子方程式。

學生：根據情境信息，理解其吸收原理，書寫離子方程式。

師生討論：間接電解法中，除了通過電解實現FeCl3溶液的再生以外，也可以考慮直接往吸收液中通入空氣，將Fe2+氧化為Fe3+實現再生。此法不需要消耗過多電能，但需注意通入空氣的速率、環境溫度、溶液酸堿性等控制條件，提高轉化效率。

直接電解法、間接電解法均能有效吸收硫化氫氣體，但需注意廢氣的轉化效率，避免一次吸收后仍有較高濃度的H2S直接排放于大氣、水體中，實現“吸收—轉化—循環吸收—再轉化”的處理手段。在生產過程中落實綠色化學觀念，實現物質的循環再生使用。

設計意圖：結合情境素材，加深學生電化學知識的理解，落實電化學裝置的模型認知，培養遷移創新能力。從轉化效率、能源利用、環境保護等角度評價并改進化工方案，科學辯證審視化學事物對人類生產生活的影響，培養科學態度及社會責任的核心素養。

五、教學反思

新高考改革要求發展學生的學科能力認識水平，落實核心素養的培養，實現立德樹人的根本任務。在高三專題復習階段，并不是對舊知識重復性地機械復習，需要依據不同階段學生的能力發展水平，對專題內容知識進行重整、建構，以達到學科知識的進階式復習、關鍵能力的進一步培養。教師需要發揮積極性、創新性，以課程標準、新教材及高考評價體系為基本指導深入研究，基于學生的基礎知識、邏輯思維及問題解決關鍵能力“三到位”下，融入真實且富有啟發性的問題情境進行創造性教學。本課題以工藝脫硫為真實情境素材，激發學生的自主、合作探究的學科興趣，主動形成知識體系的邏輯建構;在真實問題的解決過程中，培養學生社會責任感與嚴謹的科學態度。

參考文獻

[1]王磊等.基于學生核心素養的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2018：277.

[2]江合佩.基于真實情境的項目式化學教學[M].濟南：山東科學技術出版社，2019.

[3]宋天佑，程鵬，徐家寧，張麗榮.無機化學（第四版）上冊[M].北京：高等教育出版社，2019.

[4]陳賡良.克勞斯法硫黃回收工藝技術發展評述[J].天然氣與石油，2013，31（4）：23-28，7.

[5]李海燕等.電解硫化氫制氫氣和硫黃的影響因素研究[J].硫酸工業，2018（4）：40-43.