“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”的單元教學(xué)實(shí)踐與反思

朱旭文

摘要：以“南京天然氣定價(jià)”為討論主題，開展“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”的教學(xué)。在主題任務(wù)的驅(qū)動下，學(xué)生主動調(diào)用反應(yīng)熱、反應(yīng)熱的測定、燃燒熱、熱化學(xué)方程式、蓋斯定律等相關(guān)概念進(jìn)行學(xué)習(xí)。在此過程中，學(xué)生不僅主動設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)路徑，還體會到了將化學(xué)知識運(yùn)用到社會生活中的成就感。

關(guān)鍵詞：單元教學(xué);反應(yīng)熱;蓋斯定律

文章編號：1008-0546（ 2022） 09x-0049-03 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.09x.013

《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)）中指出：“重視開展‘素質(zhì)為本的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。”[1]在“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”的教學(xué)中，基于單元整體剖析常規(guī)的課時(shí)內(nèi)容、知識點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，[2]嘗試借真實(shí)的情境設(shè)計(jì)問題，對教材中的相關(guān)知識進(jìn)行整合。

一、單元教學(xué)內(nèi)容分析

1.內(nèi)容要求

本單元的知識要求為：認(rèn)識化學(xué)能可以與熱能相互轉(zhuǎn)化;恒溫、恒壓條件下，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱可以用焓變表示;了解蓋斯定律及其簡單應(yīng)用。[3]

2.教材分析

在初中階段，主要描述了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行伴隨著能量變化，而能量變化通常表現(xiàn)為熱量的變化。在高一必修階段，介紹了吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)的概念，了解反應(yīng)的能量變化與反應(yīng)物、生成物總能量的大小相關(guān)，且由化學(xué)鍵的斷裂和形成引起。

人教版《化學(xué)選擇性必修1》中，本章包括兩節(jié)內(nèi)容：第一節(jié)“反應(yīng)熱”，介紹了反應(yīng)熱的概念、中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定、焓變、熱化學(xué)方程式和燃燒熱等;第二節(jié)“反應(yīng)熱的計(jì)算”，介紹了蓋斯定律和反應(yīng)熱的計(jì)算。內(nèi)容編排由淺人深、層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣，具有很強(qiáng)的化學(xué)學(xué)科邏輯。

教材注重對化學(xué)認(rèn)識視角和認(rèn)識思路的提煉。從認(rèn)識視角來看，強(qiáng)調(diào)從體系內(nèi)能的變化、體系和環(huán)境的能量轉(zhuǎn)化與守恒，認(rèn)識反應(yīng)熱，并從物質(zhì)變化和能量變化、定性和定量相結(jié)合的角度理解熱化學(xué)方程式。從認(rèn)識思路上來看，強(qiáng)調(diào)從宏觀、微觀和符號表征來認(rèn)識反應(yīng)熱，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)三重表征模型，形成化學(xué)表征的一般思路。

3.學(xué)情分析

本單元的重難點(diǎn)有以下兩點(diǎn)：一是從宏觀和微觀兩個(gè)視角認(rèn)識反應(yīng)熱;二是對蓋斯定律的理解。

本單元主要培養(yǎng)學(xué)生從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析、解決實(shí)際問題的能力，認(rèn)識化學(xué)變化的本質(zhì)是有新物質(zhì)生成，并伴有能量的轉(zhuǎn)化，能基于物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、變化提出可能的假設(shè)，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型揭示化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

4.學(xué)習(xí)進(jìn)階

“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”單元的學(xué)習(xí)進(jìn)階如圖1所示。

二、單元教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)流程

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過討論天然氣的定價(jià)，知道反應(yīng)熱、燃燒熱的概念，理解熱化學(xué)方程式的意義，能正確書寫熱化學(xué)方程式，增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

（2）通過解釋反應(yīng)熱產(chǎn)生的原因，建構(gòu)宏觀和微觀兩個(gè)角度的模型。

（3）通過中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)方法，了解測定原理。

（4）通過討論反應(yīng)間的能量關(guān)系，了解化學(xué)反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化所遵循的規(guī)律，理解蓋斯定律，建立變化與守恒的觀念。

2.教學(xué)流程

“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”單元的教學(xué)流程如圖2所示。

三、教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，引出問題

[師]2004年1月1日，西氣正式向南京送氣，直到2004年6月9日，南京市物價(jià)局才公布了天然氣的銷售價(jià)格。這期間時(shí)隔半年之久，可見天然氣定價(jià)的復(fù)雜性。今天請你做一次聽證會代表，履行市民義務(wù)，為天然氣定價(jià)出謀劃策。

[任務(wù)一]作為聽證會的代表，請為天然氣定價(jià)出謀劃策。討論天然氣定價(jià)需要考慮的因素。

設(shè)計(jì)意圖：充分調(diào)動學(xué)生的主人翁意識，通過參與這一討論，有意識地運(yùn)用化學(xué)知識解決生活中的實(shí)際問題。“熱”作為產(chǎn)品，本身就存在著量與價(jià)的關(guān)系問題，自然地促使學(xué)生從定量角度考慮反應(yīng)熱的相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生逐步調(diào)用反應(yīng)熱、反應(yīng)熱的測定、燃燒熱、燃燒熱的表征方法等知識。

2.認(rèn)識反應(yīng)熱，測定中和熱

[師]無論是管道煤氣，還是天然氣，它們的燃燒都是放熱反應(yīng)。在等溫條件下，化學(xué)反應(yīng)體系向環(huán)境釋放或從環(huán)境吸收的熱量，稱為化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，簡稱反應(yīng)熱。恒壓條件下的反應(yīng)熱就等于反應(yīng)的焓變△H。

[討論1]影響焓的因素有哪些？

如何測定化學(xué)反應(yīng)的焓變？（反應(yīng)熱的測定裝置見圖3）

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生能定性地認(rèn)識反應(yīng)的能量變化，在對燃料燃燒熱值討論的驅(qū)動下，定量地認(rèn)識反應(yīng)熱，并且能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步直觀地定量認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的焓變。

3.認(rèn)識燃燒熱，表征反應(yīng)熱

[師]燃燒熱也可以用類似測定反應(yīng)熱的裝置測定。常見燃料的燃燒熱見表1。

[討論2]根據(jù)燃燒熱的定義，以甲烷為例說明表述其燃燒熱需要注意哪些問題？

寫出甲烷燃燒的熱化學(xué)方程式，并歸納書寫熱化學(xué)方程式的注意事項(xiàng)。

[討論3]從甲烷燃燒過程中體系能量的變化，分析甲烷燃燒放熱的實(shí)質(zhì)。

[任務(wù)一總結(jié)]根據(jù)下列燃燒反應(yīng)的熱化學(xué)方程式分析：相同條件下，等體積的天然氣和水煤氣分別燃燒，前者放出的熱量是后者的幾倍？

[師]從反應(yīng)熱來看，相同條件下，等體積的天然氣和水煤氣分別燃燒，前者放出的熱量是后者的3倍左右。最終，參考管道煤氣的定價(jià)1.1元/m3，天然氣定價(jià)為2.2元/m3。所以，在燃?xì)庵脫Q初期，大家都發(fā)現(xiàn)改用天然氣后每個(gè)月的燃?xì)赓M(fèi)變少了，現(xiàn)在你知道為什么了嗎？這個(gè)過程中依據(jù)的天然氣定價(jià)的最重要的原則，即“與管道煤氣的熱值比合理”。但其實(shí)天然氣定價(jià)是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題。

[展示]《全球天然氣價(jià)格機(jī)制》封面圖片。

設(shè)計(jì)意圖：通過討論如何表達(dá)才能準(zhǔn)確對應(yīng)燃料燃燒熱的數(shù)值，使學(xué)生進(jìn)一步理解焓的影響因素，逐步提煉出燃燒熱的表達(dá)要點(diǎn)，并能總結(jié)出有關(guān)熱化學(xué)方程式書寫的注意事項(xiàng)。 通過對任務(wù)一的小結(jié)，使學(xué)生獲取完成任務(wù)所帶來的成就感，認(rèn)識到化學(xué)的學(xué)習(xí)對社會生活的重要意義，并且借助有關(guān)新聞和相關(guān)論著，引導(dǎo)學(xué)生建立將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于社會問題的意識。

4.研究能量關(guān)系，理解蓋斯定律

[任務(wù)二]前期的燃料換代過程中，用管道煤氣（水煤氣）替代煤炭是否也是類似于天然氣置換的原因呢？

[思考]已知：C（s）、CO（g）和H2（g）完全燃燒的熱化學(xué)方程式分別為

（1）比較反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)，1 mol CO（g）和1 mol H2（g）完全燃燒放出的熱量之和，比1 mol C（s）完全燃燒放出的熱量，誰更多？

（2）有同學(xué)據(jù)此認(rèn)為：“煤炭燃燒時(shí)加少量水，可以使煤炭燃燒放出更多的熱量。”你有什么看法？

[師]分析以上四個(gè)反應(yīng)的能量關(guān)系。

根據(jù)圖4可得：C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2（g）

AH4= +131.5 kj.mol-l

[任務(wù)二總結(jié)]四個(gè)反應(yīng)的能量關(guān)系為

△H2+△H3+△H4= △H1

[小結(jié)]蓋斯定律的應(yīng)用。

例如，可以采用上述方法計(jì)算出碳燃燒生成CO時(shí)的焓變。

設(shè)計(jì)意圖：通過用水煤氣替代煤炭的原因的討論，呼應(yīng)本課設(shè)計(jì)的情境“家庭燃料的演變”，并利用反應(yīng)熱的定量計(jì)算解決問題。通過問題的設(shè)計(jì)，以及對比反應(yīng)的焓變，借助圖示直觀地認(rèn)識反應(yīng)間的能量關(guān)系，從而導(dǎo)出蓋斯定律，并加以應(yīng)用。

[課堂總結(jié)]

用概念圖對本課進(jìn)行總結(jié)（見圖5）。

四、教學(xué)反思

1.充分發(fā)掘章節(jié)特點(diǎn)，發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)

“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”單元中，既有對反應(yīng)熱的宏觀認(rèn)識（體系與環(huán)境的熱交換），又需要從微觀理解（反應(yīng)熱與鍵能的關(guān)系）;即體現(xiàn)出變化觀（物質(zhì)變化伴隨著能量變化），又有守恒觀（能量守恒）;化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化遵循蓋斯定律。本單元教學(xué)借助情境，發(fā)現(xiàn)并提出有研究價(jià)值的問題;運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定，參與有關(guān)化學(xué)問題的社會實(shí)踐活動。

2.整體設(shè)計(jì)單元教學(xué)，開展“素養(yǎng)為本”的教育

（1）單元教學(xué)高效完成教學(xué)任務(wù)

在本單元教學(xué)設(shè)計(jì)中，借助真實(shí)的問題情境的創(chuàng)設(shè)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，使知識更具有整體性、連貫性。如：貫穿教學(xué)始終的線索為燃料的燃燒，前面圍繞天然氣的燃燒展開，涉及反應(yīng)熱、中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定、燃燒熱、熱化學(xué)方程式等知識點(diǎn)，后面利用其他家庭燃料進(jìn)行進(jìn)一步討論，理解蓋斯定律及其簡單應(yīng)用，前后呼應(yīng)，將情境素材進(jìn)行最大程度挖掘，使教學(xué)一氣呵成。因?yàn)榍榫硢栴}的引領(lǐng)，每一個(gè)知識點(diǎn)都有對應(yīng)的應(yīng)用和反饋，學(xué)習(xí)效果得到進(jìn)一步鞏固。

（2）恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)情境和問題設(shè)計(jì)，促進(jìn)了教學(xué)設(shè)計(jì)的動態(tài)生成

選取合適的教學(xué)情境進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生自發(fā)調(diào)用知識信息，并按內(nèi)在的邏輯順序確定各知識點(diǎn)被納入學(xué)習(xí)范圍的順序，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效度;有利于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，由“被教”變?yōu)椤爸鲃訉W(xué)”，從而嘗試自主構(gòu)建知識體系;有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)

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[2] 楊玉琴，核心素養(yǎng)視域下的單元教學(xué)設(shè)計(jì)：內(nèi)涵解析及基本框架[J].化學(xué)教學(xué)，2020（5）：3-8，15.