基于項目式學習的化學反應條件優化教學設計
——以工業廢氣中的二氧化碳合成甲醇為例

2023-08-08 07:23:52譚德山宗曉菲

教學考試(高考化學) 2023年3期

譚德山宗曉菲

(1.北京市順義區教育研究和教師研修中心;2.北京市第四中學順義分校)

一、理論分析

(一)教材分析

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)(以下簡稱“新課標”)中提出化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析” “變化觀念與平衡思想” “證據推理與模型認知” “科學探究與創新意識” “科學態度與社會責任”。新課標對化學反應、限度和速率這一主題中化學反應調控的要求為:認識化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產、生活和科學研究中的重要作用。知道催化劑可以改變反應歷程,對調控化學反應速率具有重要意義。

結合新課標中的要求,選擇實際生產中的化學反應調控問題為真實情境。經過調研,本課例選擇現代社會亟待解決的“碳排放”問題為主題,以工業廢氣中的二氧化碳與氫氣反應的調控為研究對象。本課例的指導思想是從理論分析與真實情境的矛盾出發,引導學生基于實際結果,形成解決真實情境中化學反應速率和化學平衡問題的方法,體現化學反應速率和化學平衡對于調控化學反應的作用,培養學生“證據推理與模型認知” “變化觀念與平衡思想” “科學態度與社會責任”的學科核心素養。

化學反應速率、化學平衡和化學反應的方向等化學反應原理知識,在人教版(2019)教科書中屬于高中化學選擇性必修1《化學反應原理》第二章內容。化學反應速率和化學平衡體現了以下價值:(1)學科價值,化學反應速率和化學平衡是中學理論化學的基礎,是學習后續章節水溶液中的離子平衡的基礎;(2)社會價值,應用化學反應速率和化學平衡理論實現對生產生活中化學反應的調控和利用,使反應符合人們的需求;(3)學生價值,化學反應速率和化學平衡能夠使學生更深刻、更全面地理解化學反應,有助于培養學生的學科素養。本章雖然沒有具體地介紹化工生產內容,但選擇化工生產最適宜的條件必然涉及化學反應速率和化學平衡等理論的應用。教師可以引導學生學會分析具體反應的特點,進而可以利用所學理論知識進行合理選擇,同時要學會全面思考各種條件的相互影響,在比較中趨利避害,找到最優化的條件,使學生體會化學理論對于實際生產的指導作用。

(二)學情分析

高三第一輪復習中,由于已完成對于化學反應速率和化學平衡的章節復習,故學生對于該章節的基礎概念掌握熟練。在前測中,對熟悉的可逆反應,改變一個外界條件時,大部分學生可以準確地分析出化學反應速率的變化和化學平衡的移動。但是對于真實情境的分析,如體系中有多個化學反應同時發生,對于工業生產中復雜圖表的分析(如2019年北京卷,27(1)④題;2018年北京卷,26(4)題等),學生缺乏有效的分析方法,往往還是靠猜測。這是重點要去解決、突破的問題。

二、教學目標

(一)教學及評價目標

1.通過利用工業廢氣中的二氧化碳加氫合成甲醇的反應,對反應條件進行優化,讓學生體會化學平衡和速率相關知識的應用價值,形成從限度、速率和實際生產等多個角度綜合分析、解決工業生產實際問題的基本思路。

2.通過本課時的學習,培養學生樹立綠色化學理念,認識到利用化學反應將無用物質轉化為有用物質是解決環境問題的重要途徑之一。

(二)核心素養發展目標

1.變化觀念與平衡思想:通過真實情境中的化學反應調控問題,認識化學反應有一定的限度和速率,是可以通過改變外界條件進行調控的。

2.證據推理與模型認知:培養學生建立外界條件、圖表和實驗結果之間的邏輯關系,讓學生體會處理真實情境下問題的方法。

3.科學態度與社會責任:認識化學反應速率和化學平衡的調控在工業生產中的重要作用,探索最適宜的化工生產條件,樹立綠色化學觀念。

三、教學流程

四、教學重點

1.提升學生從圖表、文字中提取有效信息,并結合已有知識體系,運用“全面搜索”的方法對信息進行加工的能力。

2.從理論向實際應用遷移,掌握實際生產中化學反應調控問題的解題思路。

五、教學過程

環節一:提出課題

【教師】今年南極冰川融化的新聞頻繁上熱搜。全球變暖的主要原因是什么?如何利用化學手段將無用廢氣變為有用的資源是解決全球變暖的研究方向之一。科學家提出利用廢氣二氧化碳加氫制甲醇,一可以減少碳排放,二可以制得清潔能源。

ΔH=-49.0 kJ/mol

本節課的目的就是利用所學知識為該反應投入工業生產確認反應條件。

【學生】傾聽思考。

【設計意圖】由全球變暖引出利用化學反應將無用物質轉化為有用物質是解決環境問題的重要途徑之一,認識到化學學科在生產生活中具有的重要意義。

環節二:綜合預測反應條件

任務一:回顧反應的影響因素和選擇條件時的思考角度

【教師】如果你作為實際生產者,你需要考慮哪些方面?盡可能有序、完整地進行思路表達。

【學生】思考、回答。

針對化學反應角度:平衡轉化率大、速率快;

針對實際生產角度:安全、成本、方便、環保...

涉及的影響因素:濃度(投料比)、氣體壓強、溫度、催化劑等。

【設計意圖】盡可能引導學生系統、有序地思考條件因素和優化角度,形成思維模型。

任務二:綜合預測反應條件

【資料】以二氧化碳和氫氣為原料合成甲醇時,通常存在著以下反應:

ΔH=+41.2 kJ/mol

【教師】1.主副反應的特點有哪些?

2.理論預測反應條件,填寫在學案上。

【學生】討論、分享。

主反應特點:放熱、氣體系數和減小。

副反應:吸熱,氣體系數和不變。

調控目標:提高速率、提高轉化率、促進主反應、抑制副反應。

條件選擇:高壓、低溫、提高反應物濃度、加入催化劑。

【教師】整理學生答案,引導學生在增加副反應的思考維度后關注平衡轉化率、平衡產率的表達差異;關注催化劑的活性和選擇性。

【設計意圖】運用反應限度及反應速率的基本知識,從不同角度對主副反應同時進行考量,探討不同條件的利弊。

環節三:分析實驗數據,確定適合的反應條件

任務三:結合資料分析真實實驗數據與理論預測是否相符合,優化理論預測的反應條件

【學生】小組討論,匯報優化結果。

任務四:結合不同小組的匯報內容,進行問題解答,依次分析各因素對該反應的影響

活動一:確定實際投料比的選擇

2.氫氣的來源:通過電解水產生氫氣或通過甲烷水蒸氣重整制氫得到氫氣,生產成本較高。

【教師】利用問題線,對學生的思維路徑進行引導。

1.結合K和Qc關系,你認為提高哪一種反應物用量對平衡移動的影響更大?

3.理想狀態時,二氧化碳的轉化率=甲醇的產率,結合圖像你發現了什么問題?請對發現的問題進行分析,并加以解決。

4.是否有辦法提高原料的利用率?

【學生】針對以上問題分析整理。

活動二:確定實際壓強的選擇

【資料】不同壓強對甲醇產率的影響圖像

【教師】觀察圖像,選擇合適的反應壓強,并說明原因。壓強是否越大越好?綜合理論數據與實際生產成本等問題優化壓強的選擇。

【學生】從圖中數據變化可看出,壓強越高,甲醇的產率越高,但從成本投入角度看,壓強越高生產成本越高。

活動三:確定實際催化劑的選擇

【資料】催化劑組成的改變對甲醇產率和選擇性的影響

【教師】分析實驗數據選擇合適的催化劑,并說明原因。

【學生】闡述不同催化劑選擇的原因。3組優點:選擇性100%,沒有副產物生成。4組優點:單位時間內生成甲醇的量更多,反應速率快,催化劑活性更好。綜合考慮,與其他催化劑相比,3組和4組都有各自的優點,實際生產時可以按需選擇。

活動四:確定實際溫度的選擇

【材料】反應溫度與甲醇產率的關系。請關注圖中數據的測定標準:其他條件相同時,不同溫度下,加入相同催化劑,在相同生產時間段內,測得甲醇的產率。

【教師】理論上,低溫有利于合成甲醇,即溫度越高甲醇平衡產率越低。結合主副反應的特點及研究化學反應的兩個角度,請回答:

1.為何圖像中溫度升高,實際產率呈先升高后降低的趨勢。

2.選擇合適的反應溫度,并說明原因。

【學生】第一階段,甲醇的產率隨溫度的升高而升高。

因為該溫度下反應未達平衡,甲醇的產率受速率影響,溫度越高,反應速率越快,甲醇的產率越高;溫度越高,催化劑的活性越好,反應速率加快。

第二階段,甲醇的產率隨溫度的升高而降低。

因素1:該溫度下,反應已達平衡狀態。溫度升高,主反應逆向移動,甲醇的產率降低;

因素2:隨著溫度的繼續升高,催化劑的活性減弱,反應速率減慢,甲醇的產率降低。

【教師】資料中的產率都是一定時間內的數據,并不是平衡轉化率和平衡產率。低溫條件下有利于甲醇的生產,可實際生產中,低溫狀態幾乎測不到生成物,是因為該溫度不處在催化劑的活性范圍內。因此確定溫度時,通常需要在催化劑的活性溫度范圍內,研究溫度對產率的影響。

【設計意圖】通過引導學生閱讀資料、圖表,針對實驗數據進行分析,將抽象的條件預測更直觀、具體的呈現出來。引導學生體會實驗證據和理論證據的不同特點。提升學生提取信息、應用信息和利用所學知識解決問題的能力。對分析問題的依據,建立理論和實驗兩個維度。通過理論和實際的聯系,學生可以了解理論依據和實驗證據對于解決問題各自的貢獻。經過上述分析,學生能夠意識到工業生產的目的是獲得利潤,因此選擇合成甲醇的適宜條件時,既不能片面追求高轉化率,也不能片面追求高反應速率,應選擇以較高反應速率獲得適當轉化率的反應條件。

環節四:歸納總結形成思路

【教師】經過本次項目活動,同學們已經明確了工業廢氣中二氧化碳和氫氣合成甲醇的反應特點以及對其有利的反應條件。事實上,除甲醇外,還有很多化工原料,如甲醛、乙烯、乙醇、二甲醚等,都有可能利用二氧化碳作為碳源進行合成。垃圾是放錯地方的資源,這一思路也可以應用在將我們生活中其他廢棄物轉變為對我們有用物質的合成中去。

【問題】針對一個特定的實際問題,我們能否歸納出調控反應條件的思路和方法?

【學生】針對給定化學反應,根據反應的焓變、氣體系數和等特點,初步從平衡和反應速率兩個維度明確溫度和壓強的趨勢,綜合安全、成本、技術等實際情況以及可能發生的副反應的特點,選擇適當反應物的適當濃度和投料比例,同時選擇活性和選擇性都較強的催化劑,并注意催化劑活性溫度范圍。最終通過實驗數據的驗證將這些理論預測落實為具體的反應條件。

【設計意圖】通過反應條件的選擇與優化的歸納總結,促使學生形成從限度、速率等多角度綜合調控化學反應的基本思路。

六、教學反思

本課例采用“微項目式學習”的教學方式,通過情境、問題和活動的設計,以實際問題為教學的任務,以真實情境為教學的載體,以化學知識為解決問題的工具,教學內容和教學過程與學生認知過程中的思維發展路徑相一致,與綜合問題解決所需的知識發展脈絡相一致,這樣的教學設計更有利于化學學科素養的落地。

此教學設計是在真實情境中基于學科核心素養建構思維模型的教學,具有以下兩個特點:在教學過程中,利用問題了解學生思維路徑和思考過程的細節,將抽象的表格和圖形轉化為可被學生提取利用的化學信息,培養學生建立外界條件、圖表和實驗結果之間的邏輯關系,讓學生學會處理真實情境下問題的方法,分別從外界因素對于化學反應速率和化學平衡的影響這兩個角度進行思考,培養了學生“證據推理與模型認知”的學科核心素養;提高了學生對于化學反應速率與化學平衡的認知水平,通過真實情境中的化學反應調控問題,認識到化學變化有一定的限度和速率,是可以通過改變外界條件進行調控的,在分析改變外界條件對于復雜體系影響時,也能從多角度分別進行具體的分析,解決簡單的實際問題,培養了學生“變化觀念與平衡思想”的學科核心素養。

探討如何利用工業廢氣中的二氧化碳合成甲醇——

化學反應條件優化任務單

任務一:如果你作為實際生產者,你需要考慮哪些方面?

任務二:綜合預測反應條件

ΔH=+41.2 kJ/mol

小組活動:1.主副反應的特點有哪些?

2.理論預測反應條件,填寫在學案上。