“化學反應的方向”教學設計與探索

吳俊明

摘要：根據教學內容和學生的特點，“化學反應的方向”的教學定位為拓展性質、科普性質，設計了8條教學策略。只要有恰當的措施，例如通過學案提供適當的學習引導與指導、閱讀材料和討論練習題等，可以有效促使學生開展自主學習。附錄了作者設計的學案概要。

關鍵詞：化學反應的方向；教學設計；學案

文章編號：1005–6629（2014）7–0047–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“化學反應的方向”是高中化學選修模塊《化學反應原理》中比較難教難學的內容，即使在大學，這一內容的教學往往也不輕松。如何上好這節課？最近筆者對此作了一些思考和探索，現簡述如下以就教于讀者。

1 教學內容的特點與定位

從化學發展的全部歷史來看，化學的基本問題是物質的組成、結構和反應。未來化學將重視研究物質組成、結構和性能的關系，研究物質轉化的規律和控制手段，在此基礎上實現物質的人工轉化和合成，對生活、生命和生產中的化學過程實現按需調控[1]。學習“化學反應的方向”，有利于拓展學生的眼界，為他們了解化學反應的調控原理、了解現代化學及其特點打下基礎，從而有利于未來公民將來的發展。而且，熵概念已經在社會科學領域廣泛使用，適當地普及有關的知識是有必要的。學習本節還可以滲透科學方法教育：讓學生初步接觸、感受科學研究要重視條件和判斷依據；體驗人的科學認識是逐步發展、進化并且是有其核心的，不是簡單的證實、證偽過程，為他們將來理解科學的發展模式提供生動的實例；以及感受建立適當的抽象概念是科學的重要方法等等。

本節教學內容的特點是：概念和生疏的名詞術語多，“自發反應”、“化學反應的方向”、“判據”、“熵”、“熵變”、“焓判據”和“熵判據”以及“自由能”等，學生都是第一次接觸，并且內容抽象，不易理解；學生有關化學反應方向及其判斷的經驗基礎比較隱蔽、分散，難以“喚醒”；雖然學生已經學過焓變，但對其理解不深，可能對焓變的物理和化學意義，以及焓變值與反應熱的符號相反仍然不太理解；對討論焓變和熵變的前提條件也難理解，其方法論意義往往被教師和學生忽視。

根據教學內容和學生的特點，本節課宜定位為拓展性質、科普性質，重視聯系實際，又適當注意中學教學特點，不能照搬大學教學的那一套。當初在制定課程標準時把熵變寫進來，要求“能用焓變和熵變說明化學反應的方向”，本意也是做一些科普性質的滲透。是不是做到了面向全體學生、發揮學習集體作用、讓學生有機會提出疑問，學生的興趣如何、提出的問題多不多，學得輕松不輕松，是衡量本節課的過程標準和效果標準。

2 教學策略設計

根據上述分析，本節教學宜主要采用下列教學策略：

（1）以“通過實例體現判斷反應方向的必要性→簡介焓判據及其局限性→簡介熵判據及其局限性→形成綜合判斷規則及其實際應用”為邏輯主線。

（2）由于學生對“熵”和“熵判據”概念理解得如何，對本節課的教學效果影響很大，把“熵”概念作為本節課的重點、難點和關鍵。

（3）以對焓變的理解作為對熵變理解的鋪墊。

（4）通過通俗解釋和類比舉例，使學生了解抽象概念的物理和化學意義，通過簡介“自由能”概念，促進對綜合判斷規則意義的理解。

（5）通過練習提供學習“支架”促進學生對熵變的理解、讓學生初步學會判據的應用。通過學生的交流討論，促進并及時了解學生的理解情況。

（6）注意介紹思想方法，用閱讀材料彌補教科書不夠通俗之不足。

（7）盡量由學生自主地閱讀教科書和參考材料，避免由教師枯燥、乏味地講述抽象的理論內容。

3 探索：能否讓學生主動地學習

像這類學生很不熟悉的內容，包括筆者在內，過去多認為只能采用知識灌輸的方法。能不能以學生為學習主體讓他們主動地學習？現在看來，只要有恰當的措施，例如通過學案提供適當的學習引導與指導、閱讀材料和討論練習題等，還是有可能做到的。

也許有人會擔心學案篇幅較大。筆者認為，如果能有助于學生理解和掌握，有一點篇幅是值得的。其實，篇幅問題的關鍵在教材的編寫，教材編好了，學案的篇幅就可能縮小。從實際情況看，目前的幾種教科書中，“化學反應的方向”篇幅長的有8頁之多，短的為兩三頁，并且或多或少都有插圖，尚有優化的空間。

下面附錄筆者設計的學案供讀者參考。

4 “化學反應的方向”學案（概要）

[導言]

要利用化學反應、使之更好地為人類服務，需要研究化學反應的方向、限度和快慢（速率）問題。本節討論化學反應方向的判斷，會涉及到一些抽象的、不熟悉的概念。為減小學習困難，建議您以下列材料配合對教科書的閱讀和理解，然后通過練習加深和檢驗理解，學習時要注意跟同學和老師討論、交流。

[閱讀材料1]化學反應方向 自發反應判據

自然界中的物質千千萬萬，有些物質只要能滿足一定條件就能夠相互發生化學反應，有些物質相互之間卻根本不能發生化學反應。弄清某些物質之間能不能發生化學反應，能使我們避免無謂地花費許多精力。例如，汽車尾氣中的一氧化氮和一氧化碳對環境空氣質量有很大的危害，能不能把一氧化氮中的氧轉移給一氧化碳，使它們發生反應分別變成沒有危害或者危害較小的氮氣和二氧化碳？這對治理汽車污染很有意義！如果能，我們就可以集中精力尋找使它們發生反應的適宜條件；如果不能，就不必盲目地探索以避免徒勞無功。這樣，判斷它們能不能向生成氮氣和二氧化碳的方向發生化學反應，就成了首先要解決的問題。

與此類似的問題通常稱為化學反應方向的判斷問題。要判斷，就必須先確定判斷的依據（判據），然后確定判斷的規則。這一節主要就研究化學反應方向的判據及其使用規則。

實際上，許多化學反應在特定的條件下（例如恒溫恒壓，或者恒溫恒容）是能夠自動發生的（自發反應），對化學反應方向進行判斷就是判斷一個化學反應在特定條件下能不能向預期方向自發進行。

[閱讀材料2]用焓作判據

化學反應方向的判據有哪些呢？通過物理學的學習我們已經知道，能量較低的物體比較穩定，物體能夠自發地由高能量狀態向低能量狀態運動。你能舉例嗎？

[練習與思考、討論]

1.舉例說明：能量較低的物體比較穩定，物體能夠自發地由高能量狀態向低能量狀態運動。

一些化學家由此想到，物質發生放熱反應后，生成物的總能量比反應物的總能量低，即系統的能量降低，由恒壓時化學反應吸收的熱（即焓變）可以判斷化學反應的方向。

ΔH<0，反應能自發進行

ΔH>0，反應不能自發進行

這個想法得到了不少事實證明，例如：

2H2（g）+O2（g）=2H2O（l），ΔH=-571.6 kJ·mol-1

2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s），ΔH=-822 kJ·mol-1

……

可是人們后來發現，一些吸熱反應也能自發進行。例如：

2N2O5（g）=4NO2（g）+O2（g），ΔH=56.7 kJ·mol-1

（NH4）2CO3（s）=NH4HCO3（s）+NH3（g），ΔH=74.9 kJ·mol-1 NH4HCO3（s）+CH3COOH（aq）=CO2（g）+

CH3COONH4（aq）+H2O（l），ΔH=37.30 kJ·mol-1 CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g），ΔH（1200K）=37.30kJ·mol-1

……

看來，只用焓變制定的判斷規則是有缺陷的，還有別的因素需要考慮，只能在特殊情況下使用，應該修正為：

在特定條件下，ΔH<0，反應能自發進行

ΔH>0，反應不能自發進行

[閱讀材料3]熵也是一種判據

為了解釋上述現象，德國化學家霍斯特曼（A. F. Horstmann，1842～1929）等人引用了熵（S）的概念。所謂熵（entropy）指熱能（Q）除以溫度（T）所得的熱溫商（Q/T）。通過物理學的學習我們已經知道，物體做機械功時要消耗能量同時也總要發熱，熵實際上反映了由于物體發熱導致少做的功的大小。物體發熱是由于構成它的微粒無規則運動并相互碰撞的結果。對于由大量微粒構成的體系，熵實際上描述了體系的混亂度、無組織性和不確定性。在通常情況下，構成微粒的組織性、有序性越差，即混亂度越大，體系就越不容易改變、越穩定，其熵值就越大；反過來，構成微粒的組織性、有序性越強，即混亂度越小，體系就越容易改變、越不穩定，其熵值就越小。因此，熵可以用來描述體系狀態，是描述體系狀態的一種物理量。

[練習與思考、討論]

2.根據混亂度推測下列變化過程的熵值變化（注意是在什么條件下發生的）：

（1）物質由氣態變為液態、再由液態變為固態；

（2）物質溶解、擴散；

（3）物質發生分解；

（4）生成氣體的化學反應；

（5）生成沉淀的化學反應；

（6）溶液發生結晶。

可見，不僅焓變會影響化學反應的方向，熵變也會影響化學反應的方向，它也是化學反應方向的一種判據。

[閱讀材料4]綜合判斷規則 自由能

在化學反應中焓變和熵變是同時發生的，如果它們的影響相反，如何作出綜合判斷呢？1882年，德國化學家亥姆霍茲（H. L. F. vonHelmholtz，1821～1894）提出，就像熱只能部分地轉化為功那樣，化學能在自由地轉化為其他形式的能或功（“自由能”）的同時，總要有一部分（TΔS）以熱的形式釋放出來。綜合焓變和熵變的影響，可以得到下列判斷規則：

ΔH-TΔS<0，反應能自發進行

ΔH-TΔS=0，反應處于平衡狀態

ΔH-TΔS>0，反應不能自發進行

科學實踐證明，在恒溫恒壓情況下，這個判斷規則適用于所有的化學反應和其他過程。

[練習與思考、討論]

3.填表：

在一定溫度和壓強下，

5.思考、討論：

（1）要判斷化學反應的方向，需要綜合焓變和熵變的影響?？墒?，有時只由焓變值或者熵變值也能做出正確的推測，為什么？什么情況下可以由焓變值做出推測？什么情況下可以由熵變值做出推測？

（2）有些反應在常溫下不能自發進行，但在高溫下就可以自發進行了。這類反應有什么特點？

6.已知反應2NO（g）+2CO（g）=N2（g）+2CO2（g）在298K、100kPa時的ΔH為-746.8 kJ·mol-1，ΔS為-197.5 kJ·mol-1，判斷在常溫下該反應能否自發進行。實際上，一氧化氮和一氧化碳在常溫下幾無反應，如何解釋和解決？

參考文獻：

[1]王佛松，王夔，陳新滋，彭旭明主編.展望21世紀的化學[M].北京：化學工業出版社，2000：132～134，139～146.

[閱讀材料2]用焓作判據

化學反應方向的判據有哪些呢？通過物理學的學習我們已經知道，能量較低的物體比較穩定，物體能夠自發地由高能量狀態向低能量狀態運動。你能舉例嗎？

[練習與思考、討論]

1.舉例說明：能量較低的物體比較穩定，物體能夠自發地由高能量狀態向低能量狀態運動。

一些化學家由此想到，物質發生放熱反應后，生成物的總能量比反應物的總能量低，即系統的能量降低，由恒壓時化學反應吸收的熱（即焓變）可以判斷化學反應的方向。

ΔH<0，反應能自發進行

ΔH>0，反應不能自發進行

這個想法得到了不少事實證明，例如：

2H2（g）+O2（g）=2H2O（l），ΔH=-571.6 kJ·mol-1

2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s），ΔH=-822 kJ·mol-1

……

可是人們后來發現，一些吸熱反應也能自發進行。例如：

2N2O5（g）=4NO2（g）+O2（g），ΔH=56.7 kJ·mol-1

（NH4）2CO3（s）=NH4HCO3（s）+NH3（g），ΔH=74.9 kJ·mol-1 NH4HCO3（s）+CH3COOH（aq）=CO2（g）+

CH3COONH4（aq）+H2O（l），ΔH=37.30 kJ·mol-1 CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g），ΔH（1200K）=37.30kJ·mol-1

……

看來，只用焓變制定的判斷規則是有缺陷的，還有別的因素需要考慮，只能在特殊情況下使用，應該修正為：

在特定條件下，ΔH<0，反應能自發進行

ΔH>0，反應不能自發進行

[閱讀材料3]熵也是一種判據

為了解釋上述現象，德國化學家霍斯特曼（A. F. Horstmann，1842～1929）等人引用了熵（S）的概念。所謂熵（entropy）指熱能（Q）除以溫度（T）所得的熱溫商（Q/T）。通過物理學的學習我們已經知道，物體做機械功時要消耗能量同時也總要發熱，熵實際上反映了由于物體發熱導致少做的功的大小。物體發熱是由于構成它的微粒無規則運動并相互碰撞的結果。對于由大量微粒構成的體系，熵實際上描述了體系的混亂度、無組織性和不確定性。在通常情況下，構成微粒的組織性、有序性越差，即混亂度越大，體系就越不容易改變、越穩定，其熵值就越大；反過來，構成微粒的組織性、有序性越強，即混亂度越小，體系就越容易改變、越不穩定，其熵值就越小。因此，熵可以用來描述體系狀態，是描述體系狀態的一種物理量。

[練習與思考、討論]

2.根據混亂度推測下列變化過程的熵值變化（注意是在什么條件下發生的）：

（1）物質由氣態變為液態、再由液態變為固態；

（2）物質溶解、擴散；

（3）物質發生分解；

（4）生成氣體的化學反應；

（5）生成沉淀的化學反應；

（6）溶液發生結晶。

可見，不僅焓變會影響化學反應的方向，熵變也會影響化學反應的方向，它也是化學反應方向的一種判據。

[閱讀材料4]綜合判斷規則 自由能

在化學反應中焓變和熵變是同時發生的，如果它們的影響相反，如何作出綜合判斷呢？1882年，德國化學家亥姆霍茲（H. L. F. vonHelmholtz，1821～1894）提出，就像熱只能部分地轉化為功那樣，化學能在自由地轉化為其他形式的能或功（“自由能”）的同時，總要有一部分（TΔS）以熱的形式釋放出來。綜合焓變和熵變的影響，可以得到下列判斷規則：

ΔH-TΔS<0，反應能自發進行

ΔH-TΔS=0，反應處于平衡狀態

ΔH-TΔS>0，反應不能自發進行

科學實踐證明，在恒溫恒壓情況下，這個判斷規則適用于所有的化學反應和其他過程。

[練習與思考、討論]

3.填表：

在一定溫度和壓強下，

5.思考、討論：

（1）要判斷化學反應的方向，需要綜合焓變和熵變的影響?？墒?，有時只由焓變值或者熵變值也能做出正確的推測，為什么？什么情況下可以由焓變值做出推測？什么情況下可以由熵變值做出推測？

（2）有些反應在常溫下不能自發進行，但在高溫下就可以自發進行了。這類反應有什么特點？

6.已知反應2NO（g）+2CO（g）=N2（g）+2CO2（g）在298K、100kPa時的ΔH為-746.8 kJ·mol-1，ΔS為-197.5 kJ·mol-1，判斷在常溫下該反應能否自發進行。實際上，一氧化氮和一氧化碳在常溫下幾無反應，如何解釋和解決？

參考文獻：

[1]王佛松，王夔，陳新滋，彭旭明主編.展望21世紀的化學[M].北京：化學工業出版社，2000：132～134，139～146.

[閱讀材料2]用焓作判據

化學反應方向的判據有哪些呢？通過物理學的學習我們已經知道，能量較低的物體比較穩定，物體能夠自發地由高能量狀態向低能量狀態運動。你能舉例嗎？

[練習與思考、討論]

1.舉例說明：能量較低的物體比較穩定，物體能夠自發地由高能量狀態向低能量狀態運動。

一些化學家由此想到，物質發生放熱反應后，生成物的總能量比反應物的總能量低，即系統的能量降低，由恒壓時化學反應吸收的熱（即焓變）可以判斷化學反應的方向。

ΔH<0，反應能自發進行

ΔH>0，反應不能自發進行

這個想法得到了不少事實證明，例如：

2H2（g）+O2（g）=2H2O（l），ΔH=-571.6 kJ·mol-1

2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s），ΔH=-822 kJ·mol-1

……

可是人們后來發現，一些吸熱反應也能自發進行。例如：

2N2O5（g）=4NO2（g）+O2（g），ΔH=56.7 kJ·mol-1

（NH4）2CO3（s）=NH4HCO3（s）+NH3（g），ΔH=74.9 kJ·mol-1 NH4HCO3（s）+CH3COOH（aq）=CO2（g）+

CH3COONH4（aq）+H2O（l），ΔH=37.30 kJ·mol-1 CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g），ΔH（1200K）=37.30kJ·mol-1

……

看來，只用焓變制定的判斷規則是有缺陷的，還有別的因素需要考慮，只能在特殊情況下使用，應該修正為：

在特定條件下，ΔH<0，反應能自發進行

ΔH>0，反應不能自發進行

[閱讀材料3]熵也是一種判據

為了解釋上述現象，德國化學家霍斯特曼（A. F. Horstmann，1842～1929）等人引用了熵（S）的概念。所謂熵（entropy）指熱能（Q）除以溫度（T）所得的熱溫商（Q/T）。通過物理學的學習我們已經知道，物體做機械功時要消耗能量同時也總要發熱，熵實際上反映了由于物體發熱導致少做的功的大小。物體發熱是由于構成它的微粒無規則運動并相互碰撞的結果。對于由大量微粒構成的體系，熵實際上描述了體系的混亂度、無組織性和不確定性。在通常情況下，構成微粒的組織性、有序性越差，即混亂度越大，體系就越不容易改變、越穩定，其熵值就越大；反過來，構成微粒的組織性、有序性越強，即混亂度越小，體系就越容易改變、越不穩定，其熵值就越小。因此，熵可以用來描述體系狀態，是描述體系狀態的一種物理量。

[練習與思考、討論]

2.根據混亂度推測下列變化過程的熵值變化（注意是在什么條件下發生的）：

（1）物質由氣態變為液態、再由液態變為固態；

（2）物質溶解、擴散；

（3）物質發生分解；

（4）生成氣體的化學反應；

（5）生成沉淀的化學反應；

（6）溶液發生結晶。

可見，不僅焓變會影響化學反應的方向，熵變也會影響化學反應的方向，它也是化學反應方向的一種判據。

[閱讀材料4]綜合判斷規則 自由能

在化學反應中焓變和熵變是同時發生的，如果它們的影響相反，如何作出綜合判斷呢？1882年，德國化學家亥姆霍茲（H. L. F. vonHelmholtz，1821～1894）提出，就像熱只能部分地轉化為功那樣，化學能在自由地轉化為其他形式的能或功（“自由能”）的同時，總要有一部分（TΔS）以熱的形式釋放出來。綜合焓變和熵變的影響，可以得到下列判斷規則：

ΔH-TΔS<0，反應能自發進行

ΔH-TΔS=0，反應處于平衡狀態

ΔH-TΔS>0，反應不能自發進行

科學實踐證明，在恒溫恒壓情況下，這個判斷規則適用于所有的化學反應和其他過程。

[練習與思考、討論]

3.填表：

在一定溫度和壓強下，

5.思考、討論：

（1）要判斷化學反應的方向，需要綜合焓變和熵變的影響?？墒?，有時只由焓變值或者熵變值也能做出正確的推測，為什么？什么情況下可以由焓變值做出推測？什么情況下可以由熵變值做出推測？

（2）有些反應在常溫下不能自發進行，但在高溫下就可以自發進行了。這類反應有什么特點？

6.已知反應2NO（g）+2CO（g）=N2（g）+2CO2（g）在298K、100kPa時的ΔH為-746.8 kJ·mol-1，ΔS為-197.5 kJ·mol-1，判斷在常溫下該反應能否自發進行。實際上，一氧化氮和一氧化碳在常溫下幾無反應，如何解釋和解決？

參考文獻：

[1]王佛松，王夔，陳新滋，彭旭明主編.展望21世紀的化學[M].北京：化學工業出版社，2000：132～134，139～146.