“化學反應進行的方向”教學案件賞析

◇　北京　宋兆爽　指導教師　王　春

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“化學反應進行的方向”教學案件賞析

◇北京宋兆爽1指導教師王春2

1　指導思想與理論依據

依據《普通高中化學課程標準》對化學反應方向的要求,確立了本教學設計的核心目標——認識到影響化學反應方向的因素,并能夠初步利用焓變和熵變說明化學反應的方向．化學史系統地記錄了影響化學發展的重要事件,更重要的是展示了化學家為了解開化學現象背后的規律所進行的思維活動和所采用的科學方法．以化學史貫穿本節課的教學設計,追尋化學反應方向相關理論的形成過程,不僅可以使學生有更清晰的思維脈絡,而且可以讓他們切身感受化學家們的科學方法和科學精神．

2　教學背景分析

2.1學習內容分析

本章的前3節初步解決了速率和限度的問題,將反應方向問題放在最后1節，主要是因為在中學階段只是讓學生對化學反應方向的判據有初步的了解,并不要求對熱力學知識深入學習．在本節課結束后教師有必要結合整章內容,幫助學生梳理研究化學反應的基本思路,即先判定反應在給定的溫度、壓強下是否具有發生的可能性,再研究反應的速率和限度．

2.2學生情況分析

通過對復分解反應、氧化還原反應、離子反應發生條件的學習，學生初步意識到化學反應的發生是有條件的;通過對可逆反應的學習，意識到同一個化學反應由于反應條件的不同是可以向不同的方向進行的.學生對自發反應的典型錯誤理解有： 1)忽略反應條件(溫度、壓強)對反應自發性的影響; 2)把自發性等同于反應一定發生,甚至等同于快速發生．對熵的認識障礙主要源于高中階段不可能深入解釋熵的真正含義,只能定性說明,因此學生認為“熵”比較難于理解．

3　教學目標設計

3.1知識與技能

1) 知道化學反應存在方向問題,了解自發反應的含義；2) 初步了解熵的含義,會定性判斷化學反應前后熵的變化情況；3) 理解放熱、熵增有利于反應自發進行,初步學會綜合利用焓變和熵變判斷反應方向．

3.2過程與方法

1) 通過經驗和直觀體驗,認識自然界中的自發過程及特征,并遷移到化學反應的自發過程,形成“化學反應存在方向”的認識；2) 通過分析焓變和熵變對反應方向的影響,認識到2種因素的影響不是孤立的,而是相互關聯的．

3.3情感態度與價值觀

通過化學史的學習了解化學反應方向的研究歷程,認識到ΔH-ΔTS判據的價值在于科學家不僅能預測反應的自發性,還能控制和設計反應，使之向著預期的方向自發進行．

4　教學重、難點

1) 重點:焓變、熵變對反應方向的影響,方向判據在科研生產中的應用； 2) 難點:自發反應.

5　教學過程設計

環節1介紹工業制鈦的歷史,建立自發反應概念.

鈦被譽為“21世紀金屬”,第1次制得純凈的鈦是在1910年,其實早在1791年人們就在金紅石的礦物中發現了鈦元素,科學家最初設計以金紅石為原料制備鈦，反應方程式為TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g),TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti. 然而，科學家發現第1步反應的正向反應在任何溫度下都不發生,逆向反應在一定溫度下卻很容易進行．于是,科學家們意識到化學反應的發生是具有方向性的．

【引出概念】 人們把在一定溫度、壓強下,不借助(光、電能)外部力量即能進行,或具有發生的可能性的反應稱為自發反應．反之稱為非自發反應．

【提出問題】 列舉生活中常見的自發反應和非自發反應的例子．

【學生思考并回答問題】 自發反應:蘋果氧化、鋼鐵生銹、Na和水反應、NaOH和HCl反應.

環節2利用化學史引出焓變對反應方向的影響.

【問題1】 如果你是18世紀的科學家,面對以上并不成功的制備鈦的設計,你會想到化學反應的方向與哪些因素有關系呢?

學生A: 應該和吸、放熱有關系．可能向著放熱的方向自發進行,如燃燒、中和等反應都是自發反應．

【問題2】 早在18世紀,以拉瓦錫為代表的科學家就開始關注反應過程中的熱量變化及其與反應方向間的關系．19世紀的科學家們曾認為決定反應能否自發進行的因素就是反應熱:放熱反應可以自發進行,而吸熱反應則不能自發進行．你同意這種觀點嗎?請舉例說明．

學生B: NH4Cl(s)與Ba(OH)2·8H2O(s)的反應是吸熱的,但是常溫、常壓下是自發進行的．

學生C: 石灰石的分解反應也是吸熱的,但高溫時可以自發進行．

【小結】 放熱反應使體系能量降低,因此反應具有正向進行的傾向，焓減是有利于反應自發進行的．但科學家們認識到,焓變是與反應能否自發進行的有關因素之一,但不是唯一因素．那么還有什么因素在影響反應的方向呢?

環節3結合生活情境和化學史引出熵變對反應方向的影響.

【展示圖片】 1) 冰雪融化; 2) 食鹽溶解; 3) 火柴散落; 4) 墨水擴散.

【問題1】 你能找到這樣一些表面上看似無關的事件的共同特點嗎?

學生D: 這些過程都是從有序向無序進行的,趨向于更亂．

【講解】 熵的歷史.

1855年,德國物理學家克勞修斯首次提出熵的概念(符號S),用來表示體系的混亂程度．固體的溶解、水的汽化、墨水的擴散都是體系混亂度增大的過程,即熵增(ΔS>0)的過程．1869年,德國化學家霍斯特曼在研究氯化銨的受熱分解過程時運用了熵的概念,指出這一過程和液體的蒸發過程遵守同樣的規律．他把熵的概念首次推廣到化學反應領域．

【列舉數據】 1) 標準狀況下,不同的物質的熵; 2) 水在固、液、氣三態下的熵值.

【學生觀察并得出結論】 不同物質的熵不同,而同一物質的熵與其聚集狀態有關．

【問題2】 再次思考下列吸熱反應常溫、常壓下能夠自發進行的原因是什么?

1) 2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8H2O(s)=

BaCl2(s)+2NH3(g)+10H2O(l)ΔH>0;

2) 2N2O5(g)=2N2O4(g)+O2(g)

ΔH=+56.7 kJ·mol-1;

3) (NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g)

ΔH=+74.9 kJ·mol-1.

【學生觀察并得出結論】 生成氣體的反應,或者氣體的物質的量增大的反應都是熵增反應,熵增有利于反應的自發進行．

【小結】 一定條件下,化學反應能否自發進行,既與反應焓變有關又與反應熵變有關,焓變和熵變共同影響反應的進行方向．

環節4提出反應方向綜合判據,進行簡單應用.

【講解】 1878年,美國科學家吉布斯在大量理論研究的基礎上提出判斷化學反應方向的綜合判據.在一定溫度、壓強下:

ΔH-TΔS<0, 反應自發;

ΔH-TΔS>0, 反應非自發;

ΔH-TΔS=0, 反應達平衡態.

【理論聯系實際應用】 根據ΔH和ΔS數據定量確定碳酸鈣分解的溫度．

CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)

ΔH=178.2 kJ·mol-1,ΔS=169.6 J·mol-1·K-1.

【講解】 科學家歷經百年最終克服了工業制鈦的難題,體會化學反應方向的綜合判據對于控制和設計反應的重要意義．

6　教學設計特色說明與教學反思

《高中化學課程標準》特別強調在課程實施過程中,要從“知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀”3個方面為學生科學素養的發展和今后的進一步學習打下良好的基礎．本節課以化學史貫穿始終,教學設計有以下幾個特點:

1) 追尋科學家的思維脈絡組織教學.

“化學反應進行的方向”一節是新課程增加的章節．最初接觸這一章節時感到知識比較凌亂和單薄,很多內容在中學階段都是淺嘗輒止,如果從知識線進行梳理,有種“講不透,理還亂”的感覺．但從化學史的角度切入后,遵循科學家對化學反應方向這一問題的研究思路組織教學,并結合化學史背景講解自發反應、焓變、熵變的概念,條理清晰、深入淺出,學生經過這節課的學習后也形成了比較清晰的思維脈絡．

2) 問題的呈現具有情景化,激發學生的學習興趣.

本節開篇以工業制鈦的故事引入主題,中間以工業制鈦的故事提出問題,結尾又以工業制鈦的故事引導學生完成知識的應用．這些情景化的問題使學生具有新鮮感,產生解決問題的“沖動”,也有助于培養他們在真實情境中分析問題、解決問題的能力．

3) 情感態度價值觀的培養.

在一些生動有趣的化學史故事中,化學家們走下神壇,他們可能在一生中經歷過很多困苦磨難,甚至終其一生不被認可．但是,他們又幾乎無一例外地具有一些共同的品質,那就是對自己的研究領域癡迷、忘我，敢于質疑、勇于創新、持之以恒．比如本節課中提到的美國科學家吉布斯,作為科學史上最偉大的理論學者之一,他為化學熱力學的發展做出了卓越的貢獻．但他一生淡泊名利,論文只是在名不見經傳的期刊上發表,且拒絕一切宣傳工作,所以直到晚年他的工作也沒有得到美國科學界的廣泛認可,然而這并沒有影響他對于自己研究領域的熱愛．課堂上利用合適的時機讓學生們走進這些化學史上真實的人和事,學生們的品格和科學素養也會在潛移默化中得到提升．