初中化學(xué)計算復(fù)習(xí)的微項目化實踐
——以“奧運火炬里的碳中和”為例

張 靜

（蘇州市第一初級中學(xué)校 江蘇 蘇州 215000）

一、項目確立

化學(xué)計算是化學(xué)基本技能的重要組成部分。初中化學(xué)涉及的計算，大體可分為三類：①化學(xué)式的相關(guān)計算；②化學(xué)方程式的相關(guān)計算；③溶液的相關(guān)計算。以上知識點分散于教材不同章節(jié)，學(xué)生往往將它們視作一個個孤立的知識點，無法將它們看作一個整體。項目式教學(xué)在實現(xiàn)學(xué)生學(xué)科知識、認(rèn)識思路、學(xué)科觀念結(jié)構(gòu)化方面具有獨特價值［1］。為了在復(fù)習(xí)時將這些內(nèi)容組成一個有機整體，筆者設(shè)計了“奧運火炬里的碳中和”這個微項目，期望在有效復(fù)習(xí)化學(xué)計算的同時，使學(xué)生深刻體會碳中和的必要性和緊迫性。

二、項目規(guī)劃

本微項目的主要內(nèi)容分為三部分：火炬燃料知多少、身體力行碳中和、大力發(fā)展新能源。通過學(xué)習(xí)和討論，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)并牢固掌握常見的三類化學(xué)計算，體會理論與實際相結(jié)合的重要性，讓學(xué)生學(xué)會有效運用相關(guān)數(shù)據(jù)，開展方案探討，提高解決實際問題的能力。具體教學(xué)流程如圖1。

圖1 教學(xué)流程圖

三、項目實施

任務(wù)1：火炬燃料知多少

【視頻引入】火炬小劇場——奧運火炬的燃料變遷

【教師提問】從視頻中，可以知道有哪些物質(zhì)曾用作火炬的燃料？

【學(xué)生回答】曾用作火炬燃料的有：金屬鎂、天然樹脂、液化石油氣、橄欖油、丙烷混合氣、綠氫。

【教師提問】金屬鎂用作火炬燃料的次數(shù)很少，同學(xué)們認(rèn)為主要是什么原因？

【學(xué)生回答】金屬鎂燃燒時生成氧化物會形成白煙，空氣污染嚴(yán)重。

【教師介紹】1976年奧運會火炬燃料是橄欖油，其中含有一定量的角鯊烯（C30H50）。

【活動1】請根據(jù)角鯊烯的化學(xué)式C30H50，計算⑴角鯊烯中碳、氫元素的質(zhì)量比為多少？

（2）41 g角鯊烯與多少克水中所含氫元素的質(zhì)量相等？（已知：C-12，H-1）

【學(xué)生反饋】角鯊烯中碳?xì)湓刭|(zhì)量比為36：5；41 g角鯊烯與45 g水所含氫元素質(zhì)量相等。

【教師提問】從1984年奧運會開始，奧運火炬基本都是采用以丙烷為主的混合氣，它和鎂相比有何優(yōu)點？

【學(xué)生回答】丙烷完全燃燒時只生成二氧化碳和水，二氧化碳本身是空氣組成成分，因此對空氣的影響與鎂燃燒相比小多了。

【教師講述】同學(xué)們回答得非常正確。這是2008年北京夏季奧運會火炬——祥云。祥云火炬采用的燃料正是以丙烷為主的混合氣體。這是丙烷分子的微觀模型（給出圖片）。

【教師提問】那么一支祥云火炬完全燃燒，最多會產(chǎn)生多少二氧化碳?xì)怏w呢？請同學(xué)們猜一猜。

【學(xué)生回答】估計幾十克吧，最多不會超過一百克。

【教師講述】同學(xué)們的猜測到底準(zhǔn)確不準(zhǔn)確呢？我們就來具體計算一下。

【活動2】查閱資料可知：一支祥云火炬中裝有約0.21 kg丙烷，平均燃燒時長為15 min。試計算其完全燃燒時，最多會產(chǎn)生多少克二氧化碳？

【學(xué)生反饋】真沒想到一支火炬完全燃燒會產(chǎn)生630 g二氧化碳，比預(yù)想的要多得多。

【教師講述】沒有調(diào)查就沒有發(fā)言權(quán)。同學(xué)們通過計算，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的二氧化碳比想象的要多很多。

【教師提問】那么大量的二氧化碳排放，對環(huán)境會不會產(chǎn)生不利影響呢？

【學(xué)生回答】會產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”，使得氣溫升高，南北極冰川融化……

【教師講述】正如同學(xué)們所說，大量的二氧化碳排放會對地球環(huán)境產(chǎn)生很多不利影響，因此包括中國在內(nèi)的世界各國都在大力推進(jìn)“碳中和”。所謂“碳中和”，就是指在一定時間內(nèi)，二氧化碳的產(chǎn)生量與吸收量基本相當(dāng)。

任務(wù)2：身體力行碳中和

【教師提問】請同學(xué)們想一想，我們可以采用哪些方法來吸收二氧化碳呢？

【學(xué)生回答】可以像實驗室一樣，采用氫氧化鈉等堿性溶液來吸收二氧化碳。

【方案探討一】若用氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳，實際效果怎么樣呢？

【活動1】請同學(xué)們通過計算藥品用量，自己動手配置50 g溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氫氧化鈉溶液。

【活動2】剛才配制的氫氧化鈉溶液最多可以吸收多少克二氧化碳？

【學(xué)生反饋】只能吸收2.75 g二氧化碳，太少了。

1.7.5 抑瘤率測定實驗 荷瘤小鼠給藥30 d后，停藥24 h頸椎脫臼處死，固定于手術(shù)蠟板上，將小鼠右前肢腋下腫瘤剖出，稱量腫瘤重量并計算腫瘤抑制率，計算公式為：

【教師提問】同學(xué)們都覺得吸收的二氧化碳太少了，那有什么辦法能讓溶液吸收更多二氧化碳呢？

【學(xué)生回答】可以增大溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，甚至配制成飽和溶液。

【活動3】若要配制室溫（20℃）時的氫氧化鈉飽和溶液，還需向其中加入多少克固體氫氧化鈉，并使其完全溶解？該飽和溶液溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為多少？（已知：20℃時，S（NaOH）=109 g）

【學(xué)生反饋】還需加入44.05 g氫氧化鈉固體，該飽和溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為52.2%。

【活動4】若要完全吸收一支祥云火炬燃燒產(chǎn)生的二氧化碳，至少需要室溫時的飽和氫氧化鈉溶液多少克？

【學(xué)生反饋】沒想到完全吸收一支祥云火炬產(chǎn)生的二氧化碳，竟然需要2 194.4 g飽和氫氧化鈉溶液。

【教師講述】根據(jù)同學(xué)們的計算，吸收630 g 二氧化碳需要將近2 200 g 飽和氫氧化鈉溶液，其中溶質(zhì)氫氧化鈉需要將近1 100 g。相關(guān)資料顯示，2022年全球氫氧化鈉產(chǎn)量達(dá)到8 070萬噸，而2021年全球二氧化碳排放量達(dá)到363億噸，同學(xué)們從這組數(shù)據(jù)中能夠發(fā)現(xiàn)什么？

【學(xué)生回答】二氧化碳排放量遠(yuǎn)大于氫氧化鈉產(chǎn)量，靠大量氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳是行不通的。

【學(xué)生回答】可以通過植樹造林，依靠綠色植物的光合作用來吸收二氧化碳。

【方案探討二】依靠綠色植物的光合作用吸收二氧化碳，實際效果又如何呢？

【活動5】已知：綠色植物在晴天時，通常每天每平方米葉片約能夠吸收5 g 二氧化碳來進(jìn)行光合作用。

若一顆樹上有約105片表面積為1.6 cm2的葉片，則該樹一天最多可吸收多少克二氧化碳？一支祥云火炬燃燒產(chǎn)生的二氧化碳至少需要幾個晴天才能被這棵樹完全吸收呢？

【學(xué)生反饋】該樹一天可吸收80 g二氧化碳，完全吸收一支祥云火炬產(chǎn)生的二氧化碳要8個晴天。

通過綠色植物光合作用吸收二氧化碳的效率比想象中的要低很多。

【教師補充】通過簡單計算我們發(fā)現(xiàn)，植樹造林能夠解決一部分問題，僅僅通過植樹造林的方式吸收二氧化碳，效率也是低下的。

【教師提問】通過以上分析，我們得出結(jié)論：單純依靠吸收二氧化碳來實現(xiàn)碳中和，幾乎是不可能的，必須轉(zhuǎn)換思路。那還能從哪方面想辦法呢？

【學(xué)生回答】必須從減少排放上想辦法，比如采用新能源替代傳統(tǒng)的化石能源。

任務(wù)3：大力發(fā)展新能源

【教師提問】同學(xué)們知道哪些屬于新能源？

【學(xué)生回答】主要有太陽能、地?zé)崮堋淠堋?/p>

【教師提問】剛才同學(xué)們提到了氫能。這次北京冬奧會的火炬飛揚，就是采用的綠氫作燃料。采用氫氣作燃料，有什么優(yōu)點呢？

【學(xué)生回答】氫氣燃燒生成物只有水，沒有二氧化碳。

【教師補充】氫氣是一種理想能源，但無法從自然界直接大量獲取。傳統(tǒng)的制取氫氣方法是電解水，可是如果消耗的電能是通過燒煤等方法得來的，那么又會產(chǎn)生大量的二氧化碳。

【活動1】已知：目前采用電解水制氫時，每制取1 kg氫氣要消耗56 kW·h 的電。全國平均供電煤耗是330 g/kW·h。求：若某火力發(fā)電廠每天使用褐煤（假設(shè)平均含碳量為60%）進(jìn)行發(fā)電，則通過電解水制得1 kg氫氣，發(fā)電廠至少會向空氣中排放多少千克二氧化碳?

【學(xué)生反饋】如果采用傳統(tǒng)燒煤發(fā)電，為了獲得1 kg氫氣，需要排放40.7 kg二氧化碳，有點得不償失。

【教師補充】如果是通過化石燃料燃燒制得氫氣，那么在制取過程中會有二氧化碳排放，這樣的氫氣稱之為“灰氫”。如果通過可再生能源制得氫氣，例如通過可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，在此過程中完全沒有碳排放，這樣得到的氫氣稱之為“綠氫”。北京冬奧會火炬飛揚，采用的燃料就是綠氫。綠氫才是一種真正意義上的理想能源。

【教師提問】在生活中，我們每個人可以為實現(xiàn)碳中和做些什么力所能及的事情呢？

【學(xué)生討論】少開車，多坐公交地鐵，甚至騎車出行；夏天空調(diào)溫度調(diào)高一度；隨手關(guān)燈、關(guān)電源……

【教師總結(jié)】希望我們每一個人都從身邊小事做起，為實現(xiàn)碳中和貢獻(xiàn)自己的力量。

四、項目效果評價

評價設(shè)計是微項目實踐過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)。為了更好地關(guān)注學(xué)生的整個學(xué)習(xí)過程，筆者在本微項目中設(shè)計了如下評價表，便于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行自評和互評，為今后的教學(xué)積累經(jīng)驗。

表1 評價表

五、項目教學(xué)反思

1.理論與實踐結(jié)合，提升學(xué)生成就感

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2022年版）注重學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，核心素養(yǎng)是在問題情境中借助問題解決的實踐培育起來的［2］。本次項目式教學(xué)，從奧運會火炬燃料的變遷引出碳中和，再由碳中和引出新能源，三者之間是層層遞進(jìn)的關(guān)系，在這個過程中，學(xué)生通過動手實踐，解決了一個又一個問題，獲得的成就感遠(yuǎn)比單純的筆頭練習(xí)要多。

2.聯(lián)系生活實際，讓計算更有意義

化學(xué)是一門實踐性很強的學(xué)科，而常規(guī)教學(xué)偏重理論知識點的講授，學(xué)生習(xí)慣從理論上推斷方案的可行性，頗有“紙上談兵”的味道。在本次微項目教學(xué)中，學(xué)生通過具體計算來論證方案的實際可行性以及實際效果，既復(fù)習(xí)了化學(xué)計算相關(guān)內(nèi)容，又能體會理論計算對實踐的指導(dǎo)作用。