基于化學(xué)反應(yīng)原理的系統(tǒng)模型建構(gòu)

吳健華 譚琪 王懷文

摘要：化學(xué)反應(yīng)原理是對化學(xué)變化本質(zhì)與規(guī)律的概括化認(rèn)識，是調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的依據(jù)，包括化學(xué)反應(yīng)與能量、化學(xué)反應(yīng)的方向、速率、限度及調(diào)控等基本問題，對科研、生產(chǎn)等有著重要的指導(dǎo)作用。本單元主題教學(xué)課例以火箭推進(jìn)劑的研究為真實(shí)情境，開展火箭推進(jìn)劑的“發(fā)展與效能研究”“廢氣確定及處理”“工業(yè)制備的定量分析”等任務(wù)環(huán)節(jié)；引領(lǐng)學(xué)生基于多角度、多變量關(guān)系建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的問題解決思維系統(tǒng)模型，培養(yǎng)學(xué)生理解概括、遷移應(yīng)用反應(yīng)規(guī)律的學(xué)科能力。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)原理；單元主題教學(xué)；火箭推進(jìn)劑；真實(shí)情境；系統(tǒng)模型

文章編號：1008-0546（2023）09-0002-06

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.001

一、單元教學(xué)背景分析

1．課標(biāo)教材分析

關(guān)于化學(xué)反應(yīng)原理主題內(nèi)容，不同版本教材均側(cè)重于化學(xué)反應(yīng)能量、方向、限度與速率等基本規(guī)律的研究，開展合成氨工業(yè)反應(yīng)條件選擇與優(yōu)化的討論，充分調(diào)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)原理知識的理解、遷移與應(yīng)用。新課程標(biāo)準(zhǔn)[1]建議創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，如開展火箭推進(jìn)劑燃料的研究，形成合理利用化學(xué)反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)變化的意識與思路；結(jié)合具體實(shí)例，認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的微觀歷程，能從限度、速率等多角度對化工生產(chǎn)條件進(jìn)行綜合分析，建構(gòu)基于化學(xué)反應(yīng)原理的系統(tǒng)模型，體會(huì)問題解決的思維演繹過程。

2．學(xué)情分析

通過本單元主題教學(xué)課例的實(shí)施，預(yù)期學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量達(dá)到3、4水平（高階水平）：能結(jié)合問題情境，從定性與定量角度分析化學(xué)變化中能量轉(zhuǎn)化，理解其在生產(chǎn)、生活中的重要應(yīng)用；能從宏觀與微觀的認(rèn)識角度，結(jié)合數(shù)據(jù)、圖象、符號等多種方式對化學(xué)問題進(jìn)行描述表征；能對反應(yīng)速率、化學(xué)平衡等理論規(guī)律進(jìn)行概括關(guān)聯(lián)，基于多角度、多變量關(guān)系對真實(shí)情境中的化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行預(yù)測推理、說明論證及遷移應(yīng)用，進(jìn)一步提出化學(xué)問題的解決方案。

二、單元主題教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)單元主題的結(jié)構(gòu)性、進(jìn)階性，本教學(xué)課例安排為3課時(shí)，單元主題教學(xué)目標(biāo)與課時(shí)目標(biāo)設(shè)計(jì)見圖1。

三、單元主題教學(xué)思維框架

課時(shí)一：基于化學(xué)反應(yīng)原理的系統(tǒng)模型建構(gòu)——火箭推進(jìn)劑的發(fā)展與效能研究，見圖2。

課時(shí)二：基于化學(xué)反應(yīng)原理的系統(tǒng)模型建構(gòu)——火箭推進(jìn)劑廢氣確定及處理，見圖3。

課時(shí)三：基于化學(xué)反應(yīng)原理的系統(tǒng)模型建構(gòu)——火箭推進(jìn)劑工業(yè)制備的定量分析，見圖4。

四、單元主題教學(xué)實(shí)施過程

元主題教學(xué)的3個(gè)課時(shí)項(xiàng)目活動(dòng)已順利實(shí)施。課時(shí)一重點(diǎn)發(fā)展學(xué)生結(jié)合宏觀外界條件及微觀反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)知角度，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率的原理對真實(shí)情境下火箭推進(jìn)劑反應(yīng)條件的選擇及優(yōu)化問題進(jìn)行討論分析、推理論證，其課時(shí)一的教學(xué)實(shí)錄如下：

環(huán)節(jié)一：多角度分析火箭推進(jìn)劑的選擇因素

【任務(wù)】利用熱力學(xué)知識，解決火箭推進(jìn)劑的選擇問題。

【情境】2021年我國神舟十三號載人飛船運(yùn)載火箭成功發(fā)射，標(biāo)志著我國航天事業(yè)的高速發(fā)展。隨著科技發(fā)展，液體推進(jìn)劑的種類與性能在不斷改良。

【問題】書寫熱化學(xué)方程式，計(jì)算熱值，判斷反應(yīng)進(jìn)行方向，歸納火箭推進(jìn)劑的選擇依據(jù)。

【師生活動(dòng)】

教師：播放神州十三號載人飛船等愛國情境視頻，簡述火箭推進(jìn)劑的作用原理，列舉常見的液態(tài)推進(jìn)劑（見表1）。

學(xué)生：觀看視頻，感受我國航天事業(yè)的偉大發(fā)展，了解火箭推進(jìn)劑的作用原理。

教師：展示資料卡片（見表2），引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合化學(xué)熱力學(xué)知識進(jìn)行思考，提出問題：

①N2H4（1）與N2O4（g）二者反應(yīng)產(chǎn)生N2（g） .H2O（g），寫出熱化學(xué)方程式，并說明反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行的原因；

②結(jié)合燃燒熱數(shù)據(jù)，說明液氫、液氧推進(jìn)劑的優(yōu)勢；

③綜合多角度因素歸納火箭推進(jìn)劑的選擇兇素。

學(xué)生：獨(dú)立思考，小組交流討論，得出結(jié)論：

解答①：根據(jù)蓋斯定律，N2H4（1）與N2O4（g）反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為2N2H4（1）+N204（g）===3N2 （g）+4H2O（g）△H=-1310.4 kJ．mol-1；分析該反應(yīng)的特點(diǎn)：△H<0，AS>0，正方向?yàn)殪蕼p且熵增的反應(yīng)，在任何條件下可自發(fā)進(jìn)行。

解答②：從物質(zhì)的燃燒熱考慮，丙烷、乙醇等的燃燒熱數(shù)值較大，但考慮火箭的運(yùn)載質(zhì)量，應(yīng)選擇單位質(zhì)量燃料可釋放出較多能量（熱值較高）的推進(jìn)劑。經(jīng)過計(jì)算比較可知，液氫的熱值較高，其燃燒性能高。

解答③：結(jié)合不同推進(jìn)劑的性能特點(diǎn)及熱值數(shù)據(jù)，從多角度思考火箭推進(jìn)劑的選擇因素。液氫具有熱值較高、產(chǎn)物無污染、原料來源豐富等優(yōu)勢，備受航天工業(yè)的青睞。

設(shè)計(jì)意圖：對火箭推進(jìn)劑的發(fā)展進(jìn)行簡要介紹，為后續(xù)問題解決作知識鋪墊。通過組織對火箭推進(jìn)劑燃料的選擇判斷，形成合理利用化學(xué)反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)變化解決問題的思路，同時(shí)增強(qiáng)愛國情懷。

環(huán)節(jié)二：氫氧燃燒條件的初認(rèn)識

【任務(wù)】結(jié)合化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，初步判斷氫氧推進(jìn)劑的燃燒條件。

【情境】假如你是火箭工程師，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理知識，該如何提高液氫和液氧的燃燒效率？

【師生活動(dòng)】

教師：對于液氫、液氧推進(jìn)劑，可以考慮從哪些角度提高其燃燒反應(yīng)效率？

學(xué)生：發(fā)生的反應(yīng)為2H2（g）+O2（g） =2H2O（g），可從速率角度出發(fā)，改變外界條件加快燃燒速率；或從平衡角度考慮，提高氫氧燃燒的反應(yīng)限度。

教師組織評價(jià)：氫氧燃燒反應(yīng)的平衡常數(shù)K的數(shù)量級高達(dá)10 83，表明反應(yīng)正向進(jìn)行的趨勢極大；但在不同的反應(yīng)條件下，其反應(yīng)速率有快有慢。因此，應(yīng)從速率的角度對反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控。教師進(jìn)一步提出問題，思考提高氫氧燃燒速率的外界條件的選擇與調(diào)控。

學(xué)生：依據(jù)反應(yīng)速率理論，從濃度、溫度、壓強(qiáng)及催化劑等因素進(jìn)行分析。

教師：展示文獻(xiàn)中推進(jìn)劑燃燒速率的關(guān)系圖象[3]（圖5），引導(dǎo)學(xué)生閱讀圖表資料獲取信息，并完成表3的填寫。

學(xué)生：閱讀圖象信息，交流并填寫氫氧燃燒條件的實(shí)際選擇，與理論分析進(jìn)行比較。根據(jù)理論分析，按化學(xué)反應(yīng)計(jì)量數(shù)比（2：1）成倍增大氫氧濃度、增大壓強(qiáng)等條件均可加快燃燒反應(yīng)速率；但根據(jù)圖象分析判斷，氫氧燃料當(dāng)量比約為1.5時(shí)（適度增大H2濃度，氫氧濃度比為3：1）、反應(yīng)保持相對低壓，有利于燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。實(shí)際的條件選擇與理論分析產(chǎn)生問題沖突，小組交流討論產(chǎn)生沖突的原因，提出猜想。

設(shè)計(jì)意圖：組織學(xué)生基于外界條件對反應(yīng)速率的影響，開展氫氧燃燒反應(yīng)條件選擇的初判斷；結(jié)合文獻(xiàn)資料中燃燒條件的選擇，形成問題認(rèn)知沖突，發(fā)展學(xué)生歸納論證、演繹推理、系統(tǒng)假設(shè)的思維能力。

環(huán)節(jié)三：氫氧燃燒條件的再認(rèn)識

項(xiàng)目1：燃燒反應(yīng)的微觀機(jī)理研究

【任務(wù)】繪制反應(yīng)歷程與能量變化圖，認(rèn)識理解氫氧燃燒的反應(yīng)機(jī)理。

【情境】氫氧推進(jìn)劑燃燒條件的選擇與理論分析存在沖突與差異，從微觀反應(yīng)機(jī)理認(rèn)識氫氧燃燒的反應(yīng)歷程，解決實(shí)際條件的選擇問題。

【師生活動(dòng)】

教師：展示氫氧推進(jìn)劑燃燒的簡化反應(yīng)機(jī)理[3]（見表4），分析該自由基反應(yīng)的特點(diǎn)，畫出其反應(yīng)歷程與能量變化圖。

學(xué)生：依據(jù)蓋斯定律，結(jié)合各步反應(yīng)的活化能Ea及反應(yīng)熱△H，繪制反應(yīng)歷程與能量變化圖，將鏈引發(fā)、鏈傳遞及鏈終止三個(gè)階段的基元反應(yīng)表示在圖中（見圖6）。

依據(jù)學(xué)生繪制的圖象，教師進(jìn)一步提出問題：該反應(yīng)歷程分為幾步進(jìn)行？其中哪一步的活化能最大？解釋鏈引發(fā)、鏈終止反應(yīng)對溫度條件敏感、不敏感的原因。

學(xué)生：從反應(yīng)歷程及活化能可知，鏈引發(fā)反應(yīng)H2 （g）+M ===2H．g+M的活化能Ea最大，該步驟的發(fā)生是氫氧燃燒反應(yīng)的先決條件，且為總反應(yīng)的速控步，受溫度影響較大；其他階段的反應(yīng)活化能較小，受其它兇素影響較大，需維持活性較高的H·、．OH、O．等自由基粒子（屬于中間產(chǎn)物）的持續(xù)產(chǎn)生，保證燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

設(shè)計(jì)意圖：通過對氫氧燃燒的微觀機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)展學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)歷程的深層認(rèn)識，強(qiáng)化微觀探析、變化觀念等學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)。學(xué)生通過動(dòng)手繪制反應(yīng)歷程與能量變化圖，化抽象概念為具體圖象，加深對基元反應(yīng)與活化能、速控步等概念的認(rèn)識，有利于從不同維度深入理解化學(xué)反應(yīng)規(guī)律。

項(xiàng)目2：氫氧燃燒條件的選擇調(diào)控

【任務(wù)】多角度綜合解決氫氧燃燒條件的調(diào)控問題。

【情境】結(jié)合資料信息及氫氧燃燒反應(yīng)機(jī)理，分析氫氧燃燒反應(yīng)所選擇的實(shí)際條件。

【師生活動(dòng)】

教師：引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合反應(yīng)特點(diǎn)及微觀反應(yīng)機(jī)理，多角度、多變量分析增大氫氧燃燒速率的實(shí)際條件選擇。

該燃燒反應(yīng)釋放大量熱，能維持反應(yīng)高溫進(jìn)行。查閱資料可知，灌裝火箭推進(jìn)劑時(shí)無需加入催化劑。請分析氫氧推進(jìn)劑燃燒需保持高溫條件且不需要加入催化劑的原因。

學(xué)生：根據(jù)反應(yīng)機(jī)理，鏈引發(fā)步驟產(chǎn)生H．自由基，引發(fā)后續(xù)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行；第一步反應(yīng)H2（g）+M===2H．（g）+M的活化能很大，高溫有利于促進(jìn)H2解離產(chǎn)生H．，使反應(yīng)快速進(jìn)行。

催化劑在適宜溫度范圍內(nèi)保持較高的催化活性；但溫度過高時(shí)，催化劑的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變導(dǎo)致失活，因此不需加入催化劑，或可考慮研發(fā)更耐高溫的催化劑。

教師：高效且適用范圍廣的催化劑是科技前沿的研究方向，相信未來會(huì)研發(fā)出有效的催化劑。結(jié)合宏觀條件與微觀反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)一步對壓強(qiáng)及濃度的選擇調(diào)控作山分析。

學(xué)生：根據(jù)圖象可知，實(shí)際選擇的氫氧燃料當(dāng)量比為1.5，燃料當(dāng)量比大于1，說明提高氫氣的相對濃度，有利于增大鏈引發(fā)的反應(yīng)速率，提高燃燒效率。但氫氣的相對濃度不宜過大，避免造成氫氣的利用率較低；同時(shí)過多的液氫會(huì)造成火箭承載質(zhì)量過重，兇此需要選擇合適的燃料當(dāng)量比。

教師：為提高儲(chǔ)存容量，火箭灌裝液態(tài)的氫氧燃料，在噴射點(diǎn)燃時(shí)維持一定壓力。從文獻(xiàn)圖象資料分析，氫氧燃燒時(shí)保持相對低壓。組織學(xué)生結(jié)合化學(xué)反應(yīng)原理分析原因。

師生交流討論：從氫氧燃燒的總反應(yīng)考慮，提高壓強(qiáng)有利于加快反應(yīng)速率；但結(jié)合圖象分析，高壓與實(shí)際的壓強(qiáng)選擇不符，因此需考慮微觀機(jī)理中各基元反應(yīng)特點(diǎn)作出判斷。理解自由基反應(yīng)機(jī)理，鏈終止反應(yīng)時(shí)H．與．OH相互碰撞形成惰性物質(zhì)H2O，自由基發(fā)生湮滅，不利于鏈傳遞的進(jìn)行，使得反應(yīng)停止。鏈終止反應(yīng)活化能最小，對溫度不敏感，但受壓強(qiáng)等外界因素的影響較大，因而需通過維持較低壓強(qiáng)抑制該鏈終止反應(yīng)的進(jìn)行。

項(xiàng)目3：化學(xué)反應(yīng)原理問題解決模型的建構(gòu)

師生小結(jié)：結(jié)合火箭推進(jìn)劑的綜合選擇兇素及氫氧燃燒反應(yīng)條件的優(yōu)化選擇，化學(xué)反應(yīng)原理的問題解決需要關(guān)注核心反應(yīng)的特點(diǎn)，從化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的角度對化學(xué)反應(yīng)與能量、化學(xué)反應(yīng)的方向、限度、速率及調(diào)控等研究角度進(jìn)行問題剖析。運(yùn)用相關(guān)理論，宏微結(jié)合，建構(gòu)陌生情境下化學(xué)反應(yīng)原理問題解決的思維模型（見圖7），解決核心反應(yīng)的真實(shí)情境問題。

設(shè)計(jì)意圖：依據(jù)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，結(jié)合微觀反應(yīng)歷程與宏觀外界條件，通過對氫氧燃燒條件的調(diào)控進(jìn)行深度討論，發(fā)展學(xué)生基于多角度、多變量關(guān)系對化學(xué)原理問題進(jìn)行預(yù)測、推理、論證、遷移的學(xué)科能力，構(gòu)建問題解決思維模型。

六、單元教學(xué)反思

元主題教學(xué)案例以火箭推進(jìn)劑的研究為真實(shí)情境，旨在引領(lǐng)學(xué)生基于多角度、多變量關(guān)系，運(yùn)用反應(yīng)規(guī)律解決陌生情境下的化學(xué)反應(yīng)原理問題，建構(gòu)系統(tǒng)思維模型。單元主題教學(xué)的設(shè)計(jì)需要兼顧學(xué)情特點(diǎn)及知識發(fā)展的邏輯規(guī)律，考慮單元整體與分課時(shí)教學(xué)目標(biāo)的整體性、關(guān)聯(lián)性及遞進(jìn)性，避免出現(xiàn)知識內(nèi)容重復(fù)或遺漏，難度層次欠缺梯度等情況。在課堂教學(xué)過程中嘗試設(shè)置具有挑戰(zhàn)性的活動(dòng)環(huán)節(jié)，對于陌生情境、難度較高的問題任務(wù)，教師應(yīng)及時(shí)搭建知識方法的腳手架，培養(yǎng)問題解決的思維方式，注重認(rèn)知模型的建構(gòu)，發(fā)展學(xué)習(xí)遷移能力．實(shí)現(xiàn)教學(xué)的“授之以漁”。通過前測后測、師生對話、書面表達(dá)、練習(xí)檢測等多種形式進(jìn)行教學(xué)評價(jià)，及時(shí)反饋學(xué)生情況、優(yōu)化教學(xué)策略，提升課堂效益。通過本單元主題教學(xué)的實(shí)施，學(xué)生體會(huì)結(jié)合定性與定量、宏觀與微觀的學(xué)科視角，運(yùn)用多重表征方式，對化學(xué)反應(yīng)原理的本質(zhì)與規(guī)律進(jìn)行預(yù)測推理、說明論證及遷移應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，提高學(xué)業(yè)質(zhì)量水平。

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