促进观念发展的课堂教学

甘玉琴

[摘 要]  物质观与能量观是变化的两大主题，基于进阶理论，从学生已有基础出发，逐步开展科学、真实的课堂教学，促进学生形成定量的能量观，发展学生化学学科核心素养水平。

[关键词]能量观;学科核心素养;焓变;热化学方程式;盖斯定律

一、教材分析与设计思路

“化学反应中的热效应”是苏教版“化学反应原理”第一章第一单元的内容，是中学化学基本理论的重要组成部分。

现阶段中学化学课程的三个主要阶段为：初中义务教育课程，高中必修课程以及高中选择性必修课程。对于化学反应中热量的认识，初中化学教学属于启蒙性教学，主要停留在对燃烧反应的认识。高中化学必修阶段通过放热和吸热反应实验，引导学生认识在化学反应中物质变化的同时，也伴随着能量的转化，形成初步的能量观，为选修课程的学习打下基础。高中化学选择性必修课程有较为完整和系统的化学知识体系。本单元的内容着重引导学生在定量的层次上，讨论化学反应的能量变化问题，在观念上形成定量的能量观。

本节课以火箭燃料为线索，将知识点巧妙联系在一起。首先，以火箭燃料引入，启动学生既有的定性的能量观。其次，介绍燃料加注量需要精确计算，引发定量研究热量变化的热情。最后，通过计算得到火箭燃料氧化的热量值，初步构建定量的能量观。

二、教学设计与流程

【情景导入】图片——2018年长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射嫦娥四号探测器，2019年1月3日嫦娥四号探测器在月球背面南极—埃特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内成功软着陆，获取了世界第一张近距离的月背影像图并传回地面，是我国航天事业的又一重大成就。火箭升空，燃料必不可少，长征三号乙运载火箭的燃料为C2H8N2（偏二甲肼），它与氧化剂N2O4发生化学反应，放出大量的热。化学反应既有物质变化，同时伴有能量变化，而能量变化一般表现为热量变化。

设计意图：通过对我国航空航天技术的大事件介绍，让学生体会作为一名中国人的自豪感，激发爱国情怀。转而过渡到火箭升空所需的燃料，激发学生学习化学反应中热量的兴趣。

【展示图片】高一学生实验

镁条与稀盐酸的反应让我们感觉温暖热烈，而氢氧化钡和氯化铵固体间的反应则让我们感觉冰爽醒脑。

两个反应一个剧烈放热，一个则需从环境中吸热。

【复习总结】从热量变化的角度，可将化学反应分为放热反应和吸热反应。

设计意图：通过展示学生高一做过的实验图片，亲切自然，快速唤醒化学储备。

【学生活动1】回顾复习：常见的放热反应和吸热反应分别有哪些？

【提出问题】普通的化学反应方程式能否体现热量的变化？

【回顾复习】2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）  ΔH1=-484kJ·mol-1

热化学方程式的左侧体现了物质的变化，右侧的ΔH涵义是什么？

【概念辨析】对比必修2和化学反应原理教材对反应热概念的描述。

必修2中的描述：标明反应放出或吸收的热量。

化学反应原理中的描述：ΔH的涵义为反应的焓变，在恒温恒压条件下，化学反应过程中吸收或释放的热量。

设计意图：从必修2到化学反应原理，ΔH的概念更科学严谨。回归课本，引导学生辨析概念，客观认识ΔH是特定条件下化学反应中的热量。此处无需向学生具体交代焓变的复杂由来过程，但可以引导学生课后阅读大学热力学相关内容，理解焓变的意义。

【学生活动2】尝试说出下列热化学方程式的意义。

①2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）  ΔH1=-484kJ·mol-1

②2H2（g）+O2（g）=2H2O（l） ΔH2=-571.6kJ·mol-1

③H2（g）+1/2O2（g）=H2O（l） ΔH3=-285.8kJ·mol-1

【問题1】①②两个反应放出的热量不相等。为什么？物质的状态对反应的热量变化有影响，在热化学方程式中，状态的标注是否有必要？

【问题2】热化学方程式③中的化学计量数：1，1/2，1含义是什么？是否表示物质的分子数？

【问题3】观察方程式②③，相同的反应，ΔH的值与化学计量数之间有何关系？

设计意图：从鲜活的实例出发，反复引导学生对比观察、发现，自然得到结论。

【问题4】在热化学方程式中，ΔH的单位是kJ·mol-1，每摩尔的涵义什么？代表每摩尔物质吗？

设计意图：化学教材是实施化学教学的根本，是化学知识的载体。以上教学过程以教材中三个热化学方程式为基础，提出一系列问题，层层递进，于问题解决中，完成知识建构。有关焓变单位的理解是教学的难点，通过具体的实例为载体来说明焓变单位中mol-1的含义，大大提高学生对mol-1含义的可理解性。

【学生活动3】热化学方程式的书写规则有哪些？

【学生讨论】此时，学生通过以上一系列问题的解决，已对热化学方程式有了清晰的理解，通过分组讨论、相互补充，不难得到结论。

【学生活动4】完成下列热化学方程式：

①1mol CaCO3吸收178.5kJ的热量，完全分解生成1mol CaO和1mol CO2气体。

②8g甲烷气体在空气中充分燃烧，得到CO2和液态水，放出445kJ的热量。

③C2H8N2（偏二甲肼）和N2O4是一种双组分火箭推进剂。已知6.0g液态偏二甲肼与足量的液态N2O4完全反应生成N2（g）、CO2（g）、H2O（g），放出225.0kJ的热量。

【过渡】反应③——偏二甲肼的氧化放出大量的热，可作为火箭的高能燃料。火箭升空，雄伟壮观，背后是许许多多航天工作人员的智慧和辛勤劳动。仅仅是一个燃料加注的过程就需要持续数小时，同时火箭需要加注高能燃料的量，必须要经过严格的计算才能确定。燃料过多将增加火箭的负载，过少则无法将嫦娥四号探测器送上预定轨道，显然科学家必须对燃料氧化过程中的能量变化进行精确地定量研究。

設计意图：本课以火箭燃料引入，引导学生从定性的角度认识化学反应中的热量。此时通过对火箭燃料加注量的介绍，激发学生要定量研究化学反应过程中能量变化的兴趣。问题的切入从定性转向定量，科学思维的深度得到拓展，同时也让学生感受到了化学的魅力。

【提出问题】化学反应中的热量数据是如何获取的呢？如果你是一名化学工作者，你首先会想到用什么方法获取数据？

【学生汇报】实验测量

【教师补充】如甲烷的完全燃烧，在特定的装置如热量计内进行，便可采集数据，转化为热量数值。很多物质的燃烧反应均可在特定装置内完成反应，测量数据。

【提出问题】以下反应的热量数据能否通过实验测量得到？为什么？

【学生汇报】反应③难以通过实验测量，因为在反应中总会有CO2生成。

【疑问】如何获取那些不易直接测定的反应的反应热？一起沿着科学家的研究历程来寻找答案。

【化学史介绍】18世纪拉瓦锡设计了第一台简易冰量热计，并测定水的汽化热，是热化学的开创者。19世纪中，盖斯研究测定大量反应的热效应，提出著名的盖斯定律，实现了通过计算来确定某些反应的反应热，他是热化学的重大贡献者;19世纪末，贝特洛发明一种弹式量热计，精确测定一系列有机物的燃烧热，并且根据盖斯定律计算出了大量难以通过实验获得的数据，他也是热化学的重要贡献者。经过100多年的发展，时至今日，热化学的研究已趋于成熟，形成了经典的化学热力学理论。

设计意图：借助于化学史资料，热化学沿着历史的足迹，从远古时期走来，历经多次创新发展，形成今日之成熟理论。在此过程中，鼓励学生学习科学家勇于创新、积极探索的科学精神。

【定律介绍】神奇的盖斯定律，一种表述：一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，其总的热效应是完全相同的。另一种表述：一个化学反应的焓变ΔH仅与反应的起始状态和反应的最终状态有关，而与反应的途径无关。

【类比理解】一些生活情景可以帮助我们理解盖斯定律。如爬山，从山脚到山峰，从A到B，无论选择哪种方式，其势能变化总是相同的，与具体的途径无关（如图1所示）。

【模型理解】从A到B，有三条途径，热量变化各是多少？数值大小关系如何？（如图2所示）

【总结】从A到B，不同途径， 焓变值相等——异途同归，值变相等。

设计意图：从途径角度、能量守恒角度分析论证盖斯定律，培养证据推理和模型认知的学科核心素养。

【学生活动5】应用盖斯定律，设计合理途径，计算反应③的焓变。

【提出问题】ΔH1、ΔH2、ΔH3之间等量关系如何？方程式之间加和关系如何？

【总结规律】若一个反应的化学方程式可由另外几个反应的化学方程式相加减而得到，则该反应的焓变亦可以由这几个反应的焓变相加减而得到。

【知识应用】C2H8N2（偏二甲肼）和N2O4是长征三号乙运载火箭推进剂。

若不用实验测量的方法，利用上述有关数据，书写液态C2H8N2（偏二甲肼）与足量的液态N2O4，生成N2（g）、CO2（g）、H2O（g）的热化学方程式。

【分析总结】该反应热量值的获得具有重要意义，为后续科学应用提供强有力的数据支撑。

设计意图：本课以火箭燃料引入，之后通过对火箭燃料加注量的介绍，激发学生定量的研究兴趣，最后利用盖斯定律计算火箭燃料氧化产生的热量。利用热化学方程式，可以有效准确地预算一些反应的热效应，可以更科学合理地利用资源。这样来认识热化学方程式，真正回归到化学学科的本来面目，培养学生的学科思想和学科能力。

【课堂总结】本节课我们沿着必修2的脚步客观认识了化学反应中的热量，借助于热化学方程式进行了准确描述，并尝试应用盖斯定律定量计算热量。化学是一门以实验为基础的科学，很多反应的ΔH值一定是通过实验获取，这部分内容下节课再做讨论，最重要的是这些定量数据可以对科学研究、生产生活进行重要指导。

三、教学反思

本节课的教学内容是基于苏教版化学反应原理专题1第一单元的第一课时内容进行设计的。

学生在必修课程中已经知道化学反应过程中存在热效应，了解热化学方程式可以描述热量变化，但对于热化学方程式的书写要点并未过多涉及。此外，学生已经知道常见的放热反应和吸热反应，但不知道如何测量和计算反应热。本课基于从学生已有的知识出发，首先介绍了热化学方程式的涵义及书写要点。热化学方程式的真正意义何在？表观上它只是表征反应过程中能量变化的方程式，实质上反应热才是真正值得关注的焦点。化学变化永远与能量相伴，没有能量的核算，化学的价值将黯然失色。要获得能量的数据，实验测量和定量计算是两架马车，接着本课重点介绍了利用盖斯定律进行计算，由于课堂时间有限，通过实验测量这一重要手段获取反应热未能涉及。从必修到选修，学生的能量观从定性转向定量，逐步形成定量的能量观。待学习完反应热的测量后，相信学生会形成较完整的定量能量观。本课试图科学、真实地进行“化学反应中的热效应”教学，严谨妥善地处理关键细节，系统完整地构建知识网络，未达成之处，有赖于后续的学习。

[参 考 文 献]

[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书：化学2：必修[M].6版.南京：江苏凤凰教育出版社，2015.

[2]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书：化学反应原理：选修[M].5版.南京：江苏凤凰教育出版社，2014.

[3]俞秀慧，李醒亚，贺锡蘅，等.标准绝热型弹式热量计及高纯甲烷热值的测定[J].计量学报，1988（2）.

（责任编辑：赵晓梅）