基于真实情境的化学反应原理主题式复习

吴健华

摘要：为顺应高考新形势，将发展学生核心素养落实到课程中，实现“知识、能力、素养”相统一的教学价值，选择以工业脱硫为真实情境的教学素材进行高三化学反应原理的主题式复习。本主题通过开展“脱硫路线的设计”“反应历程的研究”“反应条件的选择与优化”“反应限度的计算”“电解法工艺的研究”等活动，将抽象的化学原理问题链结合真实情境呈现，引领学生问题解决能力的培养，诊断并发展学生关于化学反应原理主题的认识水平。

关键词：真实情境;核心素养;主题式复习;认识水平;工业脱硫

文章编号：1008-0546（2022）04-0070-07

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.015

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

一、教学主题内容分析

1.学科认识水平分析

本课例为《化学反应原理》高三二轮复习课，王磊等研制出该主题的能力水平[1]，学生需要能够达到基于多认识角度或多变量关系进行逻辑推理、解决综合复杂问题的能力水平。

学生学习认识水平为进阶式发展的。高二授课阶段，教材中所呈现的问题情境，学生能基于某认识角度进行思考，对问题进行分析解释、推论预测，认识发展水平处于2～3;经过高三系统复习，学生的认识水平需发展至4～5，进一步发展问题解决、迁移创新能力。

《化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出，可利用调控化学反应的成功案例（如石油开采中H2S的处理）等情境素材进行教学设计，基于真实情境实现化学反应原理的进阶式复习，落实化学学科核心素养的培养。

2.学情分析

该课例授课对象为某重点高中的学生。在高二阶段时，学生对化学原理概念能基本达到理解、熟悉的认识水平，但难以建立起逻辑性更强的知识体系;高三二轮复习以前，学生对抽象复杂的化学原理已具有进一步的认识，正处于知识体系的建构过程中，但对陌生的真实情境，仍未形成主动地基于多认识角度或多变量关系进行逻辑推理的能力等。因此在二轮教学中，通过创设真实陌生的问题情境、设计问题链等教学策略，帮助学生培养问题解决能力[2]。

3.教学策略

创设问题情境：设置工业脱硫的问题链活动，感受科学态度与社会责任。

运用价类二维图：形成物质性质及转化关系的研究方法，落实证据推理的素养建构。

处理图表数据：培养信息获取、分析及综合应用能力，加深变化观念的认识。

二、学习目标任务

本課例的学习目标任务包括：利用硫元素的价类二维图，设计硫化氢的转化路线，建立基于物质类别、元素价态多角度的物质认识角度，发展学生证据推理与认知模型的素养能力;通过绘制脱硫反应历程与能量变化图、脱硫反应中条件的选择与优化等活动，诊断并发展学生对化学反应速率、化学平衡原理知识的掌握，培养变化观念与平衡思想、宏观辨析与微观探析的核心素养;通过解决工业脱硫的真实情境问题，感受化学物质及其变化的价值，进一步形成正确的科学态度及社会责任;通过阅读资料、处理信息及平衡常数的计算，提高获取分析信息能力与计算能力。

三、主题教学思维框架

 根据主题内容的结构性、进阶性及问题设计的梯度，本课例教学安排为2课时;基于课堂学习活动的层层推进及教学目标与评价的实施，结合学科核心素养的落实，设计本课例教学思维框架如图1及图2所示。

四、主题教学实施过程

第一课时走进工业脱硫研究之路

环节一：设计H2S的转化方案

[学习任务]绘制价类二维图，设计H2S转化路线

[情境]党的十九大报告提出建设美丽中国，推进工业绿色发展。石油开采的过程中会释放H2S等有害气体，脱硫技术的研究与应用，对环境保护及生态建设尤为重要。

[问题]绘制硫的价类二维图，搭建元素化合物知识的复习工具，设计H2S的转化路线。

[师生活动]

教师：展示硫的价类二维图（图3），引导学生从不同角度认识H2S性质，设计转化路线。学生：从物质类别、元素价态两个角度，H2S属于酸性气体、具有较强的还原性。根据硫化氢的性质，小组讨论并提出其转化方案（表1）。

教师：同学们所设计的H2S转化路线均较为合理。结合常温下部分物质的化学平衡常数[3]（见表2），利用已知化学原理，判断下列转化方案的可行性：

解答②：CuS04吸收HS转化为CuS所发生的反应：Cu2+HS三CuS↓+2H+。通过计算平衡常数K，判断反的进行程度：K=K（H2S）a·K（H2S）/Kp（CuS）=2.27×105》1.0×10;该反应正向进行程度很大，因此CuS04溶液可用于吸收HS;

同理，对于FeS04溶液，反应Fe2+HS=FeS↓+2H*K'=K（H2S）K（H2S）2/K（FeS）=2.27X10<1.0x10;该反应正向进行程度很小，因此难以用于吸收HS。逆反应进行程度较大，因此实验室中常用FS固体与硫酸的反应来制备少量HS：FeS+H2S04====FeS04+HS↑。

教师评价：可利用平衡常数，判断反应进行的方向及程度，为工业生产提供指导意义。

设计意图：搭建元素化合物价类二维图的学习工具，基于多角度认识物质性质，发展并诊断学生认识物质性质及转化关系的水平，培养证据推理与模型认知素养。通过平衡常数的计算与应用，发展学生的变化观念与平衡思想，提高逻辑分析能力。

环节二：克劳斯法脱硫反应历程研究

[学习任务]绘制反应历程与能量变化图

[情境]工业上常利用克劳斯法处理H2S废气[4]，其脱硫原理分为两步：首先，部分H2S在空气中燃烧生成SO2，再使生成的SO2与第一步剩余的H2S反应，生成S2蒸气，冷凝可获得化工产品硫黄固体：

[问题]根据给出的两步反应，请写出克劳斯法脱硫的总反应的热化学方程式，并画出其反应历程与能量的变化图，并说明作图的依据。

[师生活动]教师：根据情境素材，分析克劳斯法脱硫反应的特点，画出其反应历程与能量变化图。学生：依据“盖斯定律”，易判断热反应方程式为△H=-409.4kJ·mol-1。两步反应1、2及总反应均放热;反应1快速达至平衡，反应2缓慢平衡，两步反应的活化能Ea1<Ea2。根据上述分析，绘制出反应历程与能量的变化图（图4）。教师：可通过反应历程与能量变化图理解反应机理及特点，注意对反应活化能、中间产物、速控步等概念的认识。其中反应2需要较高活化能，为反应的“速控步”;反应过程中产生的SO2对于脱硫总反应而言，属于中间产物。

设计意图：通过克劳斯法脱硫反应研究，发展学生对化学反应历程的深层认识，强化变化观念与平衡思想的培养。学生通过动手绘制反应历程与能量变化图，化抽象概念为具体图象，有利于从不同维度加深对化学反应原理的认识与理解。

环节三：克劳斯法脱硫条件的选择与优化

[学习任务]脱硫条件的选择与优化

[情境]利用克劳斯法脱硫反应，可将H2S废气转化为S（2g），分离S（2g）从而获取产品硫黄。工业生产中，通过控制不同的工艺条件，以实现“多、快、好、省”的工业生产目标。

[师生活动]教师：在工业上可采取哪些措施，提高克劳斯法反应中H2S的去除率（转化率），获得更多纯净的产品S2？学生交流讨论，得出结论：可从反应物浓度、温度、压强、催化剂等因素考虑，寻找适宜的脱硫反应条件，实现工业生产最大效益。

教师归纳：结合化学原理知识，化工生产中条件的控制与选择，一般从反应速率、化学平衡（反应限度）两个角度思考，具体问题需根据具体的情境进行分析。

项目1：脱硫条件的选择——投料比对反应的影响

[情境]对于克劳斯脱硫反应，某温度下，不同投料比c（H2S）：c（O2）对H2S的平衡转化率的影响（图5）。按化学反应计量数投料通入H2S与O2，可保持H2S较高的转化率。

[问题]若进料浓度比c（H2S）：c（O2）过低或过高，请分析其产生的不利影响及原因。

[师生活动]教师：引导学生结合脱硫反应的特点及图象含义，分析问题。

学生：若浓度比c（H2S）：c（O2）过高，H2S未能够充分转化，平衡转化率降低;若浓度比c（H2S）：c（O2）过低，则可能出现以下情况：

1H2S的转化率变化不大，但O2的利用率低;

2过量的O2在较高温度下可与S2发生副反应生成SO2，消耗产物;

综合分析可知，若浓度比c（H2S）：c（O2）过低，导致O2的利用率低，且过量的O2在较高温度下可与S2蒸汽发生副反应，消耗产物。因此需要优化气体投料比，提高H2S转化效率。

师生小结：当某化学反应的反应物不止一种时，其它条件不变，改变反应物之间的投料比（投料量）可改变反应物的转化率。考虑实现工业效益与环境防护，可选择合适的投料比。

项目2：脱硫条件的选择——温度

[情境]活性氧化铝可作该脱硫反应的催化剂。

在一定压强下，将c（H2S）∶c（O2）=2∶1的混合气体，匀速通入装有催化劑的反应器中反应（见图6），测得反应相同时间内H2S的转化率随温度的变化曲线（见图7）。

[问题]分析当温度高于T2时，H2S的转化率迅速下降的原因;温度在0～T2范围内，先迅速上升后上升缓慢的主要原因。

[师生活动]学生：分组讨论，加入催化剂的化学反应中，需考虑温度对催化剂的影响。教师：注意温度对化学反应的影响要从反应速率、平衡移动两个角度考虑。学生：分析该反应过程，“在催化剂作用下，反应物匀速通过反应器反应一段时间”，根据关键词可判断该反应并未达至平衡状态（考虑实际工业生产中大部分真实情况下反应并未达至平衡），因此该图象中所指代的H2S转化率为“过程转化率”，而非“平衡转化率”，本情境应由温度对反应速率的影响角度出发研究。

教师：结合温度——转化率变化图象，分析温度如何影响反应的进程？

学生：升高温度，化学反应速率加快;同时考虑到加入催化剂进行反应，催化剂在不同温度范围呈现不同的催化活性。因此可得出结论：

1在0～T1时，温度升高和催化剂的高活性共同作用使得反应速率加快，H2S的转化率迅速上升;T1～T2时，催化剂已到达适宜温度范围，H2S的转化率升高主要因为反应温度升高。

2温度高于T2时，催化剂高温失活，反应速率减小，导致H2S的转化率迅速下降。

师生小结：对于加入催化剂的反应，判断温度对反应转化率的影响时，要注意图象中“转化率”所指代的意义，分析图象变化趋势，结合化学原理知识分析变化的原因。

项目3脱硫条件的选择——气体流速

[情境]将c（H2S）∶c（O2）=2∶1的混合气，以一定流速通入含活性Al2O3催化剂的反应器中恒温反应，测得H2S的转化率随着混合气流速的变化（见图8所示）。结合实际工业生产效益分析，混合气流速适宜范围是多少？若混合气流速过低或过高，对生产造成什么影响？

[师生活动]

学生：根据图象判断，在2×100m3/h～10×100m3/h

的气体流速范围内，H2S能保持在较高的转化率;而当混合气流速大于10×100m3/h时，H2S转化率明显降低。

师生共同得到结论：流速过慢，H2S转化率较高，但单位时间内反应总量较低，不符合生产效益;流速过快，H2S的转化率较低，未能够充分脱硫。因此在8～10×100m3/h的气体流速下，能有效提高工业生产效益。

师生小结：脱硫反应中条件的选择（气体投料比、温度、气体流速、压强、催化剂种类等），影响实际工业生产效益，需选择适宜的反应条件。但具体实际工业生产还需要考虑更多因素。

設计意图：结合已学知识，发展学生从变化观念与平衡思想角度出发，优化脱硫反应中条件的控制与选择;发展学生基于多认识角度或多变量关系进行预测、解释、推理的逻辑素养，提高综合复杂问题的解决能力。

第二课时工业脱硫的再认识

环节一：知识回顾

[学习任务]归纳工业脱硫条件的优化的概念模型设计意图：通过回顾上节课的知识，基于多角度、多变量归纳工业脱硫条件的优化的概念模型，加深对工业脱硫的全局认识，构建科学本质观。

环节二：脱硫反应限度的计算

[学习任务]平衡常数的计算与应用

[情境]克劳斯法备受工业上的青睐，源于其原理简单且反应程度较为彻底。除物质转化率可判断反应进行程度以外，常用平衡常数衡量反应限度的大小。

已知在气体参与的化学反应中，可用压强平衡常数Kp来衡量该反应进行程度。为消除气压因采用不同单位而对计算结果所造成的影响，可利用标准平衡常数KӨ，计算克劳斯脱硫反应的平衡常数。已其中pӨ为标准压强（1×105Pa）分的平衡分压，如pS2=xS2·p，其中p为平衡体系总压为平衡体系中S2的物质的量分数。

[问题]若H2S和O2起始物质的量之比为2∶1，反应在恒定温度和p1压强下进行，测得O（2g）平衡转化率为ω，请计算此温度下的平衡常数Kp、KӨ（用含ω的最简式表示）。

[师生活动]教师：引导学生理解平衡常数的意义，掌握平衡常数的计算方法。学生：独立计算给定情境下克劳斯法脱硫反应的标准平衡常数;小组交流讨论并理解标准平衡常数KӨ与平衡常数Kc、Kp的意义：KӨ可消除气体压强采用不同单位时由于数值的变化所引起的变化，使用更加科学、直观。

当在同一条件下进行某反应时，若反应前后气体计量数相等，则压强平衡常数Kp、标准平衡常数KӨ在数值上相同。

设计意图：通过平衡常数的计算，引导学生理解各种平衡常数的意义，多角度认识化学反应特点，发展学生的计算能力，落实变化观念与平衡思想的核心素养的培养。

环节三：电解法脱硫的工艺研究

[学习任务]理解、评价电化学脱硫方案

[情境]电化学装置在工业上用途广泛，可实现许多物质的转化与生产。实际工业生产可利用电解法处理H2S并转化为相应的工业产品，可通过直接电解法或间接电解法进行[5]：

方法1：直接电解法

将烧碱吸收H2S后的溶液加入电解池的阳极区进

方法2：间接电解法

间接电解法也可进行H2S的转化处理（装置见图11），其中H2S的吸收液为FeCl3溶液，可通过电解装置实现循环再生。

[问题]1理解直接电解法的工作原理。2分析间接电解法处理H2S工艺，写出吸收反应器、电解反应器中所发生反应的离子方程式;针对电解再生吸收液需要消耗电能的缺点，提出改进吸收液再生的方案;

3综合比较直接电解法与间接电解法处理H2S方案的优缺点，并提出改进方案。

[师生活动]教师：电化学装置在工业生产中应用广泛、效率显著，可综合利用电化学的认知模型理解脱硫的原理，解决综合性问题。

学生：交流讨论，共同得出结论。直接电解法中，H2S通过碱液吸收后得到Na2S溶液，利用S2-的还原性，在电解池阳极放电生成S，再进一步转化为多硫化从而实现H2S的脱除。

教师：电解后阳极区的溶液用稀HS04酸化，可重新获得化工产品硫黄，请思考原因。

硫黄，但同时有部分H2S产生，需考虑后续吸收处理。

教师：间接电解法中，H2S气体在吸收反应器中通过氧化剂（FeCl3溶液）反应吸收;在电解反应器阳极实现FeCl3溶液的再生，利用再生FeCl3溶液循环吸收H2S气体。写出在吸收反应器、电解反应器中，分别发生的反应的离子方程式。

学生：根据情境信息，理解其吸收原理，书写离子方程式。

师生讨论：间接电解法中，除了通过电解实现FeCl3溶液的再生以外，也可以考虑直接往吸收液中通入空气，将Fe2+氧化为Fe3+实现再生。此法不需要消耗过多电能，但需注意通入空气的速率、环境温度、溶液酸碱性等控制条件，提高转化效率。

直接电解法、间接电解法均能有效吸收硫化氢气体，但需注意废气的转化效率，避免一次吸收后仍有较高浓度的H2S直接排放于大气、水体中，实现“吸收—转化—循环吸收—再转化”的处理手段。在生产过程中落实绿色化学观念，实现物质的循环再生使用。

设计意图：结合情境素材，加深学生电化学知识的理解，落实电化学装置的模型认知，培养迁移创新能力。从转化效率、能源利用、环境保护等角度评价并改进化工方案，科学辩证审视化学事物对人类生产生活的影响，培养科学态度及社会责任的核心素养。

五、教学反思

新高考改革要求发展学生的学科能力认识水平，落实核心素养的培养，实现立德树人的根本任务。在高三专题复习阶段，并不是对旧知识重复性地机械复习，需要依据不同阶段学生的能力发展水平，对专题内容知识进行重整、建构，以达到学科知识的进阶式复习、关键能力的进一步培养。教师需要发挥积极性、创新性，以课程标准、新教材及高考评价体系为基本指导深入研究，基于学生的基础知识、逻辑思维及问题解决关键能力“三到位”下，融入真实且富有启发性的问题情境进行创造性教学。本课题以工艺脱硫为真实情境素材，激发学生的自主、合作探究的学科兴趣，主动形成知识体系的逻辑建构;在真实问题的解决过程中，培养学生社会责任感与严谨的科学态度。

参考文献

[1]王磊等.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2018：277.

[2]江合佩.基于真实情境的项目式化学教学[M].济南：山东科学技术出版社，2019.

[3]宋天佑，程鹏，徐家宁，张丽荣.无机化学（第四版）上册[M].北京：高等教育出版社，2019.

[4]陈赓良.克劳斯法硫黄回收工艺技术发展评述[J].天然气与石油，2013，31（4）：23-28，7.

[5]李海燕等.电解硫化氢制氢气和硫黄的影响因素研究[J].硫酸工业，2018（4）：40-43.