基于真实情境的教学设计

“化学反应的方向”中涉及的焓变、熵变和自由能变是比较抽象的内容，本文从情境导学、任务促学、实验助学和评价诊学四个方面引导学生开展学习，将枯燥的化学理论与生活实际、课堂实验和数学图像相互结合，让课堂变得生动有趣。

一、课标解读

1．内容要求

了解反应能否自发进行的判据——焓变和熵变判据，能用焓变和熵变说明化学反应进行的方向。

2．目标要求

（1）通过实验了解放热反应的自发性，导出焓的概念，学会用焓判据判断反应进行的方向。

（2）通过实验和情境演示“有序”和“无序”状态，导出熵的概念，学会用熵判据判断反应进行的方向。

（3）能通过生产生活中的实例，学会综合利用焓变和熵变的大小来判断反应进行的方向。

二、教材分析

教材在安排了化学反应中的能量变化、反应速率和限度相关知识之后，再出现化学反应进行的方向，是对化学热力学的一次综合的认知提升，内容安排符合由易到难的认知规律。教材以日常生活中的现象诱导学生得出焓变和熵变的大小概念，且通过一些简单应用来阐释这些概念，让学生认识到单一判据的局限性，由此引入自由能变判据。

三、学情分析

通过前面的学习，学生已经初步认识了化学反应经常由高能态向低能态转变，掌握了常见的放、吸热反应的类型，知道了化学反应伴随着能量变化，同时，能够理解生活中相应的“有序”状态和“无序”状态，但对熵这一概念的理解有一定的困难。学生对反应方向的理解比较模糊，对化学反应进行的方向的综合判据相关知识比较缺乏。

四、教学目标

1.了解自发过程和自发反应。

2.通过实验探究和经验对比，认识焓变、熵变与自发性的关系。

3.通过自由能对焓、熵判据进行整合统一，培养学生证据推理和模型构建的能力。

五、教学重难点

教学重点：焓、熵和自由能判据。

教学难点：熵、焓变与化学反应方向的关系。

六、教学方法

1.情境导学：列举生活中反应进行的方向案例及课堂实验，激发学生的兴趣。

2.任务促学：（1）创设情境，认识自发过程和自发反应。

（2）利用实验和经验的对比探究焓和焓判据，认识到放热反应的自发性。

（3）改进实验初步认识熵和熵判据，认识熵增、熵减过程的自发性。

（4）自由能判据的归纳总结，促进学生形成对反应进行方向的统一化认知。

3.评价诊学：通过课堂环节中的师生评价、生生评价以及课堂练习检测等来诊断学生对知识的掌握情况。

4.实验助学：结合改进实验Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl的反应，引导学生从“宏观、微观、符号”的角度学习反应进行方向。

七、教学思路（见表1）

八、教学过程

环节一：情境认知自发过程和自发反应

教师活动：引入——观察生活中的现象：高山流水、冰雪融化。

提问：这些现象需要外力推动吗？

学生活动：观察回答。

教师总结：在一定条件下，不借助外力而自动进行的过程称之为自发过程；需要借助外力才能进行的过程称之为非自发过程。比如高山流水是自发过程，而把水从低处抽到高处则需要外力做功，则是非自发过程。

教师提问：有没有自发进行的化学反应？举几个例子。

播放实验视频：Na和水的反应。

教师总结：一定条件下，能自发进行的化学反应就是自发反应。

环节二：对比探究总结焓判据

教师提问：从能量变化角度看，反应前后发生了什么变化？

对比：下列反应都是自发进行的反应，有哪些共同点？

2Na（s）+Cl2（g）===2NaCl（s）

4Fe（s）+3O2（g）===2Fe2O3（s）

H2（g）+F2（g）===2HF（g）

学生回答：上述反应都是剧烈的发光发热的化学反应，在一定的条件下都能自发反应。

学生活动：分组实验Mg和稀盐酸反应。

学生描述：当镁条和盐酸接触时，镁条表面产生气泡，试管外壁发热。

学生得出结论：上述反应能自发进行，且自发反应大多为放热反应。

教师总结：从能量的角度看，反应物的总能量高于生成物的总能量，在反应过程中体系的能量降低了，因此具有自发进行的倾向。针对这类反应，科学家提出了用焓值的变化来判断反应进行的方向，即焓判据。

教师讲解焓的相关知识：

（1）焓可以衡量物质所具有的能量。符号：H，单位：kJ·mol-1。

（2）化学反应前后能量的变化可以表示为焓变，符号ΔH。ΔH<0：放热反应；ΔH>0：吸热反应。

（3）焓判据：体系趋向于从高能状态转变为低能状态（这时体系会对外做功或者释放热量，即ΔH<0）。

环节三：实验探究总结熵判据

教师引导：是不是所有自发进行的化学反应都是放热的？请举例说明。

学生回答：生活中常见的化学反应基本都是放热的，吸热反应似乎没见过，在必修二课本上出现过Ba（OH）2·8H2O固体和NH4Cl固体的吸热反应，但是现象并不明显。

改进课本实验：事先用一个保鲜袋，两角分别装入Ba（OH）2·8H2O固体和NH4Cl固体，打结。课上，把两部分固体混合，隔着保鲜袋用手揉搓固体，感受温度变化。反应一段时间后，打开保鲜袋，观察混合物状态，闻气味。

学生活动：分组实验。

教师提问：该反应的实验现象有哪些？

学生回答：固体混合后，保鲜袋外部有水珠，手感冰冷。内部是糊状物，有刺激性气味气体生成。

学生练习：请根据实验现象写出该反应的方程式

Ba（OH）2·8H2O（s）+2NH4Cl（s）=== BaCl2（s）+10H2O（l）+2NH3（g）

教师总结：实验说明，八水合氢氧化钡和氯化铵的反应能够自发进行，但它却是吸热的。这样的反应还有很多，比如：

（1）2N2O5（g）=== 4NO2（g）+O2（g）

（2）（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）+NH3（g）

教师引导：这些都是自发进行的反应，但全部都是吸热反应。按照刚才所言的焓判据，这些吸热反应是不容易自发进行的，但它们却发生了，说明反应是否自发，除了焓的影响外，还有其他因素。那是什么呢？

播放情境：（1）散落的粉笔；（2）散落的扑克牌，并由此引出熵判据。

教师讲解：熵判据。

（1）熵是用来衡量体系（物质）无序程度的物理量。熵值越大，体系的混乱度越大。

符号：S，单位：J·mol-1·K-1。

（2）影响熵大小的因素。

①同一条件，不同物质的熵值不同。

②熵值与物质的存在形态有关，一般而言：S（g）>S（l）>S（s）。

③气体物质的量越大，分子数越多，熵值越大。

（3）反应前后体系熵的变化称为熵变，ΔS。

①ΔS>0，熵增，在一定条件下可以自发进行。

②ΔS<0，熵减，在一定条件下不可以自发进行。

教师总结：一般而言，气体分子数增大的反应为熵增大（ΔS>0）的反应。

环节四：综合总结自由能判据

引导过渡：经过漫长的探究后，吉布斯·亥姆霍兹提出了体系自由能变，诠释了反应能否自发与焓变和熵变的关系。

教师讲解：吉布斯自由能判据。

（1）ΔG＝ΔH－TΔS（T是绝对温度，单位为K）。

（2）ΔG与反应的自发性：①当ΔG＝ΔH－TΔS<0时反应能自发进行。

②当ΔG＝ΔH－TΔS>0时反应不能自发进行。

教师活动：引导学生绘制吉布斯自由能判据的二维象限图如图1所示：

环节五：案例分析学以致用

案例1：-10℃时水能自动结成冰，10℃时冰也能自动变成水，试从熵变和焓变的两个角度，分析促使他们自发反应发生的主要因素是什么？

教师引导：水变冰时，ΔH<0，水由液态变为固态，ΔS<0。冰变为水，ΔH<0，水由固态变为液态，ΔS>0，请大家结合吉布斯自由能判据的二维象限图开展分析。

学生很快就能分析出一个低温自发，一个高温自发。

过渡：学习了焓变和熵变的概念之后，我们就可以用这些概念去解释生活中常见的现象了。

案例2：汽车尾气中的污染物主要是CO和NO，它们是现代城市中的主要大气污染物，为了减轻大气污染，人们提出能否通过以下反应来处理汽车尾气：

2NO（g）+2CO（g）=N2（g）+CO2（g），ΔH=-746.8kJ/mol，ΔS=-0.2kJ·mol-1·K-1

请你从一位化学工作者的视角出发，思考这个设计是否正确可行。

（1）请大家判断该反应能否在常温下进行？

（2）研究发现该反应的速率非常慢，效果非常不理想，如何提高化学反应速率？

教师引导：大家注意焓变和熵变的单位要一致，注意吉布斯自由能变的计算方法。

教师总结：使用ΔG判断反应能否自发应注意的几个细节。

（作者单位：深圳市光明区高级中学）

编辑：李琴芳

作者简介：周仁，男，汉族，硕士，深圳市光明区高级中学化学教师，从事高中化学教学和教研工作十余年，主要研究方向为高中化学教学。