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化学反应的方向教学设计教学基本信息课题化学反应的方向教材书名：化学反应原理 出版社：山东科技出版社 出版日期：2005 年 8 月指导思想与理论依据 本教学设计首先依据普通高中化学课程标准对化学反应方向的要求：能够用熵变和焓变说明化学反应的方向。依据化学反应原理模块的功能定位，发展学生的“定量观”“微粒观”“动态观”，明确了教学设计的核心目标：从定量的角度建立学生对化学反应的方向的认识。在此基础之上，本设计又对化学反应的方向的功能与价值，以及学生认识发展的障碍点进行了分析，从而确定了教学设计的思路。教材分析及学习者分析1 化学反应方向在教材中的地位化学反应的方向处于化学反应原理模块第2章的第一节，其它三节依次为：化学反应的限度、化学反应的速率以及工业合成氨生产条件的选择。先方向后限度和速率的顺序体现了科学家研究化学反应、利用化学反应的基本思路，即：先从热力学的角度研究化学反应的方向，研究反应在给定的温度、压强下是否具有发生的可能性，以及在什么条件下可能发生。当热力学判定反应具有发生的可能性，才有必要从热力学的角度研究反应的限度，从动力学的角度研究反应速率。因此反应方向的研究是科学研究的第一步。2 学生的认识发展分析学生在初三阶段，通过对复分解反应的学习对化学反应的方向形成了初步感性认识。在必修阶段，通过对氧化还原反应、离子反应发生条件的学习初步意识到有些反应在一定温度和压强下是不能发生的，形成了对反应方向的定性认识。选修阶段，通过对方向判据的学习，使学生形成对反应方向的定量认识。学生能够从定性、定量两个角度对反应在一定条件下的自发性进行分析，能够定量计算反应自发所需要的温度。3 学生认识障碍点分析学生认识障碍点主要在于“自发反应”及“熵”两个核心概念的理解上。学生对自发反应的典型错误理解：一是不考虑反应条件（一定温度、压强）对反应自发性的影响，没有条件的限制讨论反应自发性是没有意义的。第二，把自发性等同于反应一定发生，甚至于等同于快速发生。对熵的认识障碍主要源于概念的抽象性和复杂性。高中阶段不可能深入解释熵的真正含义，只能定性说明，因此学生认为“熵”比较难于理解。基于上述分析确定本设计的知识线索、学生认知线索、问题线索、情景及学生活动线索如下：知识逻辑线认识发展线驱动问题线情景素材线学生活动线化学反应方向自发反应焓变对反应方向的影响熵变对反应方向的影响焓变和熵变对反应方向的共同影响反思反应事实化学反应存在方向放热反应是自发的，吸热反应非自发焓变不是影响反应方向的唯一因素熵增反应自发，熵减的反应非自发熵变不是影响反应方向的唯一因素化学反应方向由H-TS决定方向判据的应用为什么工业制钛的第一步反应不能自发进行？化学反应向着怎样的方向自发进行？在一定温度和压强下，化学反应一定不能向着吸热的方向自发进行吗？在一定温度和压强下，吸热反应自发进行的原因是什么？化学反应一定不能向着熵减的方向自发进行吗？科学家利用方向判据能干什么？钛的用途、工业制钛反应的设计复分解、氧化还原反应放热反应例证自发吸热反应例证（实验）固体溶解、墨水在水中扩散，气体扩散实验铝热反应例证四种反应例证工业制钛的反应原理设计认识反应的方向性建立自发反应的概念提出放热反应自发的假设观察自发的吸热反应实验提出熵增的反应自发进行的假设验证假设，获得H、S共同影响方向的结论对反应例证进行定量分析感受方向判据的价值 教学目标知识技能： 知道化学反应存在方向问题，了解自发反应的含义，能认识到自发反应并不等于反应迅速发生，而是反应发生的一种可能性。 初步了解熵的含义，理解放热、熵增有利于反应自发进行，会定性判断化学反应前后熵的变化情况。 初步学会利用吉布斯自由能的判据分析反应的自发性。过程与方法： 通过分析焓变、熵变对反应方向的影响，使学生认识到两种因素的影响不是孤立的，而是通过H-TS相互关联的。 通过对具体反应自发方向的分析，使学生认识到当焓变与熵变对反应方向的影响相反时，反应能否自发取决于温度。 通过典型反应自发性的讨论，使学生初步认识到H-TS判据的价值在于：科学家不仅能预测反应的自发性，还能控制和设计反应使之向着预期的方向自发进行。情感态度价值观： 通过对金属钛制备反应的讨论使学生初步了解化学热力学理论研究的重要意义。 通过介绍熵在其它领域的应用，使学生初步体会到熵这一物理量的重要性，熵增是自然过程的重要特征。教学重点和难点教学重点：焓变、熵变对反应方向的影响，方向判据在科研生产中的应用教学难点：自发反应 熵教学流程示意【情景设置】同学们知道金属钛的用途吗？钛是怎样制备出来的呢？2你知道钛的用途吗？学生交流讨论回答问题视频钛合金的记忆功能【介绍】科学家制备金属钛遇到的难题：第一步反应在任何温度下都不发生。学生回忆学习中的类似情况ppt1. 科学家最初设计的制取钛的反应2复分解反应、氧化还原反应实例【讲解】化学反应方向、自发反应概念【提问】化学反应向着什么方向自发进行？学生交流讨论回答问题教师评价、小结ppt支持学生观点的正例证（自发的放热反应实例）【提问】在一定温度压强下，化学反应一定不能向着吸热方向自发进行吗？学生交流讨论，回忆吸热自发反应例证，回答问题PPt实验自发的吸热反应实例醋酸与碳酸氢铵反应教师评价、小结【总结】焓变是影响反应的一种因素，但不是唯一因素。【提问】在一定温度压强下，吸热反应自发的原因是什么？学生猜测、讨论PPt实验固体溶解、气体、液体的扩散教师评价、小结PPt1. 熵的定义2. 1mol各种物质在标准状况下的熵值3. 自发的吸热反应实例【提问】在一定温度压强下，化学反应一定不能向着熵减的方向自发进行吗？PPt反例证：铝热反应学生讨论，回答问题【总结】熵变是影响反应的一种因素，但不是唯一因素。【讲解】化学反应方向判据的表达式H-TS【提问】科学家利用方向判据能干什么？PPt放热熵增反应实例放热熵减反应实例吸热熵增反应实例吸热熵减反应实例学生交流研讨，半定量分析反应的自发性，定量计算反应自发温度，设计制钛的反应原理教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图引入【设疑】1同学们知道 “二十一世纪金属”是指哪种金属吗？2你知道钛的用途吗？【介绍工业制钛的历史】科学家的设计：TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g) TiCl42Mg2MgC12Ti科学家面临的困难：第一步反应正向在任何温度下都不发生，逆向在一定温度下却很容易进行。学生讲述钛的用途通过工业制钛的例子激发学生学习兴趣，同时为后续学生体会方向判据如何帮助科学家设计反应埋下伏笔。建立化学反应方向、自发反应的概念【设疑】在以前的学习中同学们是否遇到过类似情况？【讲解】化学反应具有方向性，在一定温度压强下，某一个方向的反应是自动进行的，或具有自动发生的可能性，而在相同的条件下，另一个方向的反应不能自动进行，必须借助光、电这样的外部力量才能发生。人们就把在一定温度、压强下，不借助(光、电能）外部力量既能进行，或具有发生的可能性的反应称为自发反应。反之称为非自发反应。CaCl2+Na2CO3=CaCO3+2NaClZn+CuSO4=ZnSO4+Cu分析上述反应意识到反应具有方向2H2+O2 = 2H2O2H2O2H2+O2C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O6CO2+6H2C6H12O6+6O2分析上述反应建立自发反应概念通过反思氧化还原反应、复分解反应的不可逆转性，进一步体会化学反应具有方向性。通过例证分析帮助学生建立自发反应的概念焓变对反应方向的影响【问题1】化学反应向着怎样的方向自发进行呢？【教师提供正例证】CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) H(298K)=-890KJ/molH+(aq)+OH-(aq)=H2O(l) H(298K)=-57.3KJ/molNH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s) H(298K)=-176.9KJ/mol【问题2】在一定温度和压强下，反应一定不能向着吸热的方向自发进行吗？【提出假设】化学反应向着能量（焓）降低的方向自发进行。向着放热的方向进行。【举例说明】燃烧反应、中和反应等【分析反例证】2NH4Cl(s)+Ba(OH)28H2O(s)=BaCl2(s)+2NH3(g)+10H2O(l)NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CH3COONH4(aq)+CO2(g)+H2O(l)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g) C(S ，石墨)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)【得出结论】常温下一些吸热反应能够自发进行，还有一些吸热反应常温不自发，高温下能够自发进行。通过反例证说明焓变是决定反应能否自发的因素之一，不是唯一因素。熵变对反应方向的影响【问题1】为什么在一定温度和压强下，化学反应能够向着吸热的方向自发进行呢？还有什么因素在影响反应的方向呢？【问题2】你能找到这样一些表面上看似无关的事件的共同特征吗？（内在联系）【问题3】：如何量度一个体系的混乱度？【讲解】熵的定义【问题4】不同物质的熵值大小不同，那种物质的熵一般较高？那种物质的熵一般较低？ 请说明判断理由。【问题5】同一物质，不同条件下的熵相同吗？ 【问题6】吸热反应能够自发的原因是什么？2NH4Cl(s)+Ba(OH)28H2O(s)=BaCl2(s)+2NH3(g)+10H2O(l)NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CH3COONH4(aq)+CO2(g)+H2O(l)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g) C(S ，石墨)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)【问题7】化学反应一定不能向着熵减的方向自发进行吗？【提供反例证】2Al(s)+Fe2O3(s)=Al2O3(s)+2Fe(s)是一个熵减的反应，但是一旦引发，该反应就能自动进行，并放出大量的热。【交流研讨】 固体溶解 墨水滴入水中自动扩散气体扩散一副崭新的扑克牌被洗过后会怎样？如果没有法律的制约，世界会怎样？下课铃一响教室里会怎样？【大胆猜测】化学反应趋向于从有序到“无序”的方向自发进行。【分析数据】标准状况下，不同的物质的熵【得出结论】气体的熵较大，固体的熵较小【分析思考】水固、液、气三相变化【得出结论】同一物质气态物质的熵较大，液态次之，固态熵最小。【观察与思考】反应的混乱度（熵）增加了。反应由固体生成气体或液体，或者生成物中气体的物质的量比反应物增多了【大胆猜测】该反应自发是由于焓变起来决定性作用。【得出结论】焓变和熵变共同影响反应的方向采用类比的方法使学生认识到自发过程是由有序趋向无序的过程。从定量的角度体会熵是可测的，真实存在的物理量定性分析反应的熵变通过反例证说明熵变是决定反应能否自发的因素之一，不是唯一因素。焓变与熵变对反应的共同影响【介绍反应方向的判据】在一定温度、压强下：H-TS0反应自发H-TS0反应非自发H-TS=0 反应达平衡态【判据适用范围】复合判据只适用于一定温度压强下，反应方向的判据，如果条件改变将不再适用。思考H-TS大于、小于、等于零时，反应的自发性学会综合、全面地看待影响化学反应的方向的因素反应方向判据的应用1 判据的普适性【问题1】该复合判据是一种普适判据吗？【问题2】工业制钛的第一步反应为什么在任何温度下都不能进行？【问题3】科学研究的第一步是实验吗？2通过调节温度控制反应【问题4】请定性分析制备氯化铵的温度范围？【问题5】请定量确定碳酸钙分解的温度3.通过调节熵变、焓变控制反应【问题6】工业制钛的难题最终是怎样解决的呢？【讲解科学家对工业制钛反应的设计】H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l) H=-57.3KJmol-1 S=80.7Jmol-1K-1TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g) H=161.9KJmol-1S=-38.4Jmol-1K-1NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s) H=-176.9KJmol-1S=-284.3Jmol-1K-1CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g )H=178.2KJmol-1 S=169.6Jmol-1K-1倾听、思考感受方向化学科学的价值和魅力。深刻体会化学理论研究对工业生产的巨大促进作用熵在其它领域的应用【简介】熵在医学领域、信息领域、环境学领域、社会学领域中的应用倾听、感悟初步认识“熵”这一物理量的重要意义板书设计化学反应的方向一、 什么叫自发反应？二、 化学反应向着什么方向自发进行？1 焓变对反应方向的影响：化学反应趋向于向着放热的方向自发进行2 熵变对反应方向的影响：化学反应趋向于向着熵增的方向自发进行3 焓变和熵变对反应方向的共同影响H-TS0反应自发H-TS0反应非自发H-TS=0 反应达平衡态判据适用范围：只适用于一定温度和压强下三、 化学反应的方向判据有什么用？1 判据的普适性2 判断反应的自发性3 计算反应自发的温度4 调控化学反应的方向教学反思在教学中彰显化学概念、原理的功能与价值化学反应的方向课后教学反思1. 化学概念和原理的功能与价值化学概念、原理的功能与价值一直被我们狭隘地定义为指导学生解题的功能和价值。而其另一种更高层次的功能与价值则一直被我们忽略了。为了在高考中取胜，我们带领学生在题海中遨游，为学生能够娴熟地运用概念原理解题感到自豪。然而当高考一旦结束，我们不免有些失落，有多少孩子能够记得平衡移动规律？记得解题的方法和技巧？最令人不安的是毕业的三百多名学生中能够真正从心底里喜欢化学的学生寥寥无几。事实上在我们的心中都有一杆秤，从人的一生来看，对科学的兴趣和热爱，比高考分数更重要。造成现状的原因与“高考”有关，但更本质的原因是我们高考作为教学的唯一目标，把学生的学习与真实的生活割裂开来，学生不知道学习与自身、与真实的世界有什么联系，看不到化学对科学和社会发展的作用，感受不到化学的魅力，不知道学化学有什么用，为什么要学化学？豪不夸张的讲，很多学生完全靠意志力来维持三年的学习！学习对高中生来说是太枯燥太乏味了！学习一旦丧失了兴趣，也就失去了学习的主动性、持久性和创造性。 因此我们不能不深思，化学教学应该教给学生什么？怎样教？就化学的概念原理而言，是侧重于概念原理本身的辨析和解题训练，还是为体现概念原理的功能与价值而教。化学概念和原理最至高无上的一种价值就是为推动科学以及社会发展，建立了不可磨灭的功勋。例如：化学反应方向的吉布斯自由能判据的诞生，使得人们不仅能够判断在某一条件下反应能否自发进行，更令人叹服的是科学家能够利用判据控制、设计、操纵反应，使之向着人们需要的方向自发进行。为科研、社会生产带来了巨大的适用价值。这是化学概念原理的真正魅力所在，只有这种学科内在的魅力才有足够的力量吸引学生，激发起学生持久的学习兴趣和致力于化学研究的不懈的动力。化学概念原理的另一种价值是对学生学习本身的价值，增进学生对物质、对化学反应的深层次的认识和理解，例如：化学反应的方向这部分类内容，有助于帮助学生认识到化学反应具有方向性，把学生对复分解、氧化还原等反应的方向性的认识有无意识状态提升到自觉意识状态。把看似零散的毫无关联的复分解反应、氧化还原、离子反应发生的条件统整为吉布斯自由能判据。使学生对化学反应方向的认识得到提高。价值之三：帮助学生建立起学习和科研的思想方法。例如：如何分析在某一条件下化学反应的自发性？就需要学生学习分析焓变和熵变，判断决定性因素的思路和方法。又如通过化学反应的方向、速率和限度的单元整体教学，让学生认识到，对于一项科学研究，科学家们首先要从理论上判断一个反应能否自发进行，然后再讨论限度和速率问题才有意义，也就是说判断反应的方向是科学研究的第一步。让学生初步形成科学研究的一般思路。在以上三种价值中，第一种价值在中学课堂教学中最为缺失，却最为重要，它是赋予学生学习动力的真正的源泉。2 在教学中彰显概念原理的功能与价值的策略分析2.1教学情景的设置概念原理的功能与价值的体现有赖于好的教学情境，例如工业制钛的情景在本教学中起到了两个重要的作用：一是这一情景素材与学生的生活联系密切，与高科技前沿接轨，中学生通过新闻、报纸等途径已经对钛有所了解，而且对钛充满了好奇，因此易于激发起学生的学习兴趣。二是钛的制备体现了化学反应方向的判据在科学研究、社会生产领域中的指导性作用，正是这一例子把学生对方向判据价值的理解推到了高潮，也正是这个例子有足够的力量让学生感受到化学原理的魅力和它在促进社会发展中的重要价值。由此可见概念原理的功能与价值的体现离不开好的情景设置，一般而言这种情景最好是真实的，来源于学生的学习或生活实际，才能调动起学生的好奇心，才能让学生感到学习是有意义的。其次，情景一定要与概念、原理的知识相关，情景问题的解决取决于学生对概念原理的理解程度。第三，情景最好能贯穿教学始末，由情景中发现、引出与概念原理学习相关的问题，最后再回到该情景中，运用所学的概念和原理解决问题。2.2精选教学例证，深入剖析，凸显概念原理的价值H+(aq)+OH-(aq)=H2O (l) H=-57.3kJmol-1 S=80.7Jmol-1K-1TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g) H=161.9kJmol-1 S=-38.4Jmol-1K-1NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s) H=-176.9kJmol-1 S=-284.3Jmol-1K-1CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g ) H=178.2kJmol-1 S=169.6Jmol-1K-1 方向判据的功能与价值的体现有赖于例证的选取，首先例证应该是学生熟悉的，从一个新的角度对熟悉做深度反思，才有利于学生发现“新内涵”，正因为是温故而知新，才有利于学生真正认识方向判据的价值，达到顿悟的效果。其次，例证要典型，承载的功能要明确。通过例证1、2要让学生认识到，当焓变和熵变对方向的影响是一致时，反应的自发性与温度无关。除此以外通过例证1、2还要让学生认识到方向判据不仅适用于熟悉的反应，也适用于陌生的反应，凸显普适、统整的功能。例证2的另一功能就是向学生渗透科学研究的思路，第一步不是实验而是理论判断。例证3和4的焓变与熵变对反应方向的影响是矛盾，此时温度成为了决定性因素，这两个例证方向判据的功能在于科学家能够通过控制温度使反应向着需要的方向自发进行。第三，教学中教师的点睛性语言和引申性提问对于学生体会方向判据的功能与价值很重要，例如：当学生判断TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g) 在任何温度下都不自发，教师随即引导学生思考“科学研究的第一步是什么？是实验吗？”如果没有这样的思考，学生自己很难“悟”出其中的道理。因此概念原理的功能与价值在教学中是需要显性化的。2.3在教学融入情感除了用事实来说明判据的价值，教师还要善于用情，所谓“晓之以理，动之以情。”教师如何能动情，用自身的情绪感染学生，关键在于教师本人对概念原理的功能与价值的理解，如果教师对化学原理的价值有充分的认识，自身在情感上有一种震撼感，教师就会有一种表达和传播的冲动，在课堂上就不难有真情实感的流露。理智与情感的交融会让一堂课的教育教学价值倍增。3 以事实性知识为本的教学与彰显功能与价值的概念原理教学的差