高三化学：热重曲线定量分析与模型认知-基于TGDTG的综合专题复习教案

高三化学：热重曲线定量分析与模型认知——基于TG-DTG的综合专题复习教案

一、教学背景与目标定向——证据推理视域下的微专题设计

（一）学科定位与内容分析

本节课属于高中三年级化学学科二轮微专题复习课，其内容范畴横跨《化学反应原理》中物质变化与能量变化、《化学实验基础》中定量测定方法以及《化学计算》中的数据分析模型构建。热重分析TG-DTG综合曲线并非孤立的知识点，而是将“宏观实验现象——微观粒子变化——符号化学方程式——曲线数形特征——定量守恒计算”五维一体的综合载体。依据《普通高中化学课程标准》中提出的“内容结构化”理念，本课旨在将高一高二分散的结晶水合物测定、草酸盐分解、金属氢氧化物/碳酸盐热分解等内容进行跨模块统合，建立基于质量守恒的“热重分析认知模型”-3-5。【非常重要】【高频考点】

（二）学情诊断与痛点分析

授课对象为高三选考化学班级学生。通过前期摸底测试与访谈，学情呈现“三会三不会”的典型特征：学生会读曲线的起点和终点，但不会分析拐点和平台的化学含义；学生会套用公式进行简单一步计算，但不会在多步失重中推断中间产物的复杂化学式；学生知道质量减少是由于气体逸出，但不会结合氧化还原或气氛反应进行归因分析【难点】。深层原因在于学生缺乏将“曲线形态”翻译为“反应序列”的思维程序，即缺乏系统化的解题心智模型。因此本课的核心靶向并非刷题，而是建立从“图像语义”到“化学本原”的转化通道【重要】。

（三）核心素养目标

1.宏观辨识与微观探析：能从TG曲线的平台区间推断物质热稳定性，从DTG峰位确定最大失重速率温度，并关联晶体结构中结晶水、层间水、配位水的结合能差异。【一般】

2.变化观念与平衡思想：认同物质在能量驱动下的逐级转化规律，理解气氛（空气、氮气、惰性气体）对热分解路径的调控作用，形成动态、多因素的平衡观。【重要】

3.证据推理与模型认知：在“胆矾—草酸钙—金属氢氧化物”三类经典情境中，抽象出“设1mol—残留率—守恒法”通用解题程序，构建热重分析的计算模型。此为课堂攻坚核心【非常重要】【必考模型】。

4.科学探究与创新意识：通过对异常曲线（增重、非整数比化合物）的归因讨论，体验科学研究的反证与猜想过程，并了解热重-质谱联用、热重-红外联用等现代分析仪器如何协同确证物质结构。【拓展】

（四）教学实施总策略

基于奥苏伯尔认知结构迁移理论，本课采用“生活原型锚定—学科原理深挖—思维程序外显—变式迁移强化”四阶递进路径-1。将抽象的热重曲线类比为可拆解的“物质分解路线图”，将定量计算转化为“金属元素不变量”的追踪游戏，通过师生思维互证实现从“解题”到“解决问题”的跃升。

二、教学实施过程——思维建模与曲线解码的深度融合

（一）环节一：认知锚点植入——从“榨汁测汁”到“称渣算水”的跨域迁移

1.生活化定向激活

教师呈现生活情境：将一个橙子投入榨汁机，获得橙汁60g，残渣40g，计算出橙汁含量为60%。随即创设认知冲突：“假设老师口渴难耐，榨汁后未称量橙汁直接喝掉，现在只有空杯和残渣，如何得知刚才喝掉的橙汁质量？”学生基于生活经验迅速反应——通过测量残渣质量，利用初始总质量守恒反推橙汁质量。此环节耗时约3分钟，但具有【重要】的隐喻价值：化学定量测定中，“测不准A”或“不便直接测A”时，可通过精确测定其转化产物B或残留物C，利用质量守恒实现间接测定。

2.学科情境映射

教师展示胆矾晶体CuSO4·5H2O并提问：“胆矾无法‘榨汁’，但我们想测定其中水的含量，实验室里我们的‘榨汁机’是什么？我们的‘残渣’又是什么？”学生调用已有知识储备回应：用酒精灯或电炉加热，坩埚相当于榨汁机，无水硫酸铜白色粉末相当于残渣。此时，教师将生活经验与学科实验进行结构映射，顺势引出“热重法”的原始思维原型——通过精确称量加热前后固体质量的变化值来推算逸出组分的量-1-8。

3.原型向曲线的进化

追问：“如果只加热到一个中间温度，胆矾没有完全变白，我们如何知道此时失去了几个水？”以此引发认知失衡。传统恒重法只能获得终点数据，无法窥探中间过程。此时引入热重分析仪——它能连续记录“温度升高时质量如何实时变化”。展示标准胆矾TG-DTG曲线，让学生直观感受到：原来脱水是一步一步进行的，不是一蹴而就。此环节旨在让学生理解“仪器延伸了人类的感知边界”，将静态的终点称量进化为动态的全程追踪。【热点】

（二）环节二：仪器原理与曲线语言——从图像元素到化学信息的转译

1.曲线构成要素解析

教师呈现一幅无坐标说明的空白TG图框，邀请学生扮演“仪器说明书撰写人”，补全横轴（温度T/时间t）、纵轴（质量m/mg或残留率/%)、曲线名称、关键点标注。通过逆向建构，使学生深刻理解：TG曲线本质是“固体物质的热重量地形图”，横轴代表能量输入进程，纵轴代表固体残余量，平台期代表稳定物相区间，陡降段代表反应发生区间。DTG曲线（微商热重）则是TG曲线的一阶导数，其峰值对应质量变化速率最大的时刻，能更灵敏地分辨重叠失重台阶。【非常重要】

2.典型样品的曲线指纹分析

分组发放三张经典热重曲线图（均隐去物质名称），小组任务：仅根据曲线形态、失重台阶数、失重比例，推测样品可能属于哪类物质。

第一组：呈现胆矾TG曲线，特征为三个明显失重台阶（约85℃、110℃、250℃），总失重率约36%。

第二组：呈现草酸钙CaC2O4·H2O曲线，特征为三个显著平台，失重率分别对应12%、19%、30%。

第三组：呈现氢氧化铝Al(OH)3曲线，特征为单一宽泛失重台阶，失重率约34.6%。

学生通过计算各台阶失重百分比，并匹配常见物质的摩尔质量及分解反应通式，初步体验“由重定物”的反向推断思维。教师在巡视中强调关键思维节点：金属元素在加热过程中作为“质量锚点”不逸出系统，因此金属的相对原子质量是计算的定海神针-2-5。【难点突破】【高频考点】

（三）环节三：定量计算模型显性化——三步法程序建构

此环节是整节课的逻辑中枢，教师摒弃碎片化提问，采用“解题思维全程慢动作回放”策略，以一个经典题为例，带领学生共同编写热重计算的操作手册。

例题（改编自高考真题）：将25.0gCuSO4·5H2O样品在氮气氛围中加热，固体质量随温度变化如下：室温下25.0g，102℃时降至21.4g，113℃时降至19.0g，258℃时降至17.8g，700℃时降至8.0g。请推断102℃、113℃、258℃时固体的化学式，并判断700℃时的最终产物-2-9。

1.第一步：定基准——设物质的量为1mol

教师板演：M(CuSO4·5H2O)=250g/mol，则25.0g对应n=0.1mol。为简化计算，设初始晶体为1mol，即初始质量固定为250g。此步是为了规避取样质量非整数的计算干扰，实现思维通解化。此步标记为【通用策略】。

2.第二步：算残留——求各温度下固体的摩尔质量

102℃时：残留率=21.4/25.0=0.856，剩余固体质量=0.856×250=214g。这214g即为1mol初始晶体加热到102℃时剩余固体的总质量。由于铜元素守恒，剩余固体中Cu的物质的量仍为1mol，设此时固体化学式为CuSO4·xH2O（或碱式盐），则摩尔质量M=214g/mol。

列式：160+18x=214（若为结晶水合物），解得x=3。对应化学式为CuSO4·3H2O。

同理，113℃时：残留率19.0/25.0=0.76，M余=0.76×250=190，解得x=1.67？此时出现非整数比，引发认知冲突。

3.第三步：破定势——突破结晶水框架

教师引导：“当x不为整数时，意味着我们预设的‘仍是结晶水合物’模型失效。113℃时的蓝色固体可能并非规整的化学计量化合物，而是CuSO4·H2O与CuSO4的混合物；也可能是生成了羟基硫酸铜，如CuSO4·3Cu(OH)2·H2O等。这时需要借助DTG峰形辅助判断，或承认其为非整比中间相。但在高中阶段，通常题目会设计为恰好形成特定晶相。”【高级思维】

258℃时：残留率17.8/25.0=0.712，M余=0.712×250=178，160+18x=178，x=1，即为CuSO4·H2O。这一台阶恰好验证了教材中胆矾脱水最终形成一水合物的稳定中间相。

700℃时：残留率8.0/25.0=0.32，M余=0.32×250=80，即摩尔质量为80g/mol，结合铜元素守恒，产物应为CuO（M=80）。【高频考点】

4.思维工具化总结

教师引导学生提炼“热重计算解题流程图”：

设初始为1mol→根据残留率求当前固体表观摩尔质量M余→基于金属守恒确定阴离子或结晶水数目→书写化学式与反应方程式。特别强调：对于空气氛围下的氧化型失重（如CoC2O4在空气中变为Co3O4），固体质量可能不会单调递减，甚至可能出现增重平台，此时必须考虑气氛参与反应-2-7。【难点】

（四）环节四：模型进阶——从单一物质到复杂体系的变式推演

1.变式一：含氧酸盐的氧化分解（空气氛围）

展示碳酸锰MnCO3在空气中加热的TG曲线。初始质量115mg（0.001mol），在约500℃时固体质量降至79mg，远高于MnO的理论残留质量。学生分组讨论：为什么质量没有降到55mg？质量差值去哪里了？

学生利用“金属元素质量守恒”反推：m(Mn)=0.001×55=0.055g，当前79mg固体中含Mn55mg，则含O24mg，n(Mn):n(O)=0.001:0.0015=2:3，化学式为Mn2O3。进一步追问：增重部分的氧来自哪里？——空气。书写方程式时需补充O2作为反应物-2。【重要】【必考交汇点】

2.变式二：竞争反应路径判断（TG-DSC联用）

展示辽宁高考真题中CuSO4·5H2O在700℃附近的TG-DSC曲线。TG曲线显示700℃附近有一明显失重台阶，同时DSC曲线呈现两个紧密相邻的吸热峰。问题：“为何两个吸热峰对应一个失重台阶？”学生推演：硫酸铜分解为氧化铜和三氧化硫是吸热反应，但三氧化硫在高温下立即二次分解为二氧化硫和氧气，这一过程也是吸热。两个吸热过程在温度轴上略有先后，但在TG曲线上表现为连续失重，无法分辨。此时需借助DSC才能识别是两步反应-2-9。本变式旨在打破学生“一步失重=一个反应”的线性思维，建立“曲线形态与反应机理非严格一一对应”的系统思维。【尖端素养】【热点】

3.变式三：逆向思维——未知物成分鉴定

给定未知矿物焙烧的TG曲线及最终残留率，要求反推初始化学式。例如某稀土碳酸盐Nd(OH)CO3在氮气中焙烧，已知初始质量8.84mg，最终质量7.60mg，且产物不含H，求产物中n(Nd3+):n(CO32-)-2。学生演练发现，此题型比正向计算多一步：先根据OH-分解生成H2O推断失去的OH-量，再根据CO32-分解生成CO2推断剩余的CO32-量。这是高考压轴题的常见命题角度，标记为【高区分度考点】。

（五）环节五：技术与伦理——数字化实验与科学态度

1.数字化实验还原

演示本校创新实验室学生自主搭建的“简易热重分析装置”视频。该装置利用改装电子天平、PID控温加热炉和Arduino数据采集模块，实时传输质量-温度数据至电脑端生成TG曲线-8。虽然精度不及商用热重分析仪，但完整复现了胆矾脱水曲线的三个台阶。邀请参与制作的学生讲解如何解决“热对流对称量干扰”“温度传感器滞后补偿”等工程问题。

2.科学态度浸润

通过展示热重分析在文物鉴定（古代壁画颜料受热变色分析）、锂电材料（正极材料热稳定性测试）、药物晶型筛查等领域的应用实例，回应课程导入时的疑问：为什么我们要在高中阶段学习TG？不是因为高考要考，而是因为它是材料科学家表征物质热行为的“眼睛”。此环节重在树立“学以致用、技术报国”的价值观，将解题技能升华为科学志趣。【隐性素养】

三、教学策略与学法指导——结构化与可视化的双重路径

（一）思维可视化工具

课堂不再依赖教师单向灌输，而是使用“TG曲线解构卡”。学生每四人一组，每组领取一张覆膜大卡，卡片上印制一幅未标注的复杂热重曲线（如CoC2O4·2H2O在空气氛围中的四步变化）。学生需用可擦写笔在曲线上直接圈画：用红色圈出平台区并标注稳定物相，用蓝色箭头标出失重区间并写出对应反应方程式，用黑色星号标出计算关键点。此工具将内隐思维外显化，使教师能即时诊断学生的认知断点。【非常重要】

（二）错误前概念纠偏

集中展示学生在作业中常见的三类典型错误：

错误A：认为所有失重都是因为结晶水丢失。（纠正：高温下硫酸盐、碳酸盐分解失重是气体氧化物）

错误B：计算时忘记除以初始质量，直接拿质量差值当物质的量。（纠正：建立“1mol基准”强制规范）

错误C：对空气氛围视而不见，默认均为分解反应。（纠正：训练审题时圈画“空气/氮气”的习惯）

针对上述错误，设计“找茬”环节，由学生担任阅卷人，对模拟答卷进行评分并阐述扣分理由。【高频纠错点】

四、作业与评价反馈——分层进阶与素养延展

（一）课堂形成性评价

采用“3-2-1Bridge”策略：课程结束前3分钟，学生在便签纸上写下3个本节课掌握最牢固的曲线分析要点；2个仍有困惑的问题；1个联想到的生活或科技应用场景。教师课后全数阅读，并于下节课前5分钟进