高一下学期化学必修第二册第五章化工生产中的重要非金属元素单元教学设计

高一下学期化学必修第二册第五章化工生产中的重要非金属元素单元教学设计一、设计依据与教材定位本章处于人教版高中化学必修第二册的开端位置，承接必修第一册中钠、氯、铁及其化合物的学习，是学生认识元素化合物的第二次集中亮相。硫和氮是化工生产中地位极为重要的两种非金属元素，硫酸被誉为化学工业之母，合成氨被称作二十世纪初最伟大的化学发明，硅则是信息时代的基石材料。把这三种元素放在化工生产的大背景下展开教学，能够让学生真切体会到化学知识如何转化为生产力，这正是课程标准所倡导的化学与工业、技术、社会、环境相互关联的课程理念。本章共三节内容。第一节硫及其化合物，以硫单质为起点，依次展开二氧化硫、硫酸两个板块，其中二氧化疏的漂白性与还原性、浓硫酸的强氧化性是核心难点；第二节氮及其化合物，涵盖氮气、一氧化氮与二氧化氮、氨与铵盐、硝酸四大块，氮的固定与硝酸的不稳定性是学生易混之处；第三节无机非金属材料，以硅为主线，介绍硅酸盐材料、硅和二氧化硅的性质与用途，并延伸至新型陶瓷与信息产业材料。从教与学的关系看，本章承担着三重任务。其一，巩固物质分类视角，引导学生用单质、氧化物、酸、盐、气态氢化物的类别线索整理知识；其二，强化氧化还原视角，硫和氮的化合价跨度大，是训练价态—类别二维图示的绝佳素材；其三，渗透绿色化学与可持续发展观念，硫酸工业的三废处理、氮氧化物污染的成因与防治、化肥的合理施用，都是鲜活的科学态度与社会责任的培养载体。二、学情分析高一学生对元素化合物知识并不陌生，初中接触过氧气和二氧化碳，必修第一册又系统学习了钠、铁、氯及其化合物，已经具备从物质类别和元素价态两条线索研究陌生物质的基本经验。实验探究方面，多数学生能够独立完成药品取用、加热、气密性检查等基本操作，部分学生具备设计简单对比实验的意识。困难同样明显。第一，硫和氮的价态复杂，学生容易把二氧化硫的氧化性和还原性混为一谈，把浓硫酸的吸水性、脱水性、强氧化性张冠李戴。第二，硝酸与金属反应不放氢气这一事实，与学生头脑中金属加酸产生氢气的固有经验冲突强烈，认知冲突若不妥善处理，极易转化为机械记忆。第三，本章化学方程式数量多，学生若靠死记硬背，遗忘极快，必须借助价态线索帮助其生成性记忆。第四，化工生产流程图的信息量较大，学生读图提取信息的能力有待训练。基于上述分析，本单元教学宜采用问题链驱动、价类二维贯穿、实验事实支撑、工业情境收束的整体策略。三、教学目标一、能描述硫、氮、硅三种元素在自然界的存在形态，说出硫单质的物理性质与化学性质，写出硫与铁、铜、氧气反应的化学方程式，并能从硫的零价出发预测其氧化性与还原性并存的特征。二、能结合实验现象说明二氧化硫既具有酸性氧化物的通性，又具有漂白性和以还原性为主的双重价态特性，能辨析二氧化硫与氯水漂白原理的本质差异，能用原子结构和元素周期律的视角解释浓硫酸强氧化性的来源，书写铜与浓硫酸反应的方程式并指明还原产物。三、能说出自然界中氮的固定方式，解释雷雨对农作物生长的促进作用，比较一氧化氮与二氧化氮在颜色、与水反应等方面的差异，能用喷泉实验说明氨极易溶于水且其水溶液呈碱性，说出氨的催化氧化反应并理解其在硝酸工业中的地位，能写出铵盐受热分解及铵根离子检验的相关方程式。四、能描述浓硝酸的强氧化性及见光、受热易分解的保存要求，对比浓、稀硝酸与铜反应的不同产物，并能从电子转移数目进行简单计算。五、能列举硅酸盐材料水泥、玻璃、陶瓷的主要原料，写出二氧化硅与氢氧化钠、氢氟酸反应的方程式，说明二氧化硅作为酸性氧化物不能与盐酸反应这一特殊性，知道硅的工业制取与提纯思路，了解新型无机非金属材料在信息、能源领域的应用。六、通过二氧化硫与酸雨、氮氧化物与光化学烟雾、尾气处理等素材，树立环境保护与绿色生产的责任意识，感悟化学在解决社会问题中的独特价值。四、教学重难点教学重点：二氧化硫的性质，浓硫酸的性质，氨的性质与实验室制法，硝酸的性质，二氧化硅的性质。教学难点：利用化合价升降分析陌生氧化还原反应，浓硫酸强氧化性的实验验证与结论表达，氮的氧化物溶于水的综合计算，价类二维图示的自主建构。五、教学方法与课时安排本章设计十二个课时。硫及其化合物三至四课时，氮及其化合物四至五课时，无机非金属材料两课时，单元复习与检测一至两课时。教学方法上以实验探究为主渠道，配合问题串引导、学案导学、小组合作与数字化数据处理。二氧化硫、氨等有毒或刺激性气体实验一律采用微型化、封闭式装置，或在通风橱内演示，严格保障师生安全。六、教学过程第一课时硫和二氧化硫环节一情境导入。教师展示两张图片：一张是火山口的黄色硫磺沉积，一张是酸雨侵蚀后的石雕像。提出问题，同样是硫，为何一面成就化工之美，一面酿成环境之痛，这节课沿着硫的足迹一探究竟。环节二硫单质的性质认识。学生观察硫粉，归纳淡黄色、不溶于水、微溶于酒精、易溶于二硫化碳等物理性质。教师追问，硫位于元素周期表第三周期第ⅥA族，常见价态有哪些，学生写出负二价、零价、正四价、正六价。教师顺势追问，零价硫遇到还原性强弱的物质会走向哪个价态，并演示或播放硫与铁粉混合加热的视频，剧烈发光的实验现象激发兴趣，师生共同书写硫与铁、硫与铜的方程式，引导学生比较产物中铁的价态与氯气氧化铁时的差异，得出硫的氧化性比氯气弱的结论。再书写硫在氧气中燃烧的方程式，补全硫既有氧化性又有还原性的完整图像。环节三二氧化硫性质的实验探究。教师事先制备少量二氧化硫气体于密闭集气瓶中备用。子任务一，通入紫色石蕊溶液。学生观察到变红，推导二氧化硫与水反应生成亚硫酸，归类为酸性氧化物，并迁移写出二氧化硫与氢氧化钠溶液的反应，为后续尾气吸收埋下伏笔。子任务二，分别向品红溶液和酸性高锰酸钾溶液中通入二氧化硫。前者褪色且加热后恢复红色，后者褪色且不恢复。教师组织讨论，两个褪色的微观机理是否相同，学生结合价态分析，二氧化硫中的正四价硫升高至正六价，表现出还原性使高锰酸钾褪色；品红褪色则源于与有色物质的加成生成不稳定无色物，是区别于氯水氧化漂白的加合型漂白。子任务三，向氢硫酸溶液中通入二氧化硫，观察到淡黄色的硫沉淀析出。学生分析此时二氧化硫中的硫降价，表现为氧化性，从而完整构建正四价硫升可还其原、降可氧其物的认知结构。环节四三氧化硫与硫酸的形成。简单介绍二氧化硫在催化剂和加热条件下被氧化为三氧化硫，三氧化硫与水化合生成硫酸，为下一课时硫酸性质和工业法制备做好铺垫。环节五课堂小结与作业。绘制硫元素的价类二维简图，标出硫、pokémon二氧化硫、三氧化硫、硫酸、硫化氢的位置。作业为课后查阅酸雨的形成过程并撰写一百字说明。第二课时浓硫酸与硫酸工业环节一复习衔接。提问稀硫酸具有哪些酸的通性，学生回答与指示剂、活泼金属、金属氧化物、碱、某些盐的反应。教师指出，当浓度上升，性质将发生质的飞跃，由此进入浓硫酸的学习。环节二浓硫酸的物理特性与吸水性、脱水性。观察浓硫酸的黏稠状与密度数据。演示一，将蓝色胆矾放入少量浓硫酸中，褪色现象说明浓硫酸吸收结晶水即吸水性，故可作干燥剂，随后学生讨论不能干燥氨气和硫化氢的原因。演示二，在蒸发皿中使蔗糖与浓硫酸接触，蔗糖变黑膨胀成疏松多孔的黑面包并伴有刺激性气味。教师引导分析，蔗糖按氢氧二比一脱去水分子留下碳，体现脱水性；生成的碳进一步被浓硫酸氧化放出二氧化硫与二氧化碳，体现强氧化性。强调吸水与脱水的对象不同，前者针对已有之水，后者按水的组成夺取物质中的氢和氧。环节三浓硫酸与金属反应的探究。提出问题，铜在金属活动性顺序中位于氢之后，能否与浓硫酸反应。实验装置组装后加热，品红试纸褪色、溶液稀释后呈蓝色，证明生成了二氧化硫和硫酸铜。师生共同书写方程式并标注化合价，得出浓硫酸被还原为二氧化硫、氧化产物与还原产物的对应关系。延伸讲解常温下铝、铁遇浓硫酸发生钝化形成致密氧化膜，故可用铝罐车运输浓硫酸，纠正钝化即不反应的误解。环节四硫酸工业流程。展示接触法制硫酸的工业流程图，黄铁矿煅烧制二氧化硫、接触室催化氧化、吸收塔用浓硫酸吸收三氧化硫三个工段。重点解释为何不用水直接吸收三氧化硫而形成酸雾，体会工业细节背后的科学考量。最后点出尾气用碱液吸收、废热利用等绿色化学措施。第三课时氮气和氮的氧化物环节一导入。给出数据，一个正常成年人每次呼吸都在吸入大量氮气，而氮气却几乎不参与新陈代谢；可自然界中的豆科植物却能利用氮气获得生长养分，矛盾从何而来。环节二氮气性质与氮的固定。复习氮气分子中三键结构的稳定性，讲述高温、放电或有催化剂条件下氮气可与氢气、氧气反应。展示雷雨过程动画，依次书写氮气与氧气生成一氧化氮、一氧化氮氧化为二氧化氮、二氧化氮溶于水生成硝酸的三个方程式，解释雷雨发庄稼的科学原理。归纳氮的固定分为自然固氮与人工固氮，指出合成氨属于人工固氮，为下一课埋下伏笔。环节三一氧化氮与二氧化氮的对比学习。通过二氧化氮与水的演示实验，试管内红棕色褪去、液面上升，学生推导方程式并讨论为何液面不能完全充满试管，得出不溶的一氧化氮残留。补充氧气后再充分反应，练习配平总方程式，训练守恒思想。联系二氧化氮与酸雨、光化学烟雾的关联，说明汽车尾气处理的必要性，介绍三元催化转化器中氮氧化物还原为氮气的过程。第四课时氨和铵盐环节一情境。展示化肥包装袋照片，提问包装上的氮肥、铵态氮肥是何物质，如何制得。环节二氨的性质。喷泉实验是本节的灵魂。挤压胶头滴管中的少量水，烧瓶内形成红色喷泉。学生分析，氨极易溶于水导致瓶内压强骤降，外界大气压将滴有酚酞的水压入烧瓶，溶液变红说明氨水呈碱性。书写氨与水作用的部分电离方程式，说明一水合氨的不稳定性。再用蘸有浓盐酸和浓氨水的玻璃棒相互靠近产生白烟，推出生成氯化铵小颗粒，体现氨与酸的反应。环节三铵盐的性质。实验加热氯化铵固体，试管底部固体消失、上部又出现白色固体，类比升华现象进行辨析，指出这是先分解再化合的化学变化而非物理升华。铵盐与碱共热放出氨气，以此归纳铵根离子的检验方法，书写氯化铵与氢氧化钙加热的反应式。环节四氨的实验室制法。回顾固固加热制气装置，指明用碱石灰干燥、向下排空气法收集、试管口塞棉花防止对流。扩展介绍工业合成氨的条件选择，兼顾反应速率与转化率，温度不能过高、压强不能无限制增大、使用铁触媒，渗透化学平衡思想的种子，为选择性必修课程的学习预留接口。第五课时硝酸环节一展示保存于棕色瓶中的浓硝酸，设疑为何避光，实验加热或光照观察红棕色气体生成，写出硝酸分解的方程式，从氮由正五价降至正四价认识硝酸的强氧化性。环节二浓稀硝酸与铜的反应对比。铜与浓硝酸剧烈反应放出红棕色的二氧化氮，与稀硝酸反应生成无色一氧化氮、在试管口转化为红棕色。学生配平两式，比较相同物质的量的铜消耗硝酸的总量与起氧化剂作用的硝酸量，第一次接触起酸作用的硝酸盐部分这一新概念。强调硝酸无论浓度均不产生氢气，纠正金属与酸反应的惯性思维。环节三钝化现象与硝酸的用途。介绍常温下铁、铝在浓硝酸中钝化，介绍王水溶解金、铂的神奇本领，激发兴趣。归纳硝酸在化肥、炸药、染料工业中的应用，呼应单元主题。第六课时无机非金属材料环节一实物导入。带来水泥块、普通玻璃片、陶瓷碗与光缆样品，提问它们的共同化学成分指向哪种元素。环节二传统硅酸盐材料。以表格形式整理水泥的原料为石灰石和黏土，玻璃的成分为碳酸钠、石灰石与石英经高温熔融得到硅酸钠、硅酸钙与二氧化硅的混合物，陶瓷以黏土烧制。书写制玻璃的两个方程式，强调玻璃是混合物、无固定熔点。环节三硅和二氧化硅。二氧化硅是结晶的代表，想象其空间网状结构解释了高熔点、高硬度。作为酸性氧化物可与碱作用生成硅酸盐；特性方面能与氢氟酸反应及与碳酸钠高温反应，用磨砂玻璃瓶装碱液会粘连瓶塞作反例警示。硅的制备锤炼学生思维，工业上用焦炭还原二氧化硅得粗硅，再经氯化、氢气还原提纯，体现纯度要求的工程意义。环节四新型无机非金属材料。介绍光导纤维高带宽的信息传输原理，氮化硅陶瓷的高温强度，石墨烯、碳纳米管等新型材料的展望，鼓励学生关注材料科学的最新突破。第七课时单元复习与检测环节一建构知识网络。师生共同绘制硫、氮、硅三条价类二维图，将零散方程式锚定在网络节点上，实现由记到懂的跨越。环节二典型例题精讲。围绕二氧化硫通入氯化钡溶液是否有沉淀、浓硝酸与足量铜反应的气体体积变化、铵盐分解的气体量计算等易错题进行诊断，暴露思维漏洞。环节三反馈检测与讲评，依据检测结果安排分层补偿作业。七、板书设计的基本框架主板书以元素为经、价态为纬绘制价类二维图，硫线依次标注硫化氢、硫、二氧化硫、三氧化硫、硫酸；氮线标注氨气、氮气、一氧化氮、二氧化氮、硝酸及对应铵盐与硝酸盐；副板书随时呈现当节课的核心方程式与实验现象关键词。八、作业与评价设计作业分基础题、提升题、实践题三层。基础题落实方程式书写，提升题侧重离子检验与简单计算，实践题布置调查本地硫酸