关于人教版选修“化学能与热能”的教学设计思路(六安)

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关于人教版选修“化学能与热能”教学设计的基本思路

杨明生

（安徽省霍邱县第二中学 237400）

摘要 课程标准选修部分关于“化学能与热能”内容要求主要为3个知识点，人教版课程标准教科书围绕3个知识点进行了相关内容安排。本文从整合教学内容、调整教学思路、精细化教学安排、提高课堂教学效率的原则出发，提出了“化学能与热能”教学设计的基本思路。

关键词 人教版 选修 化学能 热能 教学设计 思路 普通高中化学课程标准选修4《化学反应原理》关于“化学能与热能”的内容标准为“能举例说明化学能与热能的相化转化，了解反应热和焓变的涵义，能用盖斯定律进行有关反应热的简单计算”。人教版课程标准教科书围绕3个方面的知识点分别在“绪言”、“化学反应与能量变化”、“燃烧热 能源”和“化学反应热的计算”中进行了具体的内容安排。通过对比分析不难发现，选修4《化学反应原理》中 “化学能与能量”实际上是在必修《化学》（2）“化学反应与能量”中“化学反应中能量变化的主要原因”和“化学能与热能的相互转化”的基础上拓展而来的。同时，“化学能与热能”有关内容不仅是联系化学宏观世界与微观世界的重要内容，而且跨跃必修与选修两个模块，特别是还涉及到物理化学中热化学有关内容，教学中存在教学难度大，教学深广度难以把握等诸多困难。另外，由于《化学反应原理》是国家考试中心指定的新课程高考唯一的必考选修模块，“化学能与热能”中的“热化学方程式”又是新课标下高考化学的热点问题，因此，“化学能与热能”在中学化学教学中不仅具有其特殊的地位与作用，而且提高“化学能与热能”的课堂效率有着极其重要的研究价值。现从2个方面对选修4《化学反应原理》人教版课程标准教科书中“化学能与热能”的教学设计思路提出具体建议。

1 科学设计教学内容，落实教学要求

教学设计的关键就是要落实具体的教学要求。我们通过对课程标准和人教版《化学反应原理》课程标准教科书的分析不难发现，“化学能与热能”的教学内容主要应围绕“理解1个原理（化学反应基本原理）、明确1个关系（能量转化关系）、建立1个模型（简化了的有效碰撞理论模型）、规范书写1类化学方程式（热化学方程式），了解活化能、活化分子、有效碰撞、反应热（即焓变）、中和热和燃烧热等6个基本概念”等5个方面来进行设计。

首先，在教学设计中要设法让学生理解化学反应过程必然涉及到拆开旧键与形成新键的两个过程，拆开旧键需要吸收能量，形成新键可以放出能量。也即一般情况下的化学反应过程都包含一个放热过程和一个吸热过程，化学反应的热效应是由拆键所吸收的能量与成键所放出的能量相对多少决定的。让学生理解了这个化学反应原理，就可以很好地理解为什么很多放热反应在开始时需要加热，甚至需要持续加热。



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其次，在教学设计中要帮助学生不断明确化学反应过程的重要关系之一，也就是能量转化关系，对于放热反应，可以理解为放出的热能是由化学能转化而来的，对于吸热反应，需要将热能转化为化学能。

第三，教学设计中要设法让学生建立起一种化学反应过程的模型。伴随能量变化的化学反应过程主要体现在化学反应体系中反应物的能量、产物的能量和活化能等三者之间关系图上，以A2＋B2→2A·＋2B·→2A-B的过程为例，反应过程可以如右图所示。E1表示反应物的活化能，E2为生成物（逆反应的反应物）的活化能，其中“2A·＋2B·”所处的状态是反应过程中能量最高状态。E1、E2的相对大小决定反应的热效应，图示的过程为放热反应。

第四，教学设计中要对学生规范书写热化学方程式给予具体地教学安排，这是教学的重点与难点。要通过总结热化学方程式的书写规则，让学生充分认识热化学方程式与普通化学方程式的区别主要表现为5个方面：⑴热化学方程式需要指明温度与压强，如果不指明，则默认为“298K、101kPa”；⑵热化学方程式中反应物与生成物均需用“s”、“l”、“g”、“aq”等符号注明状态或存在形式；⑶热化学方程式的化学计量数约定为物质的量，故可以为小数或分数；⑷热化学方程式的重要标志就是必须用“△H”注明反应热，分别用“＋”、“－”表示吸热反应、放热反应，反应热的单位一律表示为“kJ/mol”，且与化学计量数没有关系；⑸一个化学反应，只能对应写出一个化学方程式，但可以写出无数个热化学方程式，其中表示燃烧热、中和热的热化学方程式只有一个。

同时，在教学设计中还必须设计出有效的教学方式来强化学生对有效碰撞、活化分子、活化能、反应热、燃烧热、中和热等6个基本概念的认识与了解，如，对燃烧热概念的把握可以采取抓住关键词的方式，即燃料必须为“1mol”，燃烧必须“完全”、生成物必须“稳定”，而且是放出“热量”。又如，对反应热（即焓变）的理解，可以在建立“化学反应的过程就是体系与环境能量交换的过程”观念的基础上采取图示的方式来进行：



在6个基本概念中，活化能、活化分子是学生最容易出现理解错误的概念，如，很多学生总会以为 “具有活化能的分子就是活化分子”。显然 ，教学设计中只要安排学生认真研究化学反应体系中反应物、产物的能量和活化能关系图，就能准确理解活化分子与活化能概念，即活化能就是化学反应发生所需要的最低能量相对反应物平均能量所多出来的那部分能量。 2突出具体应用，优化教学过程



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在进行“化学能与热能”实际教学的过程中我们发现，人教版教科书在“化学能与热能”有关内容的安排上，既有值得称道的地方，也有其不尽合理的一面。在我们的教学设计中，一方面需要考虑到教科书中教学资源的充分利用，即通过突出具体的应用来强化有关知识的系统建构，另一方面还需要设计出科学优化的教学过程，以求得在有限的时间内高效率地完成教学任务。

2.1有效碰撞理论的具体应用

尽管人教版教科书对有效碰撞理论进行了简化处理，但对中学生来说仍然显得非常抽象，又由于这部分内容被认为是与课程标准内容标准无关的教学难点，往往遭到人们的非议。事实上，简化后的有效碰撞模型并不是一个新的知识内容，而只是一种帮助我们认识与理解化学反应微观过程的工具而已，这也是人教版教科书在绪言中安排有效碰撞模型有关内容的真正价值体现。因此，我们在教学设计中有必要强化简化后的有效碰撞模型的重要应用价值。

⑴从微观角度帮助学生解释外界条件对化学反应速率的影响，并复习巩固必修2有关知识，为深入学习《化学反应速率与化学平衡》知识内容建立基础。

通过必修2的学习，学生对浓度、温度、压强及催化剂对化学反应速率的影响有了一个初步了解，即使进入到选修4第二章“化学反应速率”的学习后，关于外界条件对化学反应速率的影响，也只是只知其然，并不知所以然，即只知道外界条件变化如何影响化学反应速率，并不知道外界条件为什么影响化学反应速率。但建立了有效碰撞模型以后，通过活化分子百分数、单位体积活化分子数目（活化分子浓度）两个指标的变化，就可以帮助学生具体地理解外界条件对化学反应产生影响的原因。

改变条件 增大浓度 升高温度 使用催化剂

单位体积活化分子数目 增多 增多 增多

活化分子百分数 不变 增大 增大

有效碰撞次数 增多 增多 增多

化学反应速率 加快 加快 加快

而被“活化”

虽然分子的平均能量没有变化，但随着活化能的降低，更多的分子被“活化”

活化分子百分数 变化的原因分析

/

体系温度升高，更多的分子获得能量

⑵通过绘制充分体现有效碰撞模型的化学反应体系中反应物能量、产物能量和活化能关系图，帮助学生理解并认识具体的化学反应微观过程及其热效应。

化学反应体系中反应物、产物的能量和活化能关系图，虽然只是一种理论模型，但对学生理解化学反应的微观过程，解释化学反应过程中热量变化及化学反应的热效应，有着十分重要的意义与价值。

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因此， 我们可以把相关的教学过程设计为，先分别绘制出表示放热反应和吸热反应的图1、图2，通过学生对比读图，在研究化学反应的微观过程中建立化学反应的“两段论”，第一阶段为吸热过程，第二阶段为放热过程，化学反应的快慢或难易主要取决于第一阶段，化学反应的热效应取决于化学反应过程中的吸收热量与放出热量的相对多少。然后，逐步过渡到化学反应“两段论”的另一种理解，即化学反应往往经历拆开旧键过程与形成新键过程两个阶段，拆开旧键需要吸热，第二阶段，形成新键需要放热，拆开旧键越容易，化学反应越快，化学反应的热效应取决于化学反应方程式中所表示的反应物总键能与生成物总键能的相对多少。

2.2关于盖斯定律的教学

盖斯定律作为热化学的重要基础理论，无论在研究热化学问题的宏观方向上，还是在解决热化学具体问题的过程当中，都有着非常重要的指导意义。因此，我们在设计盖斯定律的教学思路时，既要帮助学生建立解决有关热化学问题的新理念，还要帮助学生强化盖斯定律的工具性价值，即盖斯定律在解决热化学问题上的具体应用。

⑴关于盖斯定律的引出

如何引出盖斯定律是教学的关键，通常采取设疑法，通过让学生产生最直接的疑问和求知欲，来激发他们的学习兴趣，达到提高教学效率的目的。教学过程可以设计如下：

[设问]我们方便不方便直接测量出C（s）+ [回答]不方便。

[设问]我们能不能用下面两个热化学方程式计算上述反应的反应热？ C（s）＋O2（g） = CO2（g）；ΔH=－393．5 kJ／mol CO（g）+

O2（g）= CO2（g）；ΔH=－283．0 kJ／mol

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O2（g）=CO（g）的反应热？ 2

在学生的困惑中指出，早在1840年，瑞士的化学家盖斯就解决了这个问题。水到渠成，自然地引出了盖斯定律。

⑵关于盖斯定律的理解

尽管教科书中设想通过两幅图例来帮助学生理解盖斯定律，但都不如将反应物（A）设计为通过三个途径变成生成物（E）的图示（如右图）来理解认识盖斯定律更加客观有效。从将盖斯定律的文字叙述转化为图例开始，再到等式“△H = △H1＋△H2 = △H3＋



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△H4＋△H5”的建立结束，非常有效地完成了盖斯定律的概念教学。

⑶关于盖斯定律的应用

关于盖斯定律的应用，主要体现在运用盖斯定律提供的宏观思路，设计规划有关物质之间的反应途径，用已知化学反应的反应热，依据简单的代数关系，求未知的化学反应的反应热。关于盖斯定律应用的教学，可以先回到 “C（s）+ =CO（g）” 的反应热计算上，再按如下思路展开：

第一步，根据盖斯定律有关原理，设计规划反应途径，如右图所示。

第二步，利用简单的代数运算法则进行计算：根据ΔH1=ΔH2 + ΔH3 ，得到出ΔH2=ΔH1

－ΔH3=－393．5kJ/mol－（－283．0kJ/mol）＝－110．5 kJ／mol，最终的结果可以表示为C（s）+

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O2（g）=CO（g）的ΔH=－110．5 kJ／mol。 2

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O2（g）2

当然，关于盖斯定律的应用教学，还需要设计一些典型题例来加以巩固，尤其是要善于充分利用燃烧热数据来解决具体问题，同时还需要强调代数运算过程的严谨与科学规范。 2.3关于热化学方程式的教学

人教版教科书关于“热化学方程式”的教学内容是采取直接呈现的形式来安排的。我们从理论上认为以这种形式来安排热化学方程式内容，然后再通过与普通的化学方程式进行对比，找到热化学方程式与普通化学方程式之间的区别，并不是最科学的。我们通过长期的教学实践发现，如果把热化学方程式的教学过程设计为在“燃烧热”概念的教学中，引导学生建立热化学方程式概念和热化学方程式的书写规范，则教学过程更合理。具体教学过程可以设计如下。

在反应热概念教学之后，直接引出反应热中最重要的类型——燃烧热的概念，在向学生强调注意概念的关键词、燃烧热的表示方法及单位和测量燃烧热时状况的同时，引导学生熟悉教科书第7页的燃烧热数据表，了解并比较一些常见物质的燃烧热数据。然后，向学生提出任务性要求，用化学方程式来表示燃烧热。当然，要提醒学生在化学方程式中必须注意燃烧热的表示方法，强调燃烧热是1mol可燃物燃烧时对应的反应热，反应热与测量时的状况和反应物、生成物的状态有关。如，通常以表示H2燃烧热的化学方程式为例：

H2（g）+

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O2（g）=H2O（l） ΔH3=－285.8kJ·mol-1 2

在检查了学生任务完成情况和建立了热化学方程式概念之后，在规范热化学方程式的书写的基础上再安排如下学习任务：⑴写出用以表示石墨、一氧化碳、甲烷、乙醇等代表性可燃物燃烧热的化学方程式；⑵写出2molH2、2molCH4燃烧的热化学方程式。进一步巩固热化学方程式的书写要求与规范。

当然，建立热化学方程式的概念，强调热化学方程式的书写规范是远远不够的。在教学设计时，还需要提供一些针对性较强的典型题例，来进一步强化热化学方程式教学。



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2.4关于燃烧热的教学

在人教版课程标准教科书上，关于“燃烧热”的教学内容则被安排在第二节，仅仅从基本概念上加以明确，而忽视了“燃烧热”作为热化学最要要、最直接的数据的应用价值。我们知道，燃烧热是热化学上最容易测量的反应热，通过教学实践也发现，燃烧热作为反应热的最重要表现形式，在建立了反应热概念之后，就应该在充分明确燃烧热概念内涵的基础上，强化燃烧热的具体应用。

除了燃烧热可以作为建立热化学方程式概念的最重要教学资源以外，我们在教学实践中还需要充分利用数据表中燃烧热的数据，进行盖斯定律应用和反应热计算。尤其是需要围绕燃烧热数据，利用已知热化学方程式，通过“加”、“减”来计算目标热化学方程式的反应热。教学实践中，可以通过典型例题来完成这一教学设想，具体的题型可以设计为：

利用教科书上石墨、氢气、甲烷的燃烧热数据，计算下述反应的燃烧热： C（s，石墨）+ 2H2（g）＝CH4（g）。

显然，这种题型最大的优越性就在于既让学生充分认识到了燃烧热数据的重要性，也让学生在表达燃烧热的过程中巩固了热化学方程式的书写，同时，还让学生掌握了计算反应热的一种常见的重要方法。当然，在解决具体问题之前，还需要引导学生建立解决此类问题的基本思路：⑴根据燃烧热数据，写出规范的已知热化学方程式；⑵研究目标热化学方程式与已知热化学方程式中各反应物、生成物之间关系；⑶确定从已知热化学方程式到目标热化学方程式之间的“加”、“减”法，以及明确两式中有关反应物与生成物的倍数关系；⑷对已知热化学方程式进行“加”、“减”的同时，对各已知热化学方程式的反应热进行对应的代数“加”、“减”。具体的解题过程分析如下：

⑴根据燃烧热数据写出的已知热化学方程式如下：

①CH4（g）+2O2（g）＝CO2（g）+2H2O（l） ΔH1=－890.3kJ·mol-1 ②C（s，石墨）+O2（g）＝CO2（g） ΔH2=－393.5kJ·mol-1 ③H2（g）+

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O2（g）=H2O（l） ΔH3=－285.8kJ·mol-1 2

⑵目标热化学方程式为：C（s，石墨）+ 2H2（g）＝CH4（g）

⑶分析：目标热化学方程式中的反应物C（s，石墨）和 H2（g）分别在已知热化学方程式②、③的反应物中，有关物质在反应式中的位置一致，同时，目标热化学方程式中H2（g）的化学计量数为2，而目标热化学方程式中的生成物CH4（g）为已知热化学方程式①的反应物，有关物质在反应式中的位置不一致。

⑷进行热化学方程式的“加”、“减”及反应热的代数运算：

②＋③－ 2× ① = ④，ΔH4=ΔH2＋2ΔH3－ΔH1=－393.5 kJ·mol-1＋2(－285.8) kJ·mol-1

－(－890.3) kJ·mol-1=－74.8kJ·mol-1

参考文献

[1]中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准（实验稿）（M）.北京：人民教育出版社，2003 [2]宋心琦主编.化学反应原理（选修）（M）.第3版,北京：人民教育出版社：2007

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