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1.1[教师活动]引入新课:播放视频[视频一]给光束拍个慢动作高速拍摄技术飞秒成像[视频二]慢镜头———闪电引导学生阅读课本第35页“拓展视野”,了解关于“纳秒”、“皮秒”和“飞秒”的知识。介绍1999年诺贝尔化学奖美国科学家泽维尔“用飞秒分光技术观察化学反应过渡状态”……(略)化学反应有快有慢(举例说明)。我们如何定量描述化学反应的快慢?[学生活动]总结:化学反应速率是表示化学反应快慢的物理量。[教师活动]介绍化学反应速率计算公式及注意事项(略)。转引:请大家完成教材第32页的“观察与思考”,利用所给实验数据:(1)在左边的坐标纸中绘制H2O2分解反应的浓度—时间曲线。(2)借助绘制的曲线,分别计算每20分钟与每10分钟为时间间隔的化学反应速率数据,完成学案上表格(表格略),将你计算所得到的数据与同学交流讨论。这些数据能给你什么启迪?
1.2[学生活动]绘制曲线,计算数据,讨论并总结:(1)通过所作曲线可以发现,在反应过程中过氧化氢的浓度逐渐减小,但减小的趋势逐渐变缓,说明随着反应的进行化学反应速率逐渐减小。(2)通过对化学反应速率的计算也说明了以上问题。由数据可以发现,这种速率实际上是该化学反应在某个时间段内的“平均速率”。在不同的时间内,化学反应的速率可能不同,例如在0~20min的时间内,反应平均速率为0.02mol•L-1•min-1,但在这20min内,前10min的反应速率是0.022mol•L-1•min-1,后10min的反应速率是0.018mol•L-1•min-1,显然在这20min内,反应速率是逐渐减小的。[教师活动]讲解:刚才大家计算的是在10min内的平均反应速率。当时间间隔Δt非常小时,可求得化学反应在某一时刻的瞬时速率。瞬时速率也可以由物质的浓度随时间的变化曲线通过数学方法得到。[教师活动]转引:对于同一反应来讲,反应速率既可以用单位时间内反应物浓度的减少表示,又可以用单位时间内生成物浓度的增加表示。那么,用不同物质浓度的变化表示反应速率之间存在什么关系呢?请大家在完成课本第33页“交流与讨论”的基础上加以总结。
1.3[学生活动]在交流讨论的基础上进行小结:对于同一反应来讲,用不同物质浓度的变化来表示化学反应速率,其数值不一定相同。但其中存在着一定的比例关系,即用不同物质浓度的变化来表示的化学速率之比,等于化学方程式中化学计量数之比。例如,对于反应aA+bB=cC+dD来说,存在如下关系:V(A)a=V(B)b=V(C)c=V(D)d[教师活动]请完成学案上的课堂巩固练习(练习题略)。[教师活动]讲解:要测定化学反应速率,必须测定某一时刻物质的浓度,但物质的浓度并不易测定,一般要通过间接手段才能测定。请大家阅读课本第34页相关内容并完成“活动与探究”,学习测定反应速率的实验方法。[学生活动]通过探究活动,学习通过测定气体体积的变化测定化学反应速率的方法。[教师活动]总结:除了通过测定气体的变化测定化学反应速率之外,通过比色法测定化学反应的速率也是一种常用的方法,比色分析一般在分光光度计中进行。还有一些测定化学反应速率的方法,请大家课后查阅相关资料,列举两种其他的测定化学反应速率的方法。
2.教学反思
关键词:化学反应速率;活化能;微型化实验;探讨
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.02.005
关于化学反应速率和活化能的测定条件的微型化探讨,具有非常大的研究意义。大部分的书本和参考资料上提供的实验设计方案,使用的实验试剂基本上都是过二硫酸铵和碘化钾[1]。根据书本和参考资料上提供的实验设计方案,主要有两个问题,第一个问题是实验过程中过二硫酸铵很容易分解,第二个问题是实验过程中实验试剂的用量太大,并且废水处理很困难[2]。基于以上问题,化学反应速率和活化能的测定条件的微型化探讨就显得尤其有必要进行。
微型化实验是一种新的实验,它的主要优点有节约实验的费用、减少实验过程产生的污染、实验快速[3]。化学反应速率与活化能的测定条件的探讨,实验过程中的现象非常明显,但是实验试剂的用量过大,实验过程中产生的污染非常严重[4]。为实现化学教学的绿色化发展,运用微型化的思想和微型化的原则对当前教学中通用的实验方案进行分析和研究,对于化学反应速率和活化能的测定条件的探讨,实验过程中广泛存在的问题,如实验试剂容易变质、实验试剂的用量过大等都进行了准微型化和微型化的探讨,其中温度对化学反应速率的影响,只需在10℃左右的温差就可以进行实验的探讨,这样的实验设计方案,改变了以前必须在一定的严格温差下进行化学反应速率和活化能的测定,使实验的操作更简化,实验效率得到了很大地提高[5]。
本文从实验药品的微型化对化学反应速率和活化能的测定进行了微型化学实验设计,从而对化学反应速率和活化能的测定条件进行了探讨。
1 仪器与试剂
秒表;水浴锅;烧杯;量筒;温度计。
碘化钾、淀粉、硫代硫酸钠、硫酸铵、过硫酸铵、硝酸钾、硝酸铜等不同浓度溶液新配。
2 实验方法
2.1常规实验数据
在常规实验中,我们分别从反应物浓度、反应温度和催化剂等方面探讨了化学反应速率和活化能的测定的条件探讨。为了便于实验数据的对比我们同样也做了常规实验。
2.2 微型实验探讨
为了进一步验证数据我们将试剂的用量改为原来的十分之一来进行实验。
2.2.1 试剂用量对化学反应速率的影响
首先保持所用的实验试剂的浓度不变,将实验试剂的体积缩小为原来的十分之一,用吸量管量取相应的溶液倒入到50mL的烧杯中。将实验数据记录于表2中。根据记录的实验数据进行数据处理,求出反应速率和反应速率常数。
2.2.2 温度对化学反应速率的影响
按照同样试剂的用量,通过改变实验的温度,同样的实验方法、步骤进行操作。记录数据于表3中,根据记录的数据进行数据处理,求算出反应速率和反应速率常数。
根据上述常规实验和微型实验中记录的实验数据,进行数据处理,求出反应级数和反应活化能,将求出的数据分别填入下面的表4和表5中。
3 结 论
本论文通过对“化学反应速率与反应活化能的测定”这一经典实验的实验条件的改进,通过常规实验的实验结果与微型化实验的实验结果对比可以得出结论:微型化实验的实验结果是准确并且可靠的,并且微型化实验中实验试剂的用量很小,可以节约实验资源,产生较少的污染。正因为微型化实验具有节约实验的费用、减少实验过程产生的污染、实验快速、数据准误差较小等优点,所以适合在学生实验中推广应用。
参考文献:
[1]陈广,杨晓丽,万照.化学反应速率和活化能的测定实验的微型化研究[J].曲靖师范学院学报,2013(05).
[2]张秀丽,程志国,秦好静,杨志强,姜浩,刘晓鸿.化学反应速率与活化能测定实验微型化[J].中国地质大学材料科学与工程学院实验技术与管理,2010(03).
[3]张秀丽,程志国,秦好静.化学反应速率与活化能测定实验的微型化[J].实验技术与管理,2010,27(03):237-238.
关键词:高中化学教材;化学动力学;内容选取的比较;内容编排的比较
文章编号:1008-0546(2014)12-0055-04 中图分类号:G632.41 文献标识码:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2014.12.022
化学动力学是研究化学反应速率和反应机理的物理化学分支学科[1],主要通过研究化学反应发生的具体过程和路径,认识化学反应从开始到完成的各个步骤(反应历程),从而探究出化学反应速率的大小及其影响因素,找到控制反应速率的方法,并将其应用到工业生产中,以满足工业生产的需要。化学动力学的研究对化工领域、化学、医学和食品等学科的发展具有重要意义。
高中阶段化学动力学的内容主要包括化学动力学基本理论和催化反应动力学的一些基础知识,是学生认识化学反应机理的基础,也是学生认识化学工业的起点。这部分内容看似简单,但是其蕴含的学科思维的教学价值不容忽视。通过这部分内容的学习,学生可以在明确化学变化的基础上,认识化学变化所遵循的基本原理和规律以及化学变化与时间的定量关系,建立对化学反应规律的微观认识,形成化学学科思维,了解到化学反应原理对科学技术和社会发展所起的重要作用,能对生产、生活和自然界中有关化学变化的现象进行合理的解释,增强探索化学反应原理的兴趣。
高中学生学习化学动力学部分内容的主要媒介是高中化学教材,教材中这部分内容的选取和编排直接影响学生的学习效果。世界发达国家高中化学教材在化学动力学的内容设计上特点各异。本文对中美德三国高中化学教材中化学动力学内容的选取、编排和呈现特点进行了比较研究,并根据我国的教育现状和学情批判性地借鉴国外高中化学教材中这部分内容设计的可取之处,希望可以为我国高中化学动力学部分的教学及教材编写提供反思和参考。
一、内容选取的比较[2]
本文选取的研究对象依次是:人民教育出版社2007年出版的《化学2(必修)》[3],《化学反应原理(选修4)》[4](中国);Glencoe/ McGraw-Hill出版公司2009年出版的Chemistry:Concepts and Application[5](化学:概念与应用)(美国);巴伐利亚教育出版社2009年出版的GALVANI Chemie 11・Ausgabe B[6](德国)。
高中化学教材中化学动力学的内容主要包括化学动力学基本理论和催化反应动力学两部分。中美德三国高中化学教材中化学动力学的内容选取见表1。
1. 化学动力学基本理论内容选取的比较
高中化学教材中的化学动力学基本理论主要包括化学反应速率和反应速率理论两部分,从表1中可以看出:在化学反应速率内容的选取上,三个国家的高中化学教材中都选取了化学反应速率的定义、影响反应速率的因素及其规律。中国和德国的高中化学教材中选取的内容还包括:化学反应速率的表达式、计算、单位和实验测量。此外,德国高中化学教材中选取的内容还包括:平均反应速率,瞬时反应速率,离散程度的概念模型和RGT规则。
在反应速率理论内容的选取上,三个国家各不相同,德国高中化学教材选取的内容包括:碰撞理论和过渡态理论,其中碰撞理论介绍了化学反应发生的三个条件,分别是粒子必须发生碰撞、粒子必须具备一定的能量和粒子的碰撞必须在一定方向上;过渡态理论介绍了过渡态、放热反应的过渡态能量曲线图和活化能。中国高中化学教材选取的内容包括:简化后的有效碰撞模型,化学反应发生的两个条件,即分子必须发生碰撞(充分条件)和有效碰撞(必要条件);过渡态理论中只选取了活化分子和活化能两个概念,并没有介绍过渡态理论的内容。美国高中化学教材选取的内容只有活化能,在此基础上介绍了化学反应发生的条件,即分子碰撞时必须具备一定的能量,理论要求较低。
2. 催化反应动力学内容选取的比较
高中化学教材中的催化反应动力学主要包括催化剂、酶和抑制剂三方面的内容,从表1中可以看出:在催化剂内容的选取上,三个国家的高中化学教材都选取了催化剂的概念、性质和催化作用原理。不同的是德国高中化学教材中还详细介绍了催化作用的两种方式,即均相催化和多相催化;在生物催化剂――酶的内容选取上,中国和美国的高中化学教材比较相似,选取的内容主要有:酶的概念、性质和实际应用;德国高中化学教材选取的内容主要有:酶的概念、性质,酶-底物复合物,酶的作用方式(模型),作用特异性,底物特异性,酶活性的影响因素以及酶的实际应用;在抑制剂内容的选取上,只有美国和德国高中化学教材中选取了抑制剂的概念和实际应用,此外德国高中化学教材中还介绍了三种类型的抑制作用及其特点。由此可以看出德国高中化学教材比较重视催化反应动力学这一部分,选取的内容比较全面。
二、内容编排和呈现的比较[7]
如何编排和呈现教材内容是编制教材中非常重要的一个方面。中美德三国高中化学教材中化学动力学内容的章节分布如表2所示。
从表2中可以看到:中美德三国高中化学教材中化学动力学内容的编排顺序大体相同,都是在介绍化学反应速率概念的基础上,介绍外界因素对反应速率的影响及其应用,最后介绍催化反应动力学的内容;但是反应速率理论的内容在三国高中化学教材中的编排各不相同。各国高中化学教材中化学动力学部分的编排和内容呈现的具体情况如下:
中国高中化学教材中化学动力学的内容编排在两本教材中,必修2中首先介绍化学反应速率的定义,然后通过实验定性地介绍温度和催化剂对反应速率的影响,最后在科学视野中简单介绍催化剂和酶及其应用;选修4在此基础上,首先在绪言部分简单地介绍碰撞理论、活化分子和活化能,然后在第二章中定量地介绍反应速率的表达式,并呈现了测量反应速率的实验,最后进一步通过实验探究影响反应速率的因素及其规律,并从微观角度结合活化分子百分数和有效碰撞频率给予解释。因此中国高中化学教材中化学动力学部分采取螺旋式上升的编排方式。
美国高中化学教材中化学动力学的内容编排在第六章第3节的反应速率这一小标题中,首先在介绍活化能的基础上,从能量角度引出了化学反应发生的条件,即分子碰撞必须具备一定的能量;然后通过生活实例定性地介绍化学反应速率的概念和外界因素对反应速率的影响及其规律;最后介绍催化剂和抑制剂,其中重点介绍酶及其在生命体内的重要作用,简单介绍抑制剂的作用和实际应用。
德国高中化学教材中化学动力学的内容编排在第七章“反应速率和酶的催化作用”,共有十小节内容,第1节定量地介绍化学反应速率,通过测定盐酸和镁反应生成的气体体积这一实验,绘制出气体体积――时间曲线,然后读取相应时间上的气体体积,利用图解法计算平均反应速率,理解瞬时反应速率,呈现了定量计算化学反应速率的科学方法和具体过程。第2节从微观角度全面地呈现碰撞理论和过渡态理论的内容,并解释化学反应发生的条件和过程。之后从第3节到第5节通过设计探究实验依次介绍了固体表面积、浓度和温度对反应速率的影响及其规律,并运用模型和反应速率理论来解释各因素的影响规律,其中温度对反应速率的影响规律用RGT规则表示,即温度每升高10℃,反应速率提高一倍,此外还介绍了各因素的影响规律在生活和生产实例中的应用。第6节在介绍活化能的基础上,解释催化剂提高反应速率的原因,然后介绍催化剂、催化作用的两种方式及其过程和实例。最后从第7节到第9节详细介绍酶,依次介绍了酶的概念和性质、酶的作用方式和酶活性的影响因素,并呈现了酶在食品工业和生物分析中的应用实例。第10节介绍抑制剂的概念、作用和三种类型的抑制作用及其特点,在章末以概念图的形式展示本章知识点之间的联系。由此可以看出德国高中化学教材中化学动力学部分的内容体系完整,并以直线型编排。
三、结论
通过分析和比较中美德三国高中化学教材中化学动力学的内容选取、编排和呈现,得到以下结论:
(1)在化学动力学内容的选取上,德国高中化学教材既重视化学动力学基本理论部分,也重视催化反应动力学部分,整体内容选取的较系统;中国高中化学教材比较重视化学动力学基本理论的内容,淡化催化反应动力学的内容;美国高中化学教材中化学动力学部分的内容不仅少而且简单。
(2)在化学动力学内容的编排和呈现上,德国高中化学教材以直线型编排,通过展示学习知识的科学方法和过程,深入透彻地讲解概念和原理,而且通过一些生产生活实例和插图来体现知识的实用性,并在章末以概念图的形式展示本章知识点之间的联系,整体结构比较完整,有利于学生初步建立起化学动力学的知识体系;中国高中化学教材则采取螺旋式上升的编排方式,但是应用方面的内容不足,与现实生活有些脱节;美国高中化学教材是通过生活实例或者创设情境来编排和呈现教材内容,并重视知识的应用价值。
四、启示
普通高中化学课程标准中规定,化学教学要体现课程改革的基本理念,引导学生积极主动地学习,掌握最基本的化学知识和技能,了解化学科学研究的过程和方法;在实际教学过程中要尽量联系生产、生活实际,帮助学生拓宽视野,开阔思路,也要发挥实验的教育功能,重视探究学习活动,发展学生的科学探究能力。高中化学教材要为课程改革和教学服务,在分析和了解了中美德三国高中化学教材中化学动力学内容设计的特点之后,结合我国的教育现状及课程标准中化学动力学部分的内容标准,批判性地借鉴国外高中化学教材中化学动力学部分内容设计的可取之处,对我国高中化学教材中化学动力学内容的编写和实际教学提出如下启示:
(1)在化学动力学内容的选取上,我国应将与生活密切相关的催化剂和酶的知识以及应用实例更加丰富地编入高中化学教材;在化学动力学内容的编排和呈现上,我国高中化学教材应重视化学知识产生过程的呈现和科学方法的运用,为培养学生的科学思维能力提供真实的情境。
(2)在实际教学过程中,教师对于催化剂的应用案例应更加贴近时代和生活,让学生体验和认识到化学科学对人类生活的真实影响以及化学知识的实用性;还应注重从学生认知规律的角度出发,创设更多真实情境或生活实例来呈现化学动力学基础理论和催化剂的内容,使学生对知识的认识从感性认识逐渐上升到理性认识。
参考文献
[1] 天津大学物理化学教研室. 物理化学(下册)[M]. 北京:高等教育出版社,2009:507
[2] 田红,周青,杨辉祥. 英国“Advanced Chemistry”教材有机化学内容编排的评析[J].化学教育,2008,(3):10-12
[3] 课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学2(必修)[M].北京:人民教育出版社,2007:47-50
[4] 课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学反应原理(选修4)[M].北京:人民教育出版社,2007:2-4,16-24
[5] John S. Phillips,Victor S. Strozak,Cheryl Wistrom,et al. Chemistry:Concepts and Applications[M]. New York:Glencoe /McGraw-Hill companies,2009:216-221
例1 在2 L的密闭容器中,测得容器中含有0.4 mol的,求该反应的化学反应速率?
点拨 (1)固体或纯液体的浓度视为定值,因此不用固体或纯液体表示反应速率。(2)计算反应速率时,若给出的是物质的量的变化值,不要忘记转化为物质的量浓度的变化值。
考点二 化学反应速率的大小比较
例2 对于可逆反应A(g)+3B(s)?2C(g)+2D(g),在不同条件下的化学反应速率如下,其中表示的反应速率最快的是( )
解析 本题可以采用归一法进行求解,可以通过方程式的计量数将不同物质的反应速率折算成同一物质的反应速率进行比较,B项中物质B是固体,不能表示反应速率;答案 D
点拨 由于同一化学反应速率用不同物质表示时数值可能不同,所以比较反应的快慢不能只看数值的大小,而要进行一定的转化:①看单位是否统一,若不统一,换算成相同的单位;②看是否同一物质的速率,若不是,换算成同一物质表示的速率。
考点三 影响化学反应速率的因素
例3 100 mL 6 mol·L-1的硫酸溶液跟过量锌粉反应,在一定温度下,为了减缓反应进行的速率,但又不影响生成氢气的总量,可向反应物中加入适量的( )
A.碳酸钠(固体) B.水
C.醋酸钾(固体) D.硫酸氢钠溶液
解析 在一定温度下,降低在溶液中反应的反应速率,应该考虑到降低反应物浓度的方法。该反应的实质是:因此,应设法降低,但A项因发生:二氧化碳逸去而使氢气总量减少,故不可取;B项加水稀释,可使减少,但不影响产生氢气总量,故可采用;C项生成难电离的醋酸,可使减小,也不影响产生氢气总量,故可采用。
答案 BC
例4 一定温度下,反应在密闭容器中进行,下列措施不改变化学反应速率的是( )
A.缩小体积使压强增大
B.恒容,充入N2
C.恒容,充入He
D.恒压,充入He
解析 A项,气体的物质的量不变,仅缩小体积,气体的浓度必然增大,反应速率必然增大;B项,容积不变,充入N2,使反应物N2的浓度增大,浓度越大,反应速率越大;C项,容积不变,充入He,虽然反应容器内压强增大,但反应物N2、O2、NO的浓度并没有变化,因此不影响反应速率;D项,压强不变,充入He,反应容器的体积必然增大,压强虽然没变,但N2、O2、NO的浓度减小,反应速率减小。
答案 C
点拨 气体反应体系中充入惰性气体(不参与反应)时,对反应速率的影响:(1)恒容:充入“惰性气体”总压强增大物质浓度不变(活化分子浓度不变),反应速率不变。(2)恒压:充入“惰性气体”体积增大物质浓度减小(活化分子浓度减小)反应速率减小。
考点四 控制变量法探究影响化学反应速率的因素
例5 某同学在用稀硫酸与锌制取氢气的实验中,发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率。请回答下列问题:
(1)上述实验中发生反应的化学方程式有 。
(2)硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是 。
(3)实验室中现有四种溶液,可与上述实验中溶液起相似作用的是 。
(4)要加快上述实验中气体产生的速率,还可采取的措施有 (答两种)。
(5)为了进一步研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响,该同学设计了如下一系列的实验。将表中所给的混合溶液分别加入到6个盛有过量Zn粒的反应瓶中,收集产生的气体,记录获得相同体积的气体所需时间。
③该同学最后得出的结论为当加入少量CuSO4溶液时,生成氢气的速率会大大提高,但当加入的CuSO4溶液超过一定量时,生成氢气的速率反而会下降。请分析氢气生成速率下降的主要原因 。
解析 (1)在稀硫酸中加入硫酸铜后发生了两个反应:CuSO4+Zn=ZnSO4+Cu、Zn+H2SO4=ZnSO4+H2。(2)由于Zn与反应生成的Cu及硫酸铜溶液组成了Cu-Zn微电池,大大加快了生成氢气的反应速率。(3)只要是比锌的活泼性差的金属都可以与锌组成原电池,都可以加快生成氢气的反应速率,故在所给的物质中只有Ag2SO4符合题意。(4)要加快生成氢气的反应速率,还可以采取如下措施:升高温度、适当增大硫酸的浓度、增加锌粒的表面积等。(5)因为要研究硫酸铜的量对反应速率的影响,故应保持硫酸的浓度在各组实验中相同,则硫酸溶液的体积均取30 mL,根据F中增加的水与硫酸铜溶液的体积之和为20 mL,可以求得V6=10 mL,V8=19.5 mL,V9=17.5 mL,V10=15 mL。当溶液中析出少量的铜时,因不能形成铜的晶体,故铜显示的颜色是灰黑色,E中析出较多的铜,则显示了铜晶体的颜色:暗红色。由于析出的铜的量较多,会覆盖在锌的表面,使得锌与稀硫酸接触面积大大减小,故反应速率反而减慢了。
点拨 影响化学反应速率的因素有多种,在探究相关规律时,需要控制其他条件不变,只改变某一个条件,探究这一条件对反应速率的影响。解答此类题时,要认真审题,清楚实验目的,弄清要探究的外界条件有哪些;然后分析题给图表,确定一个变化的量,弄清在其他几个量不变的情况下,这个变化量对实验结果的影响,进而总结出规律;然后再确定另一个变量,重新进行相关分析。在分析相关数据时,要注意题给数剧的有效性。
3. 一定温度下,在2 L的密闭容器中,X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如下图所示。下列描述正确的是( )
建构主义理论认为,情境是意义建构的基本条件.因此,建构主义非常强调学习的情境性,强调把所学的知识与一定的任务挂起钩来,提倡在教学中使用真实性任务,让学生通过一定的合作来解决情境性问题,以此建构起能灵活迁移应用的知识经验.实验是学习化学的最好的老师,任何问题都没有实验来得更有说服力.每次进教室的时候,如果我带了实验仪器进教室,学生就非常好奇,学习的兴致非常快的被调动起来,若这节课按着我以前的思路来上课的话,起码要到离下课还有10分钟的时候再来做.这时学生早已对实验失去了兴趣,这就是心理学上的超限效应.因此,在设计这节课的时候,我一定要让学生自己动手,让他们能亲身体会.如何使他们的学习情趣调动到最大化,我试着让学生先做实验,先从定性角度体会影响化学反应速率的因素.我分别设计了5组实验:1.比较碳酸钠和碳酸氢钠和同浓度的盐酸反应的快慢;2.比较Na2S2O3分别和不同浓度的稀H2SO4反应的快慢(以产生黄色沉淀的先后顺序来判断);3.比较同浓度的Na2S2O3和同浓度的稀H2SO4在不同温度下分反应快慢;4.比较块状与粉末状的CaCO3和同浓度的盐酸反应的快慢;5.比较H2O2在MnO2有无的条件下反应的快慢.通过这5个实验学生立刻就得出结论:影响反应速率的本质原因是物质本身的性质,同时还清楚了外界条件是如何影响化学反应速率的.并能自己举出一些生活实例.只有亲身体验,才会印象深刻,才会有主动发现问题和寻找原因的学习能力.反思学生实验是以大组为单位,共分5组,每组只做一个实验,相比演示实验,这在一定程度上不仅可以节省时间,还可以很好得营造活跃的课堂氛围.由实验学生认识到了化学反应速率的快慢受到外界条件的干扰,在学习的同时,他们又开始探索如何来表示某一个化学反应速率,能否从具体的数值上来判断反应的快慢.于是,我就进行我的第二步教学内容
二、以概念为基础,充分发挥学生的学习能力
首先,我让学生回忆物理学上有关速率的概念及表达方式,然后,以PPT方式投影化学反应速率的概念,让学生自主完成化学反应速率的表达式,根据学生的书写,最终确定正确的表达式,同时学生也认识到这是一个平均速率.反思这种方式可以让学习能力薄弱的同学也一同参与,且有成功的喜悦.相比教师直接转述更有利于学生的自主学习,在教学中时时刻刻让学生参与到教学活动中,使其掌握良好的学习方式,为其终身学习打下基础.
三、以练习为突破,充分调动学生的归纳和拓展能力
在教学过程中,如何能很好得调动学生,让学生的心、手、脑一起动起来,可以有很多种方式,在这一知识点的处理上,我采用多练习,通过练习使学生得到了锻炼,还能高质、高效的完成化学反应速率的推导公式和计算方法.例1在某一化学反应里,反应物A的浓度在10s内从4.0mol/L变成1.0mol/L,在这10s内A的化学反应速率为.该例题巩固学习化学反应速率的计算表达式.例2向2L容器中充入0.7molSO2和0.4molO2,5s末测得剩余SO2是0.3mol,则v(SO2)=.该例题在表达式的基础上进行了变形,通过计算,学生自行得出了化学反应速率的推导公式.并且由该题得出不同物质表示同一反应速率的数值关系,以及引起该关系的原因.例3反应A(g)+3B(g)=2C(g)+2D(g)在四种不同条件下的反应速率为:A.v(A)=0.3mol/(L·s)B.v(B)=0.6mol/(L·s)C.v(C)=1.0mol/(L·min)D.v(D)=0.45mol/(L·s)则该反应速率的快慢顺序为.这例题会有一大半的学生进入陷阱,我引导学生回忆例2中的结论,最后由学生自己总结归纳在数值上如何比较化学反应速率的快慢.当然,在这个过程中,我一直会提示学生,在这种暗示下,学生学习的归纳能力得到了提高,并能举一反三,自己学会了并理解了知识点.反思以这种练习的方式引导学生自己归纳出相应的知识点,虽然在时间上花去了比较多,但对学生而言,他们在学习过程中有一种求知的欲望,这种欲望被点燃了,并能很好的解决,学生便能得到满足感,我觉得也很值得.
四、将知识赋予生活生产,提高学生分析问题的能力
(1)在E1键入v,在E2键入“=D:D/A:A”,则E列表示反应速率,按住右下角的十字架拖动到E6,自动算出各反应速率。
(2)在F1键入lg[S2O8-],在F2键入“=”,点击“插入函数”,选择类别“数学与三角函数”,再选择“LOG10”函数,在“number”中输入“B:B”,按Enter键,则F列表示(NH4)2S2O8浓度的对数,按住右下角的十字架拖动到F6,自动算出各过硫酸铵浓度的对数。
(3)在G1键入lg[I-],按照上述方法在G2插入“LOG10”函数,在“number”中输入“C:C”,按Enter键,则G列表示碘化钾浓度的对数,按住右下角的十字架拖动到G6,自动算出各碘化钾浓度的对数。
(4)在H1键入lgv,按照上述方法在H2插入“LOG10”函数,在number中输入“E:E”,按Enter键,则H列表示反应速率的对数。按住右下角的十字架拖动到H6,自动算出各反应速率的对数。
(5)选择F2-F4,按住Ctrl键,选择H2-H4,点击“插入”,“图表”,选择“散点图”,选择“平滑线散点图”,在图中的直线上点击右键,选择“添加趋势线”,选择“直线”,选择“公式”和“显示R的平方”,得到图1。图1显示直线方程y=1.0083x-3.4734,R=0.9996,该直线的斜率是1.0083,可求出m≈1,与文献结果一致。
(6)选择G4-G6,按住Ctrl键,选择H4-H6,点击“插入”,“图表”,选择“散点图”,选择“平滑线散点图”,在图中的直线上点击右键,选择“添加趋势线”,选择“直线”,选择“公式”和“显示R的平方”,得到图2。图2显示直线方程y=0.9999x-3.4807,R=0.9999,该直线的斜率是0.9999,可求出n≈1,与文献结果一致。
(7)在I1键入k,在I2键入“=E:E(/B:B*C:C)”,按住右下角的十字架拖动到I6,自动算出反应的速率常数。
2考察温度对化学反应速率的影响,求出反应的活化能
固定反应物的浓度和组成,通过在室温(285K),室温+10℃(295K),室温+20℃(300K)3个不同温度下测出反应时间,求出不同温度下反应的速率常数k,根据Arrhenius公式,反应速率常数k与反应温度T的关系为lgk=A-Ea/2.303RT,以lgk~1/T作图,即可求出反应的活化能。利用Excel软件可以快速准确地求出活化能。具体操作:
2.1键入数据
(1)在J1键入T,在J7-J9键入285,295,305,J列表示反应温度(K)。
(2)在A7-A9键入124.8,63.4,30.6,表示反应时间。
(3)在B7-B9键入0.04,表示过硫酸铵的初始浓度。
(4)在C7-C9键入0.08,表示碘化钾的初始浓度。
2.2处理数据,求出反应的活化能
(1)将E列的右下角的十字架按住,拖出E7-E9,自动算出反应速率。
(2)将I列的右下角的十字架按住,拖出I7-I9,自动算出反应速率常数。
(3)在K1键入1/T,在K7键入“=1/J:J”,则K列表示反应温度的倒数,按住右下角的十字架,拖出K7-K9,自动算出反应温度的倒数。
(4)在L1键入lgk,在L6键入“=LOG10(I:I)”,M列表示反应速率常数的对数,按住右下角的十字架,拖出L7-L9,自动算出反应速率常数的对数。
(5)选择K7-K9以及L7-L9,点击“插入”,“图表”,选择“散点图”,选择“平滑线散点图”,在图中的直线上点击右键,选择“添加趋势线”,选择“直线”,选择“公式”和“显示显示R的平方”,得到图3。图3显示直线方程为y=-2679.1x+6.9977,R=0.9986,直线的斜率为-Ea/2.303R,R为气体常数8.314J•(K•mol)-1,由此求出反应的活化能为51.3kJ•mol-1,活化能的文献值为51.9kJ•mol-1,实验误差为(文献值-实验值)/实验值×100%=1.2%,不超过±5%,符合实验要求。从表1看出,当KI浓度不变时,(NH4)2S2O8的浓度增加一倍或二倍,反应速率相应增加约1倍或2倍,即反应速率与反应物(NH4)2S2O8的浓度成正比,因此m=l;当(NH4)2S2O8的浓度不变,KI浓度的增加一倍或二倍,反应速率相应增加约一倍或二倍,,即反应速率与反应物KI的浓度成正比,因此,n=1;与作图得到的结果一致。还可看出,温度每升高10K,反应速率常数增加约两倍,符合范特霍夫经验规律。
3结论
知识目标
使学生建立化学平衡的观点;理解化学平衡的特征;理解浓度、压强和温度等条件对化学平衡的影响;理解平衡移动的原理。
能力目标
培养学生对知识的理解能力,通过对变化规律本质的认识,培养学生分析、推理、归纳、/Article/Index.asp''''>总结的能力。
情感目标
培养学生实事求是的科学态度及从微观到宏观,从现象到本质的科学的研究方法。
教学建议
“影响化学平衡的条件”教材分析
本节教材在本章中起承上启下的作用。在影响化学反应速率的条件和化学平衡等知识的基础上进行本节的教学,系统性较好,有利于启发学生思考,便于学生接受。
本节重点:浓度、压强和温度对化学平衡的影响。难点:平衡移动原理的应用。
因浓度、温度等外界条件对化学反应速率的影响等内容,不仅在知识上为本节的教学奠定了基础,而且其探讨问题的思路和方法,也可迁移用来指导学生进行本书的学习。所以本节教材在前言中就明确指出,当浓度、温度等外界条件改变时,化学平衡就会发生移动。同时指出,研究化学平衡的目的,并不是为了保持平衡状态不变,而是为了利用外界条件的改变,使化学平衡向有利的方向移动,如向提高反应物转化率的方向移动,由此说明学习本节的实际意义。
教材重视由实验引入教学,通过对实验现象的观察和分析,引导学生得出增大反应物的浓度或减小生成物的浓度都可以使化学平衡向正反应方向移动的结论。反之,则化学平衡向逆反应方向移动。并在温度对化学平衡影响后通过对实验现象的分析,归纳出平衡移动原理。
压强对化学平衡的影响,教材中采用对合成氨反应实验数据的分析,引导学生得出压强对化学平衡移动的影响。
教材在充分肯定平衡移动原理的同时,也指出该原理的局限性,以教育学生在应用原理时,应注意原理的适用范围,对学生进行科学态度的熏陶和科学方法的训练。
“影响化学平衡的条件”教学建议
本节教学可从演示实验入手,采用边演示实验边讲解的方法,引导学生认真观察实验现象,启发学生充分讨论,由师生共同归纳出平衡移动原理。
新课的引入:
①复习上一节讲过的“化学平衡状态”的概念,强调化学平衡状态是建立在一定条件基础上的,当浓度、压强、温度等反应条件改变时,原平衡的反应混合物里各组分的浓度也会随着改变,从而达到新的平衡状态。
②给出“化学平衡的移动”概念,强调化学平衡的移动是可逆反应中旧平衡的破坏、新平衡的建立的过程,在这个过程中,反应混合物中各组分的浓度一直在变化着。
③指出学习和研究化学平衡的实际意义正是利用外界条件的改变,使旧的化学平衡破坏并建立新的较理想的化学平衡。
具体的教学建议如下:
1.重点讲解浓度对化学平衡的影响
(1)观察上一节教材中的表3-l,对比第1和第4组数据,让学生思考:可从中得出什么结论?
(2)从演示实验或学生实验入手,通过对实验现象的观察和分析,引导学生得出结论。这里应明确,溶液颜色的深浅变化,实质是浓度的增大与减小而造成的。
(3)引导学生运用浓度对化学反应速率的影响展开讨论,说明浓度的改变为什么会使化学平衡发生移动。讨论时,应研究一个具体的可逆反应。讨论后,应明确浓度的改变使正、逆反应速率不再相等,使化学平衡发生移动;增加某一反应物的浓度,会使反应混合物中各组分的浓度进行调整;新平衡建立时,生成物的浓度要较原平衡时增加,该反应物的浓度较刚增加时减小,但较原平衡时增加。
2.压强和温度对化学平衡的影响:应引导学生分析实验数据,并从中得出正确的结论。温度对化学平衡影响也是从实验入手。要引导学生通过观察实验现象,归纳出压强和温度的改变对化学平衡的影响。
3.勒夏特列原理的教学:在明确了浓度、压强、温度的改变对化学平衡的影响以后,可采用归纳法,突破对勒夏特列原理表述中“减弱这种改变”含义理解上的困难:
其他几个问题:
1.关于催化剂问题,应明确:①由于催化剂能同等程度增加正、逆反应速率,因此它对化学平衡的移动没有影响;②使用催化剂,能改变达到平衡所需要的时间。
2.关于化学平衡移动原理的应用范围和局限性,应明确:①平衡移动原理对所有的动态平衡都适用,为后面将要学习的电离平衡、水解平衡作铺垫;②平衡移动原理能用来判断平衡移动的方向,但不能用来判断建立新平衡所需要的时间。教育学生在应用原理时应注意原理的适用范围,对学生进行科学态度的熏陶和科学方法的训练。
3.对本节设置的讨论题,可在学生思考的基础上,提问学生回答,这是对本节教学内容较全面的复习和巩固。
4.对于本节编入的资料,可结合勒夏特列原理的教学,让学生当堂阅读,以了解勒夏特列的研究成果和对人类的贡献;可回顾第二节“工程师的设想”的讨论,明确:欲减少炼铁高炉气中CO的含量,这属于化学平衡的移动问题,而利用增加高炉高度以增加CO和铁矿石的接触时间的做法并未改变可逆反应的条件,因而是徒劳的。
化学平衡教材分析
本节教材分为两部分。第一部分为化学平衡的建立,这是本章教学的重点。第二部分为化学平衡常数,在最新的高中化学教学大纲(2002年版)中,该部分没有要求。
化学平衡观点的建立是很重要的,也具有一定的难度。教材注意精心设置知识台阶,采用图画和联想等方法,帮助学生建立化学平衡的观点。
教材以合成氨工业为例,指出在化学研究和化工生产中,只考虑化学反应速率是不够的,还需要考虑化学反应进行的程度,即化学平衡。建立化学平衡观点的关键,是帮助学生理解在一定条件下的可逆反应中,正、逆反应速率会趋于相等。教材以蔗糖溶解为例指出在饱和溶液中,当蔗糖溶解的速率与结晶速率相等时,处于溶解平衡状态,并进而以()的可逆反应为例,说明在上述可逆反应中,当正反应速率与逆反应速率相等时,就处于化学平衡状态。这样层层引导,通过图画等帮助学生联想,借以在一定程度上突破化学平衡状态建立的教学难点。
教材接着通过对19世纪后期,在英国曾出现的用建造高大高炉的方法来减少高炉气中含量的错误做法展开讨论。通过对该史实的讨论,使学生对化学平衡的建立和特征有更深刻的理解,培养学生分析实际问题的能力,并训练学生的科学方法。
化学平衡教学建议
教学中应注意精心设置知识台阶,充分利用教材的章图、本节内的图画等启发学生联想,借以建立化学平衡的观点。
教学可采取以下步骤:
1.以合成氨工业为例,引入新课,明确化学平衡研究的课题。
(1)复习提问,工业上合成氨的化学方程式
(2)明确合成氨的反应是一个可逆反应,并提问可逆反应的定义,强调“二同”——即正反应、逆反应在同一条件下,同时进行;强调可逆反应不能进行到底,所以对任一可逆反应来讲,都有一个化学反应进行的程度问题。
(3)由以上得出合成氨工业中要考虑的两个问题,一是化学反应速率问题,即如何在单位时间里提高合成氨的产量;一是如何使和尽可能多地转变为,即可逆反应进行的程度以及各种条件对反应进行程度的影响——化学平衡研究的问题。
2.从具体的化学反应入手,层层引导,建立化学平衡的观点。
如蔗糖饱和溶液中,蔗糖溶解的速率与结晶的速率相等时,处于溶解平衡状态。
又如,说明一定温度下,正、逆反应速率相等时,可逆反应就处于化学平衡状态,反应无论进行多长时间,反应混合物中各气体的浓度都不再发生变化。
通过向学生提出问题:达到化学平衡状态时有何特征?让学生讨论。最后得出:化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应里,正反应和逆反应的速率相等,反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态(此时化学反应进行到最大限度)。并指出某一化学平衡状态是在一定条件下建立的。
3.为进一步深刻理解化学平衡的建立和特征,可以书中的史实为例引导学生讨论分析。得出在一定条件下当达到化学平衡状态时,增加高炉高度只是增加了CO和铁矿石的接触时间,并没有改变化学平衡建立时的条件,所以平衡状态不变,即CO的浓度是相同的。关于CO浓度的变化是一个化学平衡移动的问题,将在下一节教学中主要讨论。从而使学生明白本节的讨论题的涵义。
教学设计示例
第一课时化学平衡的概念与计算
知识目标:掌握化学平衡的概念极其特点;掌握化学平衡的有关计算。
能力目标:培养学生分析、归纳,语言表达与综合计算能力。
情感目标:结合化学平衡是相对的、有条件的、动态的等特点对学生进行辩证唯物主义教育;培养学生严谨的学习态度和思维习惯。
教学过程设计
【复习提问】什么是可逆反应?在一定条件下2molSO2与1molO2反应能否得到2molSO3?
【引入】得不到2molSO3,能得到多少摩SO3?也就是说反应到底进行到什么程度?这就是化学平衡所研究的问题。
思考并作答:在相同条件下既能向正反应方向进行又能向逆反应方向进行的反应叫做可逆反应。SO2与O2的反应为可逆反应不能进行完全,因此得不到2molSO3。
提出反应程度的问题,引入化学平衡的概念。
结合所学过的速率、浓度知识有助于理解抽象的化学平衡的概念的实质。
【分析】在一定条件下,2molSO2与1molO2反应体系中各组分速率与浓度的变化并画图。
回忆,思考并作答。
【板书】一、化学平衡状态
1.定义:见课本P38页
【分析】引导学生从化学平衡研究的范围,达到平衡的原因与结果进行分析、归纳。
研究对象:可逆反应
平衡前提:温度、压强、浓度一定
原因:v正=v逆(同一种物质)
结果:各组成成分的质量分数保持不变。
准确掌握化学平衡的概念,弄清概念的内涵和外延。
【提问】化学平衡有什么特点?
【引导】引导学生讨论并和学生一起小结。
讨论并小结。
平衡特点:
等(正逆反应速率相等)
定(浓度与质量分数恒定)
动(动态平衡)
变(条件改变,平衡发生变化)
培养学生分析问题与解决问题的能力,并进行辩证唯物主义观点的教育。加深对平衡概念的理解。
讨论题:在一定温度下,反应达平衡的标志是()。
(A)混合气颜色不随时间的变化
(B)数值上v(NO2生成)=2v(N2O4消耗)
(C)单位时间内反应物减少的分子数等于生成物增加的分子数
(D)压强不随时间的变化而变化
(E)混合气的平均分子量不变
讨论结果:因为该反应如果达平衡,混合物体系中各组分的浓度与总物质的量均保持不变,即颜色不变,压强、平均分子量也不变。因此可作为达平衡的标志(A)、(D)、(E)。
加深对平衡概念的理解,培养学生分析问题和解决问题的能力。
【过渡】化学平衡状态代表了化学反应进行达到了最大程度,如何定量的表示化学反应进行的程度呢?
2.转化率:在一定条件下,可逆反应达化学平衡状态时,某一反应物消耗量占该反应物起始量的质量分数,叫该反应物的转化率。
公式:a=c/c始×100%
通过讨论明确由于反应可逆,达平衡时反应物的转化率小于100%。
通过掌握转化率的概念,公式进一步理解化学平衡的意义。
3.平衡的有关计算
(1)起始浓度,变化浓度,平衡浓度。
例1445℃时,将0.1molI2与0.02molH2通入2L密闭容器中,达平衡后有0.03molHI生成。求:①各物质的起始浓度与平衡浓度。
②平衡混合气中氢气的体积分数。
引导学生分析:
c始/mol/L0.010.050
c变/mol/Lxx2x
c平/mol/L0.015
0+2x=0.015mol/L
x=0.0075mol/L
平衡浓度:
c(I2)平=C(I2)始-C(I2)
=0.05mol/L-0.0075mol/L
=0.0425mol/L
c(H2)平=0.01-0.0075=0.0025mol/L
c(HI)平=c(HI)始+c(HI)
=0.015mol/L
w(H2)=0.0025/(0.05+0.01)
通过具体计算弄清起始浓度、变化浓度、平衡浓度三者之间的关系,掌握有关化学平衡的计算。
【小结】①起始浓度、变化浓度、平衡浓度三者的关系,只有变化浓度才与方程式前面的系数成比例。
②可逆反应中任一组分的平衡浓度不可能为0。
(2)转化率的有关计算
例202molCO与0.02×100%=4.2%mol水蒸气在2L密闭容器里加热至1200℃经2min达平衡,生成CO2和H2,已知V(CO)=0.003mol/(L·min),求平衡时各物质的浓度及CO的转化率。
c(CO)=V(CO)·t
=0.003mol/(L·min)×2min
=0.006mol/L
a=c/c(始)×100%
=0.006/0.01×100%
=60%
【小结】变化浓度是联系化学方程式,平衡浓度与起始浓度,转化率,化学反应速率的桥梁。因此,抓变化浓度是解题的关键。
(3)综合计算
例3一定条件下,在密闭容器内将N2和H2以体积比为1∶3混合,当反应达平衡时,混合气中氨占25%(体积比),若混合前有100molN2,求平衡后N2、H2、NH3的物质的量及N2的转化率。
思考分析:
方法一:
设反应消耗xmolN2
n(始)1003000
nx3x2x
n(平)100-x300-3x2x
(mol)
x=40mol
n(N2)平=100mol-xmol=100mol-40mol
=60mol
n(N2)平=300mol-3xmol=180mol
a=40/100×100%=40%
方法二:设有xmolN2反应
n
122
x2x2x
【小结】方法一是结合新学的起始量与平衡量之间的关系从每种物质入手来考虑,方法二是根据以前学过的差量从总效应列式,方法二有时更简单。
巩固转化率的概念并弄清转化率与变化浓度,速率化学方程式之间的关系。
通过一题多解将不同过程的差量计算与平衡计算联系起来加深对平衡的理解,加强对所学知识(如差量的计算,阿伏加德罗定律的计算)的运用,培养学生综合思维能力和计算能力。
强调重点,加强学法指导。
【课堂小结】今天我们重点学习了化学平衡的概念及有关计算,比较抽象,希望大家加强练习,以便熟练地掌握平衡的概念。
【随堂检测】1.对于一定温度下的密闭容器中,可逆反应达平衡的标志是()。
(A)压强不随时间的变化而变化
(B)混合气的平均分子量一定
(C)生成nmolH2同时生成2nmolHI
(D)v(H2)=v(I2)
2.合成氨生产中,进入塔内的氮气和氢气体积比为1∶3,p=1.52×107Pa(150atm),从合成塔出来的氨占平衡混合气体积的16%,求合成塔出来的气体的压强。
平衡时NH3的体积分数为:
n(平NH3)/n(平总)×100%
=n(平NH3)/(n始-n)
=2x/(400-2x)×100%
=25%
中图分类号:G633.8
文献标识码:B
1 “问题解决”,教学模式实施的背景
1.1对教学模式中“问题解决”的界定
“问题解决”是具有明确的目的,并有认知成分参与的一系列心理操作过程,可以理解为个人在面对问题之时,综合运用知识技能以期达到解决问题的思维活动历程。基于“问题解决”的教学就是把“知识问题化”,把本源的、固定的、共性的教材转化为学生变化的、个性的、创新的个性认知体系与认知能力,从而达到教学效果最优化。该模式强调以问题解决为核心,多种学习途径相整合。强调学习者之间的交流与合作,让学生围绕问题展开知识的构建过程。
1.2教学模式实施的必要性
“化学反应原理”集中了高中化学最难学、最重要的基本概念、理论。很多学生学起来非常吃力,有的学生因为跟不上进度而开始厌学。究其原因。主要是教师还按照原来教授元素化合物、有机化学等偏重记忆性内容时的教法去教,学生也还按照学习上述内容的学法去学。而这部分内容需要从本质上进行理解。需要深层次、高水平的思维。所以,不改变传统教学方式,不进行创造性地教学,难以扭转“教师教得辛苦、学生跟得费劲”的不良现状。
1.3教学模式实施的可行性
笔者所教学生为清华附中相对优秀的实验班,“问题解决”模式进行教与学,可以解放他们的思想,激发他们的潜能,使他们之间优势互补,达到教学效果的最优化。
2 “问题解决”教学模式的实践
2.1 精心设计“问题”。突破概念理论中的教学难点
在人教版化学选修4“化学反应速率和化学平衡”教学中。学生最容易出现的问题是:将“速率”与“平衡”混为一谈。缺乏对“速率”和“平衡”内在联系的理解。如何突破这个难点呢?笔者在“化学反应速率”教学时。就开始精心设计“问题”,为后面的“化学平衡”作铺垫。强化“速率”的影响因素时,有意识地举可逆反应作为例子。例如,针对一定条件下在某密闭容器中进行的合成氨的反应,笔者设计了3个问题:
①在容器体积固定前提下,通入N2,正反应速率如何变化?逆反应速率如何变化?
②将容器体积压缩为原来的一半,正、逆反应速率发生怎样变化?
③该反应焓变小于0,升高体系温度,正、逆反应速率发生怎样变化?
看似简单的3个问题,蕴含了较大的思维容量,尤其是对逆反应速率的分析。经过师生共同分析、讨论,最后达成共识: “正、逆反应速率要么同增、要么同减”。为后面“化学平衡”的学习打下良好的基础。学了影响“化学平衡”的外界条件后,笔者仍然以上述合成氨的可逆反应为例,通过下列4个问题引导学生绘制正:逆反应速率随着时间变化关系图(v-t图),让学生在画图的“慢”过程中去体会“反应速率”对“平衡移动”的影响。
①在其他条件不变时,通人N2,正、逆反应速率如何变化?平衡如何移动?
②在其他条件不变时,将容器体积压缩为原来的一半。正、逆反应速率如何变化?平衡如何移动?
③该反应焓变小于0,在其他条件不变时,升高体系温度,正、逆反应速率如何变化?平衡如何移动?
④在其他条件不变时,加入催化剂。正、逆反应速率如何变化?平衡如何移动?绘图的过程。是学生将“反应速率”的影响因素进行有效复习的过程,是整理自己思维,使自己对问题理解更加精确的过程。这个过程充满挑战,需要较长的时间。在经历了从“想当然”到“似是而非”再到逐渐清晰的体验后,学生终于认识到: “反应速率”改变是“化学平衡”移动的必要条件但不是充要条件,“平衡”移动实质上是正、逆反应“速率”改变程度不等导致的,改变后“速率”快的一方主导“平衡”移动的方向。问题的解决使学生对两者的关系豁然开朗。
2.2 鼓励学生提问。在“问题”解决中深化对概念理论的理解
爱因斯坦说过: “提出一个问题往往比解决一个问题更为重要”。鼓励学生质疑,可以激发每个学生强烈的问题意识,从根本上改变学生的学习方式,让学生真正成为学习的主人。图1是在实践中日趋完善的“学生提问流程图”。
第一步:学生提出问题。教师预先需要对学生进行必要的培训。提倡学生要尽量提有价值的问题。这就需要学生对所学知识进行深入的归纳整理。是课后学生进行反思的一个过程。
第二步:教师整理问题。整理问题过程,教师可以从学生不够成熟的问题中。洞悉他们的知识漏洞以及能力欠缺之处。为下一步更有针对性的“对症下药”提供依据。表1是“化学反应速率与化学平衡”中课后学生提出的部分“问题”。
从上述问题可以看出,学生不满足教材上现有的结论,不局限于教材给出的解释,而是“刨根问底”,直奔问题的“源头”。虽然表征问题的能力还有待提高,提出的问题有的还缺乏科学性,但是这种不迷信权威的学习品质非常可贵,令人欣喜。更重要的,他们的“问题”成了笔者不断提高的源动力。
第三步:课堂展示问题。课堂上教师用PPT展示经过整理的问题。对于来自民间的问题。学生非常感兴趣。遇到十分切中要害的问题,学生会争相询问提问的主人,面对同学们难以掩饰的欣赏,提问者也受到了极大的鼓励。同时,对于其他同学也是一种很好的激励。
第四步:共同解决问题。心理学理论认为。当人们面临疑问时,总是倾向于消除这种疑问,这就是解决问题的推动力。
学生提出问题的信心。来自于教师的肯定与鼓励。教师要创设民主、宽松的开放环境,让学生有话敢说,实话实说。如果学生的问题难倒了教师,笔者认为这正是教学成功的标志。许多发明创造难道不是突发奇想、钻牛角尖,然后经过去伪存真再深入研究而得出的吗?
2.3基于“问题”。以合作小组的形式让学生担当试卷讲评的主人
试卷讲评课是一种非常重要的课型,为了使讲评更有针对性,教师一般都会事先统计每道题的得分情况,综合分析学生出错率高的题目,以便充分掌握第一手资料对学生进行点评。这种做法给教师带来很大的工作量,如果每次测验都这样做,难免力不从心。即使是这样。也不能保证解决每个学生的问题。如果不统计就讲评。则只能凭借教师“经验”,针对性就更打折扣。
我校2009-2010学年第二学期高二化学期中考试绝大部分都是化学选修4“水溶液中的离子平衡”(电解质溶液)内容,考试结果显示:学生两极分化严重,既有144分的高分,又有部分学生没有达到及格(90分)水平。于是,笔者对试卷讲评课进行了改革,将讲评的权力下放给了学生。具体做法是:将全班同学四人一组分好合作小组。尽可能保证同组异质、异组同质。每个小组选出化学成绩最好、语言表达和组织能力最强的同学担任组长。组长负责组织组员进行试卷分析。为了便于学生操作。笔者提出具体要求:针对每道选择题。如果是选正确
选项,要对错误选项逐条找出错误原因;针对每道填空题,分析自己的答案与标准答案(预先给出)之间的差距,注意语言表达的准确性。对于小组成员出错的题目,首先要由本人讲出他(她)的做题思路,组长带领其他成员帮助他(她)指出其存在的思维障碍,然后共同讨论出正确答案。这些工作都完成后,组长带领组员对每道题所考查的知识点进行梳理、拓展,想想能否进行一题多变(发散)?多题一解(归纳)?领了任务的组长热情高涨,很快就把小组成员组织起来,讨论的氛围很快形成。为了保证每个小组的讲评质量以及使尽可能多的同学得到锻炼,笔者提出下节课要精选一些典型试题,在每个小组内随机点将,在全班范围内二次讲评,选手的最后得分就是小组得分。教师将对相关的知识点进行点评、迁移。引入了竞争机制后,每个小组都不敢怠慢,对每个问题都讨论得十分充分,小组内解决不了的问题主动要求与老师进行讨论。下次课进行二次讲评时,笔者请各组组长担任评委,对每个小组的当众讲评给出分数及理由。结果讲题的学生(笔者有意识地叫了考试没及格的学生)表现都非常出色,组长的评价结果也十分公平。在此基础上,教师针对学生讲题过程中存在的疑惑、问题作了引领、提升,整个过程如行云流水。轻松自然。
讲评课结束后,笔者对这种试卷讲评方法进行了调查采访,请学生从试卷讲评的针对性、知识覆盖面、问题解决程度、得到锻炼程度等方面谈谈自己对新、旧讲评方式的看法。表2列出了学生对传统试卷讲评模式与合作小组讲评模式的比较。
这样的试卷讲评虽然比教师“一言堂”占用课时,但是能讲深讲透。它能真正将学生作为学习主体,让他们交流和体验,使他们纠结心底之困在小组合作中消融,让他们分析、解决问题的能力在随后的教师点拨中得到提升。尤其是中考不及格的学生收获最大,他们认为这次试卷讲评的收获是有史以来最大的一次。
尝到了这次学生讲评试卷的甜头,以后笔者多次在习题课上采用学生合作小组方式,小组内部“地毯式”扫描每个“问题”,逐个问题、逐人落实,小组间二次讲评时再次将问题进行提炼、升华,学生能力得到较大提升。
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关键词:加成反应;实验探究;中学化学实验教学
文章编号:1005?6629(2014)3?0062?03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
化学新课程标准提出[1],要通过以化学实验为主的多种探究活动,使学生体验科学研究的过程,激发学习化学的兴趣,强化科学探究意识,促进学习方式的转变,在实践中培养学生的创新精神和实践能力。科学探究是一个创造性的系统生成过程,只有让学生真正参与到探究的实际过程中才能充分获得探究的体验。笔者在教学实践中感受到,通过一定程度的科学探究过程,可以点燃学生的创造激情,达到很好的教学效果。下面以人教版教材中两个重要的加成反应的探究教学为例,谈谈其中的做法与感受。
1 探究问题的生成与探究设计
1.1 问题生成
高中化学必修2和选修5介绍乙烯性质时,指出乙烯最重要的性质是加成反应,实验中乙烯可以使溴的四氯化碳溶液褪色,并利用这个性质检验乙烯。
笔者在这个看似平常的知识教学中,却遇到了新的问题。高二的几个学生提出疑问,溴溶液中以溴水最为常见,为什么教材中要用溴的四氯化碳溶液检验乙烯呢?用溴水进行乙烯的加成反应有什么问题吗?不同溶剂对乙烯的加成反应会有什么影响?在讨论没有结果之后笔者鼓励他们组成探究小组,用科学探究解决这一系列问题。
1.2 探究假设
针对提出的问题作出假设,我们的依据是:水是最重要的极性无机溶剂;而苯和四氯化碳是非极性有机溶剂,乙烯是非极性有机物,根据相似相溶规律,乙烯更易溶解于有机溶剂,因此我们假设在苯、四氯化碳中乙烯与溴的加成反应速率应该比在水中快得多,而且现象也更加明显。
1.3 探究方法
(1)通过阅读人教版高中化学2 [2]、选修5 [3]及其他资料,了解乙烯的性质和检验方法及在实验过程中应注意的问题,利用实验探究所提出的问题,并做好详细的实验记录。
(2)对实验现象及数据记录进行分析,再结合相关资料查阅,对假设进行验证,从而得出比较合理的结论。
2 探究过程
2.1 反应原理
(1)当以反应溶剂为变量时,苯和四氯化碳作反应溶剂差别只有几秒,差别不大,可以视为实验精度误差,因此在有机溶剂中乙烯加成反应速率是一样的;但与水中的反应时间相比,差别平均可达到近1分钟,这是不能用实验精度来解释的,可见溶剂极性对反应的影响最大。学生运用反应速率公式ν=Δc/Δt计算反应速率:
ν(极性)=Δc/Δt1,ν(非极性)=Δc/Δt2
在本实验中所有的Δc都是常数。两者的速率比值:
ν(极性)/ν(非极性)=(Δc/Δt1)/(Δc/Δt2)
=Δt2/Δt1≈75s/18s≈4.2(倍)
结论:乙烯与溴发生加成反应时,水溶剂中比苯、四氯化碳溶剂中加成反应速率快得多(约4倍多)。这与假设刚好相反,说明在水溶剂中乙烯加成反应速率比非极性溶剂中更快。
(2)当以乙烯纯度为实验变量时,可以看出未经净化的乙烯相应反应时间明显缩短,反应速率加快。学生认为这是由于没有用10%NaOH溶液除杂的气体中除含乙烯外,还有SO2等还原性气体,SO2也能使溴水褪色(反应是:Br2+SO2+2H2O=2HBr+H2SO4),所以通入没除杂的气体时,溴溶液褪色更快。
2.4 探究深化
可见,我们的假设:“在苯、四氯化碳中乙烯与溴的加成反应速率应该比水中快得多”是错误了。实验事实正好相反。通过查阅大学资料[4],介绍烯烃的亲电加成反应:把干燥的乙烯通入溴的无水CCl4溶液中(置于玻璃仪器中)不易发生反应,若置于涂有石蜡的玻璃容器中更难反应,但当加入一点水时,就发生反应使溴的颜色褪去,这说明溴与乙烯的加成反应是受极性物质如水、玻璃的影响,实际上就是乙烯双键受极性物质的诱导,使π电子云发生极化。所以乙烯与极性溶液溴水的加成反应比溴的苯、四氯化碳溶液快。
经过学生探究小组讨论,实验事实说明无光照射条件下,乙烯与溴反应需要极性条件,说明反应不是自由基型反应,而是离子型的反应。反应分步进行。总的反应机理可以简单地表示为:
①亲电加成:
3.4 分析及结论
可以看到,苯与四氯化碳作溶剂时溴的褪色时间很接近,而在水中的反应时间比苯和四氯化碳长约一分钟,说明乙炔与溴在水中的加成反应比在苯和四氯化碳中稍慢。这个细微的差别使学生感到很奇怪,这个结果与乙烯的探索结果完全相反!
3.5 意外收获
就在大家迷惑不解之时,正在继续进行实验操作的一名学生偶然走出教室,这天阳光特别明媚,就在这一瞬间,他发现自己手里的反应器中溴溶液的颜色已经褪去,此时探究小组宛然意识到:乙炔的加成反应对阳光敏感!于是转向对阳光影响的探究。接着又设计了“阳光照射”与“暗室”两组新的实验,经过反复的平行实验,取得数据平均值记录如表3:
结论:第(3)组数据与第(1)组接近,且无明显的规律性可循,说明乙烯与溴的加成反应几乎不受光线的影响,进一步证明乙烯加成反应与自由基无关。
5 对加成反应实验的新建议
(1)还是水溶液最好。用溴的水溶液进行实验,优点是操作更科学,溴水对环境更友好。用四氯化碳溶液进行实验,除了浪费更多操作时间,试剂挥发造成不可忽视的浪费和环境污染外,还要增加回收工序,是毫无必要的。
(2)操作方法要科学。最好用注射器做反应器。将注射器用橡皮管与乙烯或乙炔发生器的导管相连收集气体,再吸取几毫升溴水,立刻封闭,振荡、观察。可以看到溴水的红棕色很快褪去,同时注射器内壁出现一层油状生成物,现象十分明显,有利于激发学生的探究激情。
(3)外界条件要利用。记住乙炔与溴的加成实验在阳光直射下进行时效果最佳(乙烯不需要)。如果必须在室内进行,则应该靠近阳面窗户附近,以充分利用自然光加速反应,增强实验效果。同时使学生在更多的机会中直接体验多种外界条件对反应速率的影响,促进对化学反应微观过程的认识。
以上实践证明,有效的探究深化策略常常会使探究教学获得意外的效果,同时科学探究的系统深化也是当前科学课程的拓展性要求,对学生创造力的发展具有重要的作用。由于科学教育的探究性和过程性,决定了教学中必然随机生成大量的探究性问题。如何拓展并深化探究性问题,将探究教学引向充满创造性的新境界,是一种富有智慧的教学探索。
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)[S].北京:人民教育出版社,2003:2,7.
[2]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书?化学2(必修)[M].北京:人民教育出版社,2007:66~69.