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一、教学目标一、教学目标1. 认识物质的各种化学性质是有规律可循的,而这些规律是化学的精髓,需要下功夫学习 掌握。2. 了解本书的基本内容和学习方法,认识学习概念模型是学习和研究化学反应原理的基础。3. 初步了解“有效碰撞”、“活化分子与活化能”的概念模型,认识催化剂对于化学科学 研究和化工生产的巨大作用,为其后的学习打下基础。二、内容分析二、内容分析1. 地位和功能绪言作为全书的开篇,目的在于让学生从一开头就对本书的基本内容、学习方法有一 个初步的了解,并简要地介绍有效碰撞理论、活化分子与活化能的概念模型,以及催化剂 对于化学科学和化工生产的巨大作用,以起到提纲挈领、引起学生学习化学反应原理兴趣 的作用。在前面的学习中,学生已经知道了化学反应的发生是由于反应物分子之间发生激烈碰 撞,破坏化学键,使得各原子间的组合发生变化形成新的化学键,产生了新的分子,同时 也了解了化学键的断裂和形成与化学反应中能量变化的关系。本模块是以学生此前的化学 学习为基础,以学生对许多具体化学反应的知识积累为前提,为适应学生的学习心理发展 需求而设立的选修课程,旨在帮助学生进一步从理论上认识一些化学反应原理的基础知识 和研究问题的方法。教科书中介绍的简化后的有效碰撞模型和活化分子、活化能模型及催 化剂的重要作用,将为学生后面的学习打下重要基础。2. 内容结构绪言在内容上主要可分为两个部分:一是第一、第二自然段,简要地介绍本模块的基 本教学内容。教科书以大量事例说明,化学反应种类繁多,条件极其复杂,但都有规律可 循。而这些规律恰好是化学的精髓,是吸引人们学习、钻研化学科学的魅力所在。二是第 三、第四自然段,凸显研究问题的过程与方法,侧重介绍了简化后的有效碰撞模型的构建 思路,及活化分子、活化能等概念。培养学生自觉地用辩证的观点看待各种复杂的化学反 应,认识事物的存在具有多样性,物质的稳定具有相对性,而化学变化的复杂性和规律性 相辅相成。与此同时,还指出了学习化学反应原理的方法:(1)完成书中规定的实验、活动。(2)观察周围(包括大自然)发生的化学现象,思考或进行模拟实验。(3)认真学习概念模型,它是学习、研究化学反应原理的基础。值得注意的是,绪言在论证了有效碰撞模型的合理性之后,坦陈现有理论的缺憾: “到目前为止,人们还没有完全掌握计算或推测化学反应活化能的理论方法”。这种客观的科学态度不仅有利于学生对相关理论有一个客观的认识,更对培养学生的情感态度与价 值观会起到潜移默化的作用。同时也会激发学生将来进行更深入探究的意识。绪言的内容结构如下图所示:3. 内容特点绪言中概括地介绍了课程的主要内容和学习方法与思路,同时还简介了“有效碰撞理 论”和“活化分子与活化能”两个概念模型,对全书起着提纲挈领、画龙点睛的作用。三、课时分配建议三、课时分配建议建议用 1 课时。一、教学设计一、教学设计由于本课的理论性较强,概念较为抽象,学生接受相关知识有较大难度,所以绪言教 学采取以教师讲授与学生探究活动相结合的方法为宜。教学中对概念模型的表述应尽量简 化,对概念模型的认识还需要在后面的学习中逐渐深入,这里更多地是强调研究问题的方 法和意识。通过绪言的教学,应使学生在内容上对化学反应原理研究的范围有所了解,在 方法上对科学的研究方法概念模型法有所领悟。教学重点:了解化学反应原理的基本学习方法概念模型法。教学难点:“有效碰撞”和“活化分子与活化能”的概念模型。教学建议:根据绪言内容特点,本课可设计成下述教学模式:课前自学查阅资料课上交流讨 论师生共同研究。教师在课前布置学生自学,然后将学生分成若干个小组,要求他们通 过查阅资料、小组整理资料、先行讨论形成共识,再通过课堂上的汇报、讲解、交流和评 价,完成对本课内容的学习。新课引入首先教师指出,化学研究的核心问题是化学反应。化学中最有创造性的工作 是设计和创造新的分子。化学家们通常是利用已发现的原理来进行设计并实现这个过程, 如果对化学原理的理解不够清楚则无法做到。化学反应是怎样发生的?为什么有的反应快、 有的反应慢?它遵循怎样的规律?如何控制化学反应为人所用?这是我们学习化学反应原 理的宗旨。化学反应原理所包含的内容及学习化学反应原理的方法正是本书要探讨的问题。教学中的主要过程可以结合学生汇报交流自学与讨论的成果,围绕下列问题展开:1. 化学反应原理研究的内容可列举学生熟悉的化学反应进行分析。情景 1:说明:同样都与 H2反应,由于 O2、CuO 、N2的性质不同,反应的难易程度不同。物质 之间能否发生反应,是由物质本身的性质决定的,对于能够发生的化学反应,影响化学反 应速率的根本原因也是反应物本身的性质,我们称之为“内因”。情景 2:将 H2+O2混合,在室温条件下可以稳定存在数百年,但点燃后却会发生剧烈的 爆炸反应,而且只要配比相当,可以完全转化成生成物。说明:外界条件可以促使其反应发生。而且在一定的条件下,反应进行得比较“彻底” 。物质之间反应的“内因”已经具备,“外因”则是变化的条件。不同的外界条件都能够 改变化学反应的速率。情景 3:H2+N2即使在高温、高压、有催化剂的条件下反应,也不能完全转化成生成物。说明:该反应是有一定限度的。总结:化学反应速率、方向及限度正是“化学反应原理”要研究的问题。此时有必要 指出:在不同物质体系、不同的环境中,化学反应所遵循的规律是不同的,如在第三单元 将介绍水溶液中的离子反应;在第一单元和第四单元将分别介绍化学反应中物质与能量之 间的定量关系以及电化学的最基础知识等等,这些都是“化学反应原理”研究的范围。这 些基本原理与我们身边经常发生的化学现象密切相关,只要我们注意观察、研究,大自然 将成为无所不在的大课堂。2. 研究化学反应原理的思路与方法概念模型法。教科书介绍了合理简化的概念模型以及如何运用概念模型学习化学反应原理。对该段 内容的处理可分三步进行:(1)建立简化的有效碰撞模型的设想:为了突出化学反应最重要的内涵,忽略其他因 素的干扰作用,选择气相反应体系作为研究有效碰撞的基础模型。其优点是:气体分子运 动空间远大于自身体积所占有的空间,环境影响因素相对较少。该概念模型最重要的内涵 也更加突出,更容易掌握。如在水溶液中的反应,水是较大量的,研究水溶液中的化学反 应就不能忽略水分子的作用。(2)模型的基本构架模型的建构:在一洁净的容器中,使氢气与氧气按体积比 21 的比例混合,气体分子 因自由运动而不断发生碰撞(互相接触)这是发生化学反应的必要条件。假设与事实:研究结果表明,从分子的热运动来看,分子发生碰撞的机会很多。如在 常温常压下每个氢分子、氧分子自身或它们之间的碰撞几率为 2.3551010次/秒。假如每 次碰撞都能发生化学反应,则化学变化瞬间即可完成,但事实并非如此。立论:并不是每次分子间的碰撞都会引发化学反应,只有其中部分的气体分子碰撞是 有效的,即有效碰撞这是发生化学反应的充分条件。(3)活化分子和活化能对该模型的进一步认识可结合教科书上的图示(图 1)。具有足够能量(活化能)的 分子活化分子的碰撞是有效碰撞的必要条件,但不充分。只有当活化分子采取适合的 取向进行碰撞时才能反应。活化分子具有较高能量,能够发生有效碰撞的分子。活化能活化分子高出反应物分子平均能量部分教科书以活化能为 0 的反应从另一个侧面说明有效碰撞模型的合理性。进一步说明了 活化能的大小与化学反应速率的关系。结论:某一化学反应的速率大小与单位时间内有效碰撞次数有关;而有效碰撞次数的 多少与单位体积内反应物中活化分子的多少有关;活化分子的多少又与该反应的活化能的 大小有关。活化能的大小是由反应物分子的性质决定的,而反应物分子的性质又与分子的 内部结构密切相关,可以说,反应物分子的内部结构是决定化学反应速率的内因。那么, 对于一个特定反应,人类如何使用和控制,还需要研究外部条件对它的影响。这将在后面 的学习中继续讨论。最后教科书特别指出:化学反应的活化能可以用实验方法测定,当实验条件不同时, 会得出不同的结果,催化剂的应用就是实例之一。人们尚未掌握化学反应活化能的有效的 理论推算方法,这种留有缺憾的教学观点值得关注,既有利于学生客观地认识科学规律, 也有利于培养学生的科学精神。 关于催化剂,在化学 2 中已有介绍,这里着重说明催化剂的作用、意义,在第二章中进一 步从由于催化剂的参与改变了活化能,从而改变了反应速率来认识催化剂的作用。3. 模型研究的意义应该说学生根据自身的生活经验,对于简化后的有效碰撞模型接受起来并不难,由于 缺乏相关的知识,要达到真正领会该模型的要点是不现实的。这也是教科书采取最简化处 理方法的原因。为了便于学生理解模型研究的方法和意义,教师还可以利用学生已有的可 燃物燃烧条件的知识,建立下列模型:可燃物必须有氧气参与并达到着火点才能燃烧,产生新物质的同时有能量的释放;不 同的可燃物,其着火点不同;同样道理,反应物分子获得足够的能量(活化能)并具有合 理的取向才能发生有效碰撞,产生新物质并伴随有能量的变化。总结时教师强调:同其他科学研究一样,当我们研究某个问题的时候,需要提取本质 的内容而控制其他干扰因素来进行。概念模型是一种比较抽象的模型,需要有意识地忽略 事物的某些特征,抽象出关键的因素,使各因素之间的关系更清晰,更利于研究对象的把 握,以减少可能引起的偏差。概念模型法是科学认识史上重要的方法之一,学生们通过本 课的学习应获得一定的认识。二、活动建议二、活动建议建议课前以小组为单位活动,对下列内容进行查阅和讨论。活动设计 1:认识化学反应原理可供讨论的问题和教学设计意图如下:活动设计 2:简化后的有效碰撞模型、活化分子和活化能要求学生简要回答下列问题:活动设计 3:化学反应原理的重要领域关于催化剂的研究要求学生填写下表:1.1. 化学反应的活化能化学反应的活化能实验证明,只有发生碰撞的分子的能量等于或超过一定的能量 Ec(可称为临界能)时, 才可能发生有效碰撞。具有能量大于或等于 Ec的分子称为活化分子。在一定温度下,将具有一定能量的分子百分数对分子能量作图,如图 1 所示。从图中 可以看出,理论上来说,反应物分子的能量可以从 0 到,但是具有很低能量和很高能量 的分子都很少,具有平均能量 E 的分子相当多。这种具有不同能量的分子百分数和能量的 对应关系图,叫做一定温度下分子能量分布曲线图。图 1 等温下的分子能量分布曲线 图 1 中,E 表示分子的平均能量,Ec是活化分子具有的最低能量,能量等于或高于 Ec 的分子可能产生有效碰撞。活化分子具有的最低能量 Ec与分子的平均能量 E 之差叫活化能。不同的反应具有不同的活化能。反应的活化能越低,则在指定温度下活化分子数越多, 反应就越快。图 2 不同温度下分子能量分布曲线不同温度下分子能量分布是不同的。图 2 是不同温度下分子的能量分布示意图。当温 度升高时,气体分子的运动速度增大,不仅使气体分子在单位时间内碰撞的次数增加,更 重要的是由于气体分子能量增加,使活化分子百分数增大。图 2 中曲线 t1表示在 t1 温度 下的分子能量分布,曲线 t2表示在 t2温度下的分子能量分布(t2t1)。温度为 t1时活化分 子的多少可由面积 A1反映出来;温度为 t2时,活化分子的多少可由面积 A1+A2反映出来。 从图中可以看到,升高温度,可以使活化分子百分数增大,从而使反应速率增大。一个化学反应体系的活化能 Ea,通常是通过温度对反应速率常数的影响来测定的,其 关系式为阿累尼乌斯方程,即:2.2. 为什么活化分子的碰撞不一定都发生有效碰撞为什么活化分子的碰撞不一定都发生有效碰撞反应物分子之间发生有效碰撞,必须同时满足两个条件,一是反应物分子的能量必须 达到某一临界数值,二是反应物分子必须按一定的方向互相碰撞。前者是能量因素,后者 是空间因素。现以反应 NO2+CONO+CO2为例来说明。当 NO2和 CO 分子彼此靠近时,它们分子中的价电子云就互相影响,结果,分子
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