“化学反应的方向”教学设计与探索
2022-06-08
摘要：根据教学内容和学生的特点，“化学反应的方向”的教学定位为拓展性质、科普性质，设计了8条教学策略。只要有恰当的措施，例如通过学案提供适当的学习引导与指导、阅读材料和讨论练习题等，可以有效促使学生开展自主学习。附录了作者设计的学案概要。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：化学反应的方向；教学设计；学案
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0047?C03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
“化学反应的方向”是高中化学选修模块《化学反应原理》中比较难教难学的内容，即使在大学，这一内容的教学往往也不轻松。如何上好这节课？最近笔者对此作了一些思考和探索，现简述如下以就教于读者。
1 教学内容的特点与定位
从化学发展的全部历史来看，化学的基本问题是物质的组成、结构和反应。未来化学将重视研究物质组成、结构和性能的关系，研究物质转化的规律和控制手段，在此基础上实现物质的人工转化和合成，对生活、生命和生产中的化学过程实现按需调控[1]。学习“化学反应的方向”，有利于拓展学生的眼界，为他们了解化学反应的调控原理、了解现代化学及其特点打下基础，从而有利于未来公民将来的发展。而且，熵概念已经在社会科学领域广泛使用，适当地普及有关的知识是有必要的。学习本节还可以渗透科学方法教育：让学生初步接触、感受科学研究要重视条件和判断依据；体验人的科学认识是逐步发展、进化并且是有其核心的，不是简单的证实、证伪过程，为他们将来理解科学的发展模式提供生动的实例；以及感受建立适当的抽象概念是科学的重要方法等等。
本节教学内容的特点是：概念和生疏的名词术语多，“自发反应”、“化学反应的方向”、“判据”、“熵”、“熵变”、“焓判据”和“熵判据”以及“自由能”等，学生都是第一次接触，并且内容抽象，不易理解；学生有关化学反应方向及其判断的经验基础比较隐蔽、分散，难以“唤醒”；虽然学生已经学过焓变，但对其理解不深，可能对焓变的物理和化学意义，以及焓变值与反应热的符号相反仍然不太理解；对讨论焓变和熵变的前提条件也难理解，其方法论意义往往被教师和学生忽视。
根据教学内容和学生的特点，本节课宜定位为拓展性质、科普性质，重视联系实际，又适当注意中学教学特点，不能照搬大学教学的那一套。当初在制定课程标准时把熵变写进来，要求“能用焓变和熵变说明化学反应的方向”，本意也是做一些科普性质的渗透。是不是做到了面向全体学生、发挥学习集体作用、让学生有机会提出疑问，学生的兴趣如何、提出的问题多不多，学得轻松不轻松，是衡量本节课的过程标准和效果标准。
2 教学策略设计
根据上述分析，本节教学宜主要采用下列教学策略：
（1）以“通过实例体现判断反应方向的必要性→简介焓判据及其局限性→简介熵判据及其局限性→形成综合判断规则及其实际应用”为逻辑主线。
（2）由于学生对“熵”和“熵判据”概念理解得如何，对本节课的教学效果影响很大，把“熵”概念作为本节课的重点、难点和关键。
（3）以对焓变的理解作为对熵变理解的铺垫。
（4）通过通俗解释和类比举例，使学生了解抽象概念的物理和化学意义，通过简介“自由能”概念，促进对综合判断规则意义的理解。
（5）通过练习提供学习“支架”促进学生对熵变的理解、让学生初步学会判据的应用。通过学生的交流讨论，促进并及时了解学生的理解情况。
（6）注意介绍思想方法，用阅读材料弥补教科书不够通俗之不足。
（7）尽量由学生自主地阅读教科书和参考材料，避免由教师枯燥、乏味地讲述抽象的理论内容。
3 探索：能否让学生主动地学习
像这类学生很不熟悉的内容，包括笔者在内，过去多认为只能采用知识灌输的方法。能不能以学生为学习主体让他们主动地学习？现在看来，只要有恰当的措施，例如通过学案提供适当的学习引导与指导、阅读材料和讨论练习题等，还是有可能做到的。
也许有人会担心学案篇幅较大。笔者认为，如果能有助于学生理解和掌握，有一点篇幅是值得的。其实，篇幅问题的关键在教材的编写，教材编好了，学案的篇幅就可能缩小。从实际情况看，目前的几种教科书中，“化学反应的方向”篇幅长的有8页之多，短的为两三页，并且或多或少都有插图，尚有优化的空间。
下面附录笔者设计的学案供读者参考。
4 “化学反应的方向”学案（概要）
[导言]
要利用化学反应、使之更好地为人类服务，需要研究化学反应的方向、限度和快慢（速率）问题。本节讨论化学反应方向的判断，会涉及到一些抽象的、不熟悉的概念。为减小学习困难，建议您以下列材料配合对教科书的阅读和理解，然后通过练习加深和检验理解，学习时要注意跟同学和老师讨论、交流。
[阅读材料1]化学反应方向 自发反应判据
自然界中的物质千千万万，有些物质只要能满足一定条件就能够相互发生化学反应，有些物质相互之间却根本不能发生化学反应。弄清某些物质之间能不能发生化学反应，能使我们避免无谓地花费许多精力。例如，汽车尾气中的一氧化氮和一氧化碳对环境空气质量有很大的危害，能不能把一氧化氮中的氧转移给一氧化碳，使它们发生反应分别变成没有危害或者危害较小的氮气和二氧化碳？这对治理汽车污染很有意义！如果能，我们就可以集中精力寻找使它们发生反应的适宜条件；如果不能，就不必盲目地探索以避免徒劳无功。这样，判断它们能不能向生成氮气和二氧化碳的方向发生化学反应，就成了首先要解决的问题。
与此类似的问题通常称为化学反应方向的判断问题。要判断，就必须先确定判断的依据（判据），然后确定判断的规则。这一节主要就研究化学反应方向的判据及其使用规则。
实际上，许多化学反应在特定的条件下（例如恒温恒压，或者恒温恒容）是能够自动发生的（自发反应），对化学反应方向进行判断就是判断一个化学反应在特定条件下能不能向预期方向自发进行。 [阅读材料2]用焓作判据
化学反应方向的判据有哪些呢？通过物理学的学习我们已经知道，能量较低的物体比较稳定，物体能够自发地由高能量状态向低能量状态运动。你能举例吗？
[练习与思考、讨论]
1.举例说明：能量较低的物体比较稳定，物体能够自发地由高能量状态向低能量状态运动。
一些化学家由此想到，物质发生放热反应后，生成物的总能量比反应物的总能量低，即系统的能量降低，由恒压时化学反应吸收的热（即焓变）可以判断化学反应的方向。
ΔH<0，反应能自发进行
ΔH>0，反应不能自发进行
这个想法得到了不少事实证明，例如：
2H2（g）+O2（g）=2H2O（l），ΔH=-571.6 kJ?mol-1
2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s），ΔH=-822 kJ?mol-1
……
可是人们后来发现，一些吸热反应也能自发进行。例如：
2N2O5（g）=4NO2（g）+O2（g），ΔH=56.7 kJ?mol-1
（NH4）2CO3（s）=NH4HCO3（s）+NH3（g），ΔH=74.9 kJ?mol-1 NH4HCO3（s）+CH3COOH（aq）=CO2（g）+
CH3COONH4（aq）+H2O（l），ΔH=37.30 kJ?mol-1 CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g），ΔH（1200K）=37.30kJ?mol-1
……
看来，只用焓变制定的判断规则是有缺陷的，还有别的因素需要考虑，只能在特殊情况下使用，应该修正为：
在特定条件下，ΔH<0，反应能自发进行
ΔH>0，反应不能自发进行
[阅读材料3]熵也是一种判据
为了解释上述现象，德国化学家霍斯特曼（A. F. Horstmann，1842～1929）等人引用了熵（S）的概念。所谓熵（entropy）指热能（Q）除以温度（T）所得的热温商（Q/T）。通过物理学的学习我们已经知道，物体做机械功时要消耗能量同时也总要发热，熵实际上反映了由于物体发热导致少做的功的大小。物体发热是由于构成它的微粒无规则运动并相互碰撞的结果。对于由大量微粒构成的体系，熵实际上描述了体系的混乱度、无组织性和不确定性。在通常情况下，构成微粒的组织性、有序性越差，即混乱度越大，体系就越不容易改变、越稳定，其熵值就越大；反过来，构成微粒的组织性、有序性越强，即混乱度越小，体系就越容易改变、越不稳定，其熵值就越小。因此，熵可以用来描述体系状态，是描述体系状态的一种物理量。
[练习与思考、讨论]
2.根据混乱度推测下列变化过程的熵值变化（注意是在什么条件下发生的）：
（1）物质由气态变为液态、再由液态变为固态；
（2）物质溶解、扩散；
（3）物质发生分解；
（4）生成气体的化学反应；
（5）生成沉淀的化学反应；
（6）溶液发生结晶。
可见，不仅焓变会影响化学反应的方向，熵变也会影响化学反应的方向，它也是化学反应方向的一种判据。
[阅读材料4]综合判断规则 自由能
在化学反应中焓变和熵变是同时发生的，如果它们的影响相反，如何作出综合判断呢？1882年，德国化学家亥姆霍兹（H. L. F. vonHelmholtz，1821～1894）提出，就像热只能部分地转化为功那样，化学能在自由地转化为其他形式的能或功（“自由能”）的同时，总要有一部分（TΔS）以热的形式释放出来。综合焓变和熵变的影响，可以得到下列判断规则：
ΔH-TΔS<0，反应能自发进行
ΔH-TΔS=0，反应处于平衡状态
ΔH-TΔS>0，反应不能自发进行
科学实践证明，在恒温恒压情况下，这个判断规则适用于所有的化学反应和其他过程。
[练习与思考、讨论]
3.填表：
在一定温度和压强下，
5.思考、讨论：
（1）要判断化学反应的方向，需要综合焓变和熵变的影响。可是，有时只由焓变值或者熵变值也能做出正确的推测，为什么？什么情况下可以由焓变值做出推测？什么情况下可以由熵变值做出推测？
（2）有些反应在常温下不能自发进行，但在高温下就可以自发进行了。这类反应有什么特点？
6.已知反应2NO（g）+2CO（g）=N2（g）+2CO2（g）在298K、100kPa时的ΔH为-746.8 kJ?mol-1，ΔS为-197.5 kJ?mol-1，判断在常温下该反应能否自发进行。实际上，一氧化氮和一氧化碳在常温下几无反应，如何解释和解决？
参考文献：
[1]王佛松，王夔，陈新滋，彭旭明主编.展望21世纪的化学[M].北京：化学工业出版社，2000：132～134，139～146.
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关键词：化学反应的方向；教学设计；学案
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0047?C03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
“化学反应的方向”是高中化学选修模块《化学反应原理》中比较难教难学的内容，即使在大学，这一内容的教学往往也不轻松。如何上好这节课？最近笔者对此作了一些思考和探索，现简述如下以就教于读者。
1 教学内容的特点与定位
从化学发展的全部历史来看，化学的基本问题是物质的组成、结构和反应。未来化学将重视研究物质组成、结构和性能的关系，研究物质转化的规律和控制手段，在此基础上实现物质的人工转化和合成，对生活、生命和生产中的化学过程实现按需调控[1]。学习“化学反应的方向”，有利于拓展学生的眼界，为他们了解化学反应的调控原理、了解现代化学及其特点打下基础，从而有利于未来公民将来的发展。而且，熵概念已经在社会科学领域广泛使用，适当地普及有关的知识是有必要的。学习本节还可以渗透科学方法教育：让学生初步接触、感受科学研究要重视条件和判断依据；体验人的科学认识是逐步发展、进化并且是有其核心的，不是简单的证实、证伪过程，为他们将来理解科学的发展模式提供生动的实例；以及感受建立适当的抽象概念是科学的重要方法等等。
本节教学内容的特点是：概念和生疏的名词术语多，“自发反应”、“化学反应的方向”、“判据”、“熵”、“熵变”、“焓判据”和“熵判据”以及“自由能”等，学生都是第一次接触，并且内容抽象，不易理解；学生有关化学反应方向及其判断的经验基础比较隐蔽、分散，难以“唤醒”；虽然学生已经学过焓变，但对其理解不深，可能对焓变的物理和化学意义，以及焓变值与反应热的符号相反仍然不太理解；对讨论焓变和熵变的前提条件也难理解，其方法论意义往往被教师和学生忽视。
根据教学内容和学生的特点，本节课宜定位为拓展性质、科普性质，重视联系实际，又适当注意中学教学特点，不能照搬大学教学的那一套。当初在制定课程标准时把熵变写进来，要求“能用焓变和熵变说明化学反应的方向”，本意也是做一些科普性质的渗透。是不是做到了面向全体学生、发挥学习集体作用、让学生有机会提出疑问，学生的兴趣如何、提出的问题多不多，学得轻松不轻松，是衡量本节课的过程标准和效果标准。
2 教学策略设计
根据上述分析，本节教学宜主要采用下列教学策略：
（1）以“通过实例体现判断反应方向的必要性→简介焓判据及其局限性→简介熵判据及其局限性→形成综合判断规则及其实际应用”为逻辑主线。
（2）由于学生对“熵”和“熵判据”概念理解得如何，对本节课的教学效果影响很大，把“熵”概念作为本节课的重点、难点和关键。
（3）以对焓变的理解作为对熵变理解的铺垫。
（4）通过通俗解释和类比举例，使学生了解抽象概念的物理和化学意义，通过简介“自由能”概念，促进对综合判断规则意义的理解。
（5）通过练习提供学习“支架”促进学生对熵变的理解、让学生初步学会判据的应用。通过学生的交流讨论，促进并及时了解学生的理解情况。
（6）注意介绍思想方法，用阅读材料弥补教科书不够通俗之不足。
（7）尽量由学生自主地阅读教科书和参考材料，避免由教师枯燥、乏味地讲述抽象的理论内容。
3 探索：能否让学生主动地学习
像这类学生很不熟悉的内容，包括笔者在内，过去多认为只能采用知识灌输的方法。能不能以学生为学习主体让他们主动地学习？现在看来，只要有恰当的措施，例如通过学案提供适当的学习引导与指导、阅读材料和讨论练习题等，还是有可能做到的。
也许有人会担心学案篇幅较大。笔者认为，如果能有助于学生理解和掌握，有一点篇幅是值得的。其实，篇幅问题的关键在教材的编写，教材编好了，学案的篇幅就可能缩小。从实际情况看，目前的几种教科书中，“化学反应的方向”篇幅长的有8页之多，短的为两三页，并且或多或少都有插图，尚有优化的空间。
下面附录笔者设计的学案供读者参考。
4 “化学反应的方向”学案（概要）
[导言]
要利用化学反应、使之更好地为人类服务，需要研究化学反应的方向、限度和快慢（速率）问题。本节讨论化学反应方向的判断，会涉及到一些抽象的、不熟悉的概念。为减小学习困难，建议您以下列材料配合对教科书的阅读和理解，然后通过练习加深和检验理解，学习时要注意跟同学和老师讨论、交流。
[阅读材料1]化学反应方向 自发反应判据
自然界中的物质千千万万，有些物质只要能满足一定条件就能够相互发生化学反应，有些物质相互之间却根本不能发生化学反应。弄清某些物质之间能不能发生化学反应，能使我们避免无谓地花费许多精力。例如，汽车尾气中的一氧化氮和一氧化碳对环境空气质量有很大的危害，能不能把一氧化氮中的氧转移给一氧化碳，使它们发生反应分别变成没有危害或者危害较小的氮气和二氧化碳？这对治理汽车污染很有意义！如果能，我们就可以集中精力寻找使它们发生反应的适宜条件；如果不能，就不必盲目地探索以避免徒劳无功。这样，判断它们能不能向生成氮气和二氧化碳的方向发生化学反应，就成了首先要解决的问题。
与此类似的问题通常称为化学反应方向的判断问题。要判断，就必须先确定判断的依据（判据），然后确定判断的规则。这一节主要就研究化学反应方向的判据及其使用规则。
实际上，许多化学反应在特定的条件下（例如恒温恒压，或者恒温恒容）是能够自动发生的（自发反应），对化学反应方向进行判断就是判断一个化学反应在特定条件下能不能向预期方向自发进行。 [阅读材料2]用焓作判据
化学反应方向的判据有哪些呢？通过物理学的学习我们已经知道，能量较低的物体比较稳定，物体能够自发地由高能量状态向低能量状态运动。你能举例吗？
[练习与思考、讨论]
1.举例说明：能量较低的物体比较稳定，物体能够自发地由高能量状态向低能量状态运动。
一些化学家由此想到，物质发生放热反应后，生成物的总能量比反应物的总能量低，即系统的能量降低，由恒压时化学反应吸收的热（即焓变）可以判断化学反应的方向。
ΔH<0，反应能自发进行
ΔH>0，反应不能自发进行
这个想法得到了不少事实证明，例如：
2H2（g）+O2（g）=2H2O（l），ΔH=-571.6 kJ?mol-1
2Na（s）+Cl2（g）=2NaCl（s），ΔH=-822 kJ?mol-1
……
可是人们后来发现，一些吸热反应也能自发进行。例如：
2N2O5（g）=4NO2（g）+O2（g），ΔH=56.7 kJ?mol-1
（NH4）2CO3（s）=NH4HCO3（s）+NH3（g），ΔH=74.9 kJ?mol-1 NH4HCO3（s）+CH3COOH（aq）=CO2（g）+
CH3COONH4（aq）+H2O（l），ΔH=37.30 kJ?mol-1 CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g），ΔH（1200K）=37.30kJ?mol-1
……
看来，只用焓变制定的判断规则是有缺陷的，还有别的因素需要考虑，只能在特殊情况下使用，应该修正为：
在特定条件下，ΔH<0，反应能自发进行
ΔH>0，反应不能自发进行
[阅读材料3]熵也是一种判据
为了解释上述现象，德国化学家霍斯特曼（A. F. Horstmann，1842～1929）等人引用了熵（S）的概念。所谓熵（entropy）指热能（Q）除以温度（T）所得的热温商（Q/T）。通过物理学的学习我们已经知道，物体做机械功时要消耗能量同时也总要发热，熵实际上反映了由于物体发热导致少做的功的大小。物体发热是由于构成它的微粒无规则运动并相互碰撞的结果。对于由大量微粒构成的体系，熵实际上描述了体系的混乱度、无组织性和不确定性。在通常情况下，构成微粒的组织性、有序性越差，即混乱度越大，体系就越不容易改变、越稳定，其熵值就越大；反过来，构成微粒的组织性、有序性越强，即混乱度越小，体系就越容易改变、越不稳定，其熵值就越小。因此，熵可以用来描述体系状态，是描述体系状态的一种物理量。
[练习与思考、讨论]
2.根据混乱度推测下列变化过程的熵值变化（注意是在什么条件下发生的）：
（1）物质由气态变为液态、再由液态变为固态；
（2）物质溶解、扩散；
（3）物质发生分解；
（4）生成气体的化学反应；
（5）生成沉淀的化学反应；
（6）溶液发生结晶。
可见，不仅焓变会影响化学反应的方向，熵变也会影响化学反应的方向，它也是化学反应方向的一种判据。
[阅读材料4]综合判断规则 自由能
在化学反应中焓变和熵变是同时发生的，如果它们的影响相反，如何作出综合判断呢？1882年，德国化学家亥姆霍兹（H. L. F. vonHelmholtz，1821～1894）提出，就像热只能部分地转化为功那样，化学能在自由地转化为其他形式的能或功（“自由能”）的同时，总要有一部分（TΔS）以热的形式释放出来。综合焓变和熵变的影响，可以得到下列判断规则：
ΔH-TΔS<0，反应能自发进行
ΔH-TΔS=0，反应处于平衡状态
ΔH-TΔS>0，反应不能自发进行
科学实践证明，在恒温恒压情况下，这个判断规则适用于所有的化学反应和其他过程。
[练习与思考、讨论]
3.填表：
在一定温度和压强下，
5.思考、讨论：
（1）要判断化学反应的方向，需要综合焓变和熵变的影响。可是，有时只由焓变值或者熵变值也能做出正确的推测，为什么？什么情况下可以由焓变值做出推测？什么情况下可以由熵变值做出推测？
（2）有些反应在常温下不能自发进行，但在高温下就可以自发进行了。这类反应有什么特点？
6.已知反应2NO（g）+2CO（g）=N2（g）+2CO2（g）在298K、100kPa时的ΔH为-746.8 kJ?mol-1，ΔS为-197.5 kJ?mol-1，判断在常温下该反应能否自发进行。实际上，一氧化氮和一氧化碳在常温下几无反应，如何解释和解决？
参考文献：
[1]王佛松，王夔，陈新滋，彭旭明主编.展望21世纪的化学[M].北京：化学工业出版社，2000：132～134，139～146.