高中化学人教版（2019）必修第二册6.1.1 化学反应与热能 教案

化学反应与热能
一、教材分析
本节内容主要包括化学反应中的热能和电能。对于化学反应中的热能，教材除引出化学反应中的吸热、放热反应等热量变化现象和概念外，主要是借助化学反应中的热量变化揭示化学反应中能量变化的本质，并探讨其与社会、生产、生活的联系。其主要内容和思路如下一次展开：
①概念：吸热反应与放热反应；②微观解释：化学反应中能量变化的本质；
③宏观判断：吸热、放热反应与反应物、生成物能量的关系；④应用价值：化石能源的贡献与问题及相关应对措施。
热能作为化学反应中能量变化的例子，教材侧重揭示能量变化的本质，本节重点知识理论性强，微观分析多，较为抽象；知识内涵丰富，信息量大。
二、学情分析
本节的教学安排应特别注意以下几个方面。
1.从已有知识或生活经验引出新知识
利用实验或结合化学反应中热能研究与利用的历史，从学生已有的学科知识和生活经验引出并分析新知识，以降低学生对新知识的陌生感，减缓认知坡度。放热反应和吸热反应的概念是在实验事实的基础上引出的；对化学反应中能量变化本质的介绍，则利用了学生学过的氢气与氯气的反应及相关数据。利用生活生产实际的回顾和实验现象的观察和分析，在层层剥茧的过程中充分调动学生已有的化学和物理知识。
2.宏观与微观相互结合、印证
对于化学反应中的热量变化，以化学键重组的微观推理深化学生对反应中能量变化的理论认识；又以吸热、放热反应与反应物、生成物总能量变化关系的宏观分析使抽象理论具体化，便于学生在知识储备较少时，适当应用理论，对具体反应进行分析。
3.利用自主学习渠道，促进学生体验学科价值
对于体现学科价值的应用类内容，利用“思考与讨论”、“信息搜索”、“科学·技术·社会”、“资料卡片”、“探究”、“化学与职业”和“研究与实践”等栏目，配合正文中相关内容进行简略介绍，为实际教学中学生阅读、思考、讨论、搜索资源、探究、化学与职业、研究与实践等自主学习活动的组织和开展提供空间与途径，拓展学习内容。
化石能源的利用与面临的问题，着墨不多但内涵丰富。从化石能源在人类发展中的作用到社会发展与能源需求的关系，从化石能源储量到能源消费需求，再到其燃烧排放对环境的污染和开发清洁新能源，这些无一不与现代生活息息相关，均属社会热点问题，是体现学科价值与培养学科核心素养的教学素材。但这类内容的信息量很大，难以详述，相关问题只能点到为止。设计了“思考与讨论”“信息搜索”两个活动性栏目，以期通过教师引导下的学生自主学习活动的开展，使学生了解更多信息，体会相关问题的重要性以及化学在其中的作用。
三、教学目标
1.通过实验和已有知识、经验感受化学反应中的能量变化，知道常见的吸热反应和放热反应，树立物质变化中伴随能量变化的观念。
2.能从反应物与生成物所具有的能量、化学键的断裂与形成两个角度理解化学反应中能量变化的主要原因，提升证据推理能力。
3.通过多种聚道了解人类对化学反应中能量的利用情况，了解节能的意义和方法，感受化学学科的社会价值，培养科学态度与社会责任。
四、教学重点
化学反应中能量变化的本质。
五、教学难点
化学反应中能量变化的本质。
六、教学过程
［创设情境］野外食品自热。一起观看火箭军家的自热野战食品“盲盒装”。
［问题驱动］自热式食品靠什么途径发热而加热食品？
［学生］是靠食品专用发热包里的物质与水混合发生作用释放热量而实现。
［教师］是的，说明大家带着化学的眼光看视频。
［过渡］展示某自热火锅，说明书显示其自热食品发热包含有氧化钙、铝粉、碳酸钠、氢氧化钠等物质，使用方法也是加冷水后发热。
［追问］是什么物理变化过程放热？还是某些化学变化放热？
［学生］。碳酸钠、氢氧化钠溶于水放热。生石灰与水剧烈反应放出大量热，能使水沸腾。
［教师］是的。碳酸钠、氢氧化钠溶于水放热。生石灰与水反应属于四大基本反应中的化合反应，同学们要重视分类的意义，绝大多数化合反应就是放热反应。至于还有的其他化学反应（铝与氢氧化钠溶液反应、碳酸钠与氢氧化钙反应）热效应我们再进一步探究。
［过渡］再来看看生活中的“暖宝宝”发热取暖。观看视频——暖宝宝的发热原理是什么？
［教师］如大家所见，“暖宝宝”发热是靠某些物质与空气作用而发热。展示“暖宝宝”中的原材料。那么确切来说是什么原理呢？
［学生］“暖宝宝”含铁粉、蛭石、活性炭、水、盐等，接触空气后铁与氧气发生反应原理释放热量。
［教师］对的。利用的是铁与氧气之间的适当速率的氧化还原反应（持续保温），蛭石起到保温作用，至于活性炭、水、盐等的加入要等下一课时《化学反应与电能》学完后才知道作用。
任务一：源于生活——感知化学反应之能量变化
［过渡］我们这节课研究的就是化学反应中的能量变化。我们知道化石燃料燃烧会释放大量的热，生活中也有上述的一些放热反应，那接下来请同学们完成书本实验6-1，看是否也有热效应？
［学生活动］合作完成实验6-1，通过观察温度计指示温度的升高、触摸试管壁感觉发热可知，镁条与盐酸反应释放热量，为放热反应。
［教师］金属钠与水反应置换氢气也是放热反应，你是怎么判断的？
［学生活动］观察到钠融化。
［教师］是的。还可以借助热成像摄像机观察。请同学们完成书本实验6-2。
［学生活动］合作完成实验6-2，通过观察烧杯底部与木片被结冰的水粘接、触摸烧杯壁感觉发凉可知，八水合氢氧化钡与氯化铵晶体反应吸收热量，为吸热反应。
［教师］十水合碳酸钠与氯化铵晶体反应也为吸热反应。请同学们试着写出这两个化学方程式。
［学生活动］书写化学方程式。
［过渡］从现在开始，我们研究认识或利用化学反应多了一个新角度——能量变化，释放热量的化学反应我放热反应，吸收热量的反应为吸热反应。而实现化学能与其他形式的能的途径是——化学反应。
［小结］常见的放热反应有燃烧、金属置换氢气、大多数化合。
［问题驱动］中和反应热效应呢？
［学生］再一次用热成像技术来判定中和反应的热效应知其为放热反应。
［小结］另外吸热反应有：“碱”结晶水合物与铵盐晶体、盐酸与碳酸氢钠、灼热的炭与二氧化碳或水蒸气及大多数分解等。总之，化学反应，能量伴随。
［教师］化学反应实现了化学能与其他形式的能量的转化，通常为热能。那么，生活中还有什么其他形式的能量呢？举例说明。
［学生］除了热能（维持体温），还有机械能（内燃机工作、体力）、光能（蜡烛燃烧）和电能（电池）等。
引导学生根据已有知识、经验，通过生活生产实际和实验感知化学反应中的能量变化。新增一个认识化学反应的角度——化学反应中的能量变化，知道常见的吸热反应和放热反应，树立物质变化中伴随能量变化的观念。
任务二：宏微结合——探解化学反应热效应之因
［过渡］化学反应中为什么会有能量变化？为什么有的反应放热有的反应吸热？
［小组讨论］小组讨论，汇报交流，相互评价。微观探析，从反应的本质入手——化学反应前后化学键的变化，把化学反应分解为两个过程——旧键的断裂（吸热过程）与新键的形成（放热过程），通过综合这两个过程的热效应，就可知反应的热效应。
［教师］化学键重组是影响化学反应热效应的主因，用图示法如右图表示。
［过渡］除了微观角度，也可以宏观上从物质的总能量变化角度分析。
［小组讨论］小组讨论，汇报交流，相互评价。物质都具有能量。可从成物具有的总能量与反应物具有的总能量相对大小比较，也可从体系一环境的能量交换方式考虑。如下图所示。
［小结］微观上是从过程出发——旧化学键断裂与新化学键形成，把被分解出的每一过程的热效应累加得到总的热效应；宏观上从结果出发——及反应前物质总能量与反应后物质总能量的不同分析综合考虑。两种方法殊途同归——热效应为E1-E2=E4-E3。断键所需能量越大，能量越低，物质越稳定。如右图所示。
［过渡］但化学变化过程常伴随有物理变化，故物理变化的热效应也应考虑在内。
［问题与讨论］都有什么物理变化也伴随能量的变化呢？
［学生］物质溶解、物质三态变化等。
［追问］哪些物理变化过程是放热过程？哪些物理变化过程是吸热过程？
［学生］溶解放热：浓硫酸、氢氧化钠等，溶解吸热：铵盐等；汽化、熔化吸热等。　
［教师］如右图所示，一定条件下，碘蒸气与氢气反应为放热反应，固体碘与氢气反应为吸热反应。
［小结］总之，化学反应热效应之因——于化学键，于己状态。
设计意图：宏观与微观相互结合、印证。能从反应物与生成物所具有的能量、化学键的断裂与形成两个角度理解化学反应中能量变化的主要原因，提升证据推理能力。对于化学反应中的热量变化，以化学键重组的微观推理深化学生对反应中能量变化的理论认识；又以吸热、放热反应与反应物、生成物总能量变化关系的宏观分析使抽象理论具体化，便于学生在知识储备较少时，适当应用理论，对具体反应进行分析。
任务三：开源节流——合理开发利用能源促发展
［过渡］化学变化物理变化都伴随能量变化。有关能量大家知多少？
［学生］无处不在的能量——化石燃料（煤、石油、天然气）、水电、核能、可再生能源（风能、太阳能、地热、生物质、垃圾发电）和生物燃料（燃料乙醇与生物柴油），能量可发生转移（形式不变，如热量传递），不同形式能量之间也可相互转化，且遵循能量守恒定律。
［过渡］地球上最基本的能源是什么？地球上最重要的能量转化过程是什么？［学生］地球上最基本的能源是太阳能（核反应）。地球上最重要的能量转化过程是光合作用（化学反应）。
［教师］通过《2020世界能源年鉴》全球能源消费数据可知，目前全球的主要能源就是化石燃料。目前最主流能源是什么？
［学生］目前最主流能源是化石燃料。
［教师］人们利用化学反应中的热能始于火的发现。不管是早期的树枝杂草还是现在的化石能源，人类获取热能的主要途径都是通过物质的燃烧。
［学生活动］通过国家统计局查得的近10年我国能源消耗与能源储量数据以及我国的能源结构，我国目前面临的有关能源的问题有二：主要能源化石燃料储量有限，不可再生；煤的占比过大，大气污染的主要来源。
［过渡］诺贝尔奖获得者smalley预言：未来50年10大问题问题之首是能源问题。
［讲授］解决这些问题需要化学家及工作者坚持不懈的努力，需要努力掌握化学知识，吸引更多人对化学研究感兴趣，愿意解决我们人来面临的重要问题，为人类和社会发展做出贡献。
［过渡］为了改善人类的生存环境，促进社会可持续发展，节能减排和寻找新能源成为了人类的必然选择。请阅读教材，再回答问题——如何充分有效得利用能源？
［小组讨论］节能不是简单地减少能源的使用，更重要的是要充分有效地利用能源。一是燃料燃烧阶段提高燃料燃烧效率，如①去除水分灰分、清理积碳，②燃料与空气有足够大的接触面积、调节空燃比，③改进锅炉，改进助燃剂、燃料电池，④煤的气化和液化等；二是能量利用阶段提高能源利用率，如①节能灯，②工厂余热与城市供暖联产，③改进内燃机、电动机，④回收生物燃料、铝制品等。
［追问］还有什么措施可以直接减少能源的消耗？
［学生］降低反应温度也是很有效的，如①使用催化剂，②采用热还原剂，③使用其他助剂，④细菌冶金等。
［讲授］是的。催化剂的研究成为热点，它在提升化学反应速率和反应温度（降低活化能）方面是最有效的。中科院大连化物所开发出“温和”的“节能减排”合成氨过程，又如还是大连化物所利用石墨烯实现甲烷室温直接催化转化。
［过渡］为了引出减排意义，分析以下化学方程式及有关数据，说明煤的充分燃烧对于节能减排的意义。
［学生活动］从反应热效应分析充分燃烧可节约资源，从反应的产物的环境友好性分析充分燃烧对减排的意义——较少CO排放。
［过渡］那么，还有什么减排措施？
［小组讨论］燃煤烟气脱硫、净化汽车尾气、用二氧化碳制取全降解塑料、将化石燃料转化为洁净燃料、不直接燃烧煤、植物秸秆等措施都可以减少粉尘、SO2、NOx、CO（不完全燃烧）等排放。
［追问］除此以外，寻找新能源（资源丰富、可再生、无污染）也是越来越迫切的问题。能否举例说明什么样的新能源人们正在努力开发或者前景很好？
［小组讨论］①太阳能——地球上最基本的能源（来自核聚变）：向较稳定的能量形式转换，如热能、电能、化学能和生物质能（生物体中能量转化效率比工业过程高效得多，如人工树叶 ）等；②氢能——水将是未来的煤炭：光（热）分解催化剂、蓝绿藻作用，储存、运输；③生物质能：热化学转换、生物化学转换；④风能、地热能、水能、核能、海洋能（潮汐、波浪、海流、温差、盐差）及可燃冰。
［教师］我们应看到自己的努力，在2018年全球45%的可再生能源增长来自我国。在2019年，全球可再生资源发电首次超过核能发电，尽管最大的比重还是火电和水电。需要说明的是，传统能源、新能源也好，都有物理量表征其放热能力——热值或者标准燃烧热。这在以后选修教材进一步学习。总之，开源节流，和谐发展。
［练习］冷敷袋（冰袋），具降温、保鲜、镇痛之作用。利用什么工作原理可以实现？
［小组讨论］吸热化学变化、吸热物理变化（三态变化、溶解等）；（安全、便捷角度考虑）
［教师］根据所给物质判断对应原理及比较优劣。冰液化，硝酸铵加水溶解，“碱”结晶水合物与铵盐晶体。
［小组讨论］从过程的热效应分析工作原理，从使用的便捷性、安全性方面比较优劣。
［问题思考］碳酸钠与碳酸氢钠与盐酸的反应是分步进行的，能根据图示找出每一步的热效应与总热效应关系吗？
［学生活动］小组讨论：从反具有加和性。
［教师］是的。每一步化学反应不就是断键热效应与成键热效应的加和吗？带有物理变化的化学反应不就是物理变化热效应与化学变化过程的热效应加和吗？
此外，我们知道能量转化或转移都有方向性，也证明珍惜能源、珍惜生命、珍惜当下意义。爱因斯坦发现了质能方程——质量和能量转化，证明化学反应关注的物质变化（总质量不变）与能量变化（体系与环境的总能量不变）缺一不可，和谐统一。哲学上的静与动，也有隐含有能量的作用。
设计意图：通过多种聚道了解人类对化学反应中能量的利用情况，了解节能的意义和方法，感受化学学科的社会价值，培养科学态度与社会责任。化石能源的利用与面临的问题，着墨不多但内涵丰富。从化石能源在人类发展中的作用到社会发展与能源需求的关系，从化石能源储量到能源消费需求，再到其燃烧排放对环境的污染和开发清洁新能源，这些无一不与现代生活息息相关，均属社会热点问题，是体现学科价值与培养学科核心素养的教学素材。
七、板书设计
化学反应与热能
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