单元教学设计7 化学热力学-高中化学单元教学设计

>> 116 单元教学设计 7  化学热力学  ★ 一、单元教学主题确定 化学是以实验为基础的学科，在研究化学反应时，主要考查化学反应进行的方 向、化学反应速率、反应的限度，也就是化学热力学和化学动力学问题。普通高中 化学课程中“化学反应的方向、限度”主题就是化学热力学的领域。化学热力学是 物理化学和热力学的一个分支学科，化学热力学核心理论阐述了：能量是守恒的， 各种形式的能量可以相互转化；事物总是自发地趋向于平衡状态；处于平衡态的物 质系统可以用几个可观测量描述。化学热力学研究了在化学变化中所伴随着的能量 变化，从而对化学反应的方向和进行程度做出准确的判断，在彰显学科思维、弘扬 学科价值和展现学科魅力等方面具有独特的优势。因此人教版教材化学热力学模块 主要体现在化学反应的方向、化学平衡、化学反应的调控，这一部分的内容是高中 阶段的重点以及难点，因此采用单元整体教学使各部分内容更具有整体性、进阶性。 为发展学生的学科素养，化学热力学内容的主要设计思想是以“CO2 和 H2 合成 甲醇”这一情景线引入，通过可逆反应的平衡移动以及改变条件对“CO2 和 H2 合成 甲醇”工艺进行调控等视角，由简入难，循序渐进，将“宏观辨识与微观探析”“变 化观念与平衡思想”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”这 4 个学科核 心素养着重彰显，帮助学生从化学平衡角度对化学反应进行再认识，进而形成守恒 观、平衡观、变化观。本单元的主题如图 7-1 所示。 　单元教学设计 7  化学热力学　 117 << 图 7-1  化学热力学主题观念  ★ 二、单元教学内容分析 （一）在教材中的地位和作用 化学平衡、化学反应的方向、化学反应的调控内容在人教版必修第二册第六章 “化学反应与能量变化”、选择性必修 1 第二章“化学反应速率与化学平衡”，在必 修阶段初步介绍了化学反应中的能量变化、化学反应的限度，认识了在化学反应中 除了物质变化同时还伴随能量变化，有些反应是可逆的，不能进行到底，构建变化 观念与平衡思想，是继续学习选择性必修知识的基础。 化学平衡和化学反应的方向在教材中起着承上启下的作用，承接已经学习过的 化学反应与能量、元素的性质、物质结构，在此基础上继续学习的，有助于帮助学 生从理论层面解释元素的性质；水溶液中的离子平衡与化学平衡紧密相关，是化学 平衡知识的延伸、拓展。这部分内容是高中阶段的重点及难点，教材以合成氨为例， 结合合成氨反应中有关物质的浓度随时间变化示意图定性地引出化学平衡状态— 正、逆反应速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变。除了可以定性判断可 逆反应是否达到化学平衡状态外，还可以通过平衡常数进行定量判断。在论述影响 化学平衡的因素时，通过 FeCl3 与 KSCN 的反应探究浓度对化学平衡的影响、NO2 和 N2O4 的反应探究压强、温度对化学平衡的影响，通过实验探究活动，引导学生对实 验现象进行观察和分析，总结归纳得出勒夏特列原理，定性地解决外界条件改变对 化学平衡的影响。同时，教材引导学生从定量的角度—浓度商 Q 与平衡常数 K 的 大小关系，判断化学平衡移动的方向，从而使学生构建起对化学平衡定性、定量两 个维度认识的框架。化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究 >> 118 　高中化学单元教学设计　 中具有重要的指导作用，教材以工业成功合成氨为例，按照“原理分析—数据分析— 结合实际”的脉络对化学平衡的知识进行应用，遵循知识的逻辑关系。“科学·技 术·社会”栏目“实验室研究与工业化生产”，结合史实揭示了实验室研究开发与工 业生产的联系，还介绍了我国在合成氨工艺中的新工艺、新突破、新思路，培养了 学生的科学态度与社会责任。 （二）在教学中的地位和作用 “化学反应的方向、限度和速率”既是高中化学课程的核心主干内容，也是高考 重点考查内容，其理论性强、概念多且抽象、公式多且推导复杂烦琐；为落实课程 标准“以真实情境为测试载体”的命题原则，这部分内容往往以体现学科前沿成果的 “学术探索情境”或者工业生产过程中的“生产环保情境”为依托，试题特点导致这 类试题在考试中对学生的挑战较大。“化学平衡”在教材中起到了承上启下的作用， 在不同阶段不同章节会或多或少运用到，其他内容的考查往往也会渗透平衡的思想， 学生熟练掌握这部分内容可以很好地提升化学学科思维以及综合学科能力。在教学 过程中，教师需要加强各知识之间的联系，对各部分内容进行整合，根据 SOLO 分 类理论划分出明确的学习进阶水平，在夯实核心内容以及基本概念的基础上解决典 型实例，让学生领会如何运用已有知识分析解答各种实际问题，并应用于接下来水 溶液中的离子反应与平衡的学习中。SOLO 分类理论如图 7-2 所示。 图 7-2　SOLO 分类理论 　单元教学设计 7  化学热力学　 119 <<  ★ 三、单元教学学情分析 （一）学生已有知识和能力 学生在必修模块学习了可逆反应、化学平衡状态，知道有些化学反应是不能完 全进行的，知道浓度、温度、压强对化学平衡有影响，对可逆反应、正反应速率、 逆反应速率等概念有了一定认识；在选择性必修模块能书写平衡常数表达式，并能 够进行平衡常数、转化率的简单计算，能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反 应是否达到化学平衡及化学平衡移动的方向，能运用浓度、压强、温度对化学平衡 的影响规律，推测化学平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化。目前学 生已初步具备使用定性和定量两个角度分析化学平衡的能力，认知水平呈现螺旋式 发展。在化学学科的思维方式、学习研究方法上也有较大提升，如数学方法（化学 平衡常数的计算）、归纳方法（化学平衡移动）、演绎方法（化学平衡移动原理的普 适性）等思维能力。 （二）学生学习障碍点 本单元涉及的基本概念较多，比较抽象，内容相对较深，学习要求较高，同时 化学计算较多，是教学难度较大的一部分。学生存在的学习困难：化学平衡是动态 平衡的理解较为抽象；利用图形、图像、图表分析平衡移动的原理难度较大；理解 熵变和复合判据存在困难。 化学热力学原理往往融合在真实的工业生产或实验情境中，化学反应所处体系 较为复杂，需要学生选择合适的反应切入，分清主次，厘清反应条件对化学平衡建 立或化学平衡移动的影响。化学反应原理理论与计算相融合，多样的数据给予形式 也为学生甄别信息、分析原理带来了困扰，很多学生难以从复杂反应体系、多样条 件中抽提出学科问题，难以将学科知识灵活运用于解决具体问题的真实情境中。 （三）学生学习发展点 基于化学热力学视角，以化学平衡、化学反应的方向为核心概念，统摄本单元 教学，发展学生认识反应的视角和思路，将学生零散的知识点、思维障碍点进行整 合，延长学生的思维路径，从定性和定量两个角度，构建“改变条件的途径→化学 >> 120 　高中化学单元教学设计　 平衡移动方向→平衡移动结果”的思维模型。通过化学平衡状态的判定、化学平衡 移动原理的应用，诊断并发展学生探究化学概念的思维水平和认识思路结构化水平。 通过平衡常数、平衡转化率等物理量的计算，诊断并发展学生的问题解决能力（简 单实际问题、综合实际问题）和化学价值认识水平（学科价值、社会价值）。通过反 应方向和限度的分析，诊断并发展学生对化学反应认识角度（单角度、多角度）和 对化学反应的探究水平（定性、定量、定性与定量相结合）。  ★ 四、本单元的概念层级 第 7 单元的概念层级如图 7-3 所示。 图 7-3　第 7 单元的概念层级  ★ 五、单元教学目标设计 第 7 单元的教学目标设计如表 7-1 所示。 　单元教学设计 7  化学热力学　 121 << 表7-1　第7单元的教学目标设计 单元教学目标 课  时 课时教学目标 1. 结合生产生活实际问题情境，通过 反应选择、反应条件的调控等具体问题 的解决，使学生认识可逆反应、化学平 衡、化学平衡常数、焓变、熵变、吉布 斯自由能变、自发反应等学科概念 2. 通过查阅文献、设计方案、实验探 究、数据分析和证据推理，使学生运用 化学方法解决真实问题，促进学生学习 方式发生转变，使学生能归纳、总结调 控化学反应的一般思路和方法，构建化 学平衡的思维模型并能运用模型解决实 际问题 3. 体会化学平衡理论在指导工业生产 中的重要意义，培养环保节能意识和社 会责任感 1 了解可逆反应的含义，知道可逆反应在一定条 件下能达到化学平衡，认识化学反应是有限度的， 了解平衡状态的判定方法。了解浓度、压强、温 度对化学平衡状态的影响。理解勒夏特列原理， 能依据原理分析平衡移动方向 1 化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道 化学平衡常数的含义，能书写化学平衡常数表达 式并进行简单计算 ；能利用浓度商和化学平衡常 数的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动 的方向，提升从定量的角度分析化学反应的能力 1 认识化学反应是有方向的，知道化学反应的方 向与反应的焓变和熵变有关，能运用复合判据判 断反应进行方向。查阅工业生产条件优化的依据， 讨论合成氨反应条件的选择。认识化学平衡的综 合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用  ★ 六、单元教学评价目标设计 1. 通过探讨可逆反应、化学平衡状态、化学平衡常数、熵变、焓变、吉布 斯自由能变的概念，诊断并发展学生探究化学概念的思维水平（基于经验、基 于概念理解）。 2. 通过化学反应速率解释化学平衡的建立过程，探讨化学平衡状态的微观 表征，诊断并发展学生对化学平衡建立的认识思路结构化水平（视角水平、内 涵水平）。 3. 由反应方向和程度的分析，诊断并发展学生对化学反应的认识角度（单 角度、多角度）和对化学反应的探究水平（定性水平、定量水平）。 4. 结合生产实例，通过平衡常数、平衡转化率的计算和反应条件的优化， 诊断并发展学生的问题解决能力（简单化学问题、简单实际问题、综合实际问题） 和化学价值认识水平（学科价值视角、社会价值视角）。 >> 122 　高中化学单元教学设计　  ★ 七、单元整体教学框架 第 7 单元的整体教学框架如图 7-4 所示。 CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) n(CO2)∶n(H2)= 1∶3 CO2 H2 FeCl3 KSCN NO2 N2O4 v t v t 图 7-4　第 7 单元的整体教学框架 　单元教学设计 7  化学热力学　 123 <<  ★ 八、单元整体教学流程 （一）第 1课时：基于变化与平衡思想学习化学平衡 【板块一】可逆反应与化学平衡状态。 【教学情境】变废为宝—利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇。 事实呈现：CO2(g)+3H2(g)  CH3OH(g)+H2O(g)，按 n(CO2) ：n(H2)=1 ∶ 3 投 料，发现 CO2、H2 一直存在于体系中，且最终浓度保持恒定。 联系实际：为什么打开汽水瓶时，会有气泡冒出？ 【任务 1】认识可逆反应以及化学平衡建立过程，并用图像形式表示出对应的 v-t 图像。 思考：铅蓄电池充放电过程是不是可逆反应？ 【学生活动】引导学生分析、比较、归纳可逆反应的概念、特点与表示方法。 概念：在相同条件下，既能正向进行，同时又能逆向进行的反应。 特点：两同（相同条件，正、逆反应同时进行）一不能（不能完全转化）。 表示方法：在化学方程式中用“  ”表示。 【任务 2】明确判断化学平衡的方法。 【学生活动】小组交流、汇报，根据 v-t 图像观察得到平衡状态的微观本质特征： v 正 =v 逆≠ 0 ；结合浓度不再变化，得到平衡状态的宏观表现：各组分含量保持不变。 具体描述如下： 判断方法—“正、逆相等，变量不变”： （1）“正、逆相等”：反应速率必须一个是正反应的速率，一个是逆反应的速率， 且经过换算后同一种物质的减少速率和生成速率相等。 （2）“变量不变”：如果一个量是随反应进行而改变的，当不变时为平衡状态； 一个随反应的进行一直保持不变的量，不能作为平衡状态的判断依据。 提醒：①用不同物质表示的反应速率之比等于化学计量数之比，不一定是平衡 状态，因为不论是否达到平衡，该关系一定存在。 ②各物质的物质的量之比等于方程式的化学计量数之比，不一定是平衡状态， 因为此条件并不能说明各组分的物质的量不再变化。 >> 124 　高中化学单元教学设计　 【归纳汇总】 化学平衡的状态判断总结如表 7-2 所示。 表7-2　化学平衡状态的判断 判断因素 mA(g)+nB(g)   pC(g)+qD(g) 是否平衡 混合物体系中 各成分的含量 ①各物质的物质的量或物质的量浓度一定 平衡 ②各物质的质量或质量分数一定 平衡 ③各气体的体积或体积分数一定 平衡 ④总体积、总压强、总物质的量一定 不一定平衡 压强 ① m+n ≠ p+q 时，总压强一定（其他条件一定） 平衡 ② m+n=p+q 时，总压强一定（其他条件一定） 不一定平衡 混合气体的 平均相对分子 质量（M r） ①M r一定，当 m+n ≠ p+q 时 平衡 ②M r一定，m+n=p+q 时 不一定平衡 温度 其他条件一定时，体系温度一定 平衡 密度（ρ） 体系的密度一定 不一定平衡 其他 如体系颜色不再变化（当气体均无色时除外） 平衡 【设计意图】问题引导式进行，引导学生分析、比较、归纳，完善概念，发展学 生对概念的理解和认识。 【板块二】影响化学平衡的因素。 【教学情境】教材演示实验：探究浓度、压强、温度对化学平衡的影响。 【任务 3】根据实验现象，判断反应的移动方向，归纳总结条件改变平衡移动的 特点，掌握勒夏特列原理，并画出相应过程的 v-t 图像。 【学生活动】从定性角度判断平衡移动方向（表 7-3），归纳总结勒夏特列原理。 　单元教学设计 7  化学热力学　 125 << 表7-3  化学平衡的移动 改变的条件（其他条件不变） 化学平衡移动方向 浓度 增大反应物浓度或减小生成物浓度 正向移动 减小反应物浓度或增大生成物浓度 逆向移动 压强（对有气体 参与的反应） 反应前后气体 分子数改变 增大压强 向气体分子总数减小的方向移动 减小压强 向气体分子总数增加的方向移动 反应前后气体 分子数不变 增大压强 平衡不移动 减小压强 平衡不移动 温度 升高温度 向吸热反应方向移动 降低温度 向放热反应方向移动 催化剂 同等程度改变正反应和逆反应速率，平衡不移动 【设计意图】通过实验探究温度、浓度、压强对化学平衡的影响，提高实验探究 的能力，培养设计实验方案，分析、处理数据的能力，增强科学探究意识。 【板块三】学以致用，解决实际问题。 【教学情境】 （1）在科研人员调试反应条件的过程中，监测到了除甲醇之外的物质，为 什么？ （2）主反应：CO2(g)+3H2(g)   CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-48.97 kJ/mol 副反应：CO2(g)+H2(g)   CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.17 kJ/mol 从化学平衡移动的角度考虑如何提高甲醇产率？ （3）证据推理—结合实验参数分析选择条件。 资料卡片 1 ：反应物的投料比对反应的影响如表 7-4 所示。 表7-4　反应物的投料比对化学反应的影响 n(H2) ∶ n(CO2) 2 ∶ 1 3 ∶ 1 5 ∶ 1 7 ∶ 1 CO2 转化率 /% 11.63 13.68 15.93 18.71 CH3OH 产率 /% 3.04 4.12 5.26 6.93 注：反应条件为温度 553 K，总压 2 MPa，催化剂为 CuO-ZnO-Al2O3。 资料卡片 2 ：压强与温度对甲醇产率的影响，分别如图 7-5、图 7-6 所示。 >> 126 　高中化学单元教学设计　 P Ф T Ф 图 7-5　压强对甲醇产率的影响 P Ф T Ф 图 7-6　温度对甲醇产率的影响 【任务 4】运用浓度、温度、压强对化学平衡的影响规律，推测化学平衡移动方 向，讨论化学反应条件的选择。 【学生活动】小组交流讨论，结合浓度、温度、压强对平衡移动、速率的影响， 综合考虑化学反应动力学、热力学，选择最适宜的反应温度。 【任务 5】思考为什么甲醇产率随温度呈现先增加后减小的趋势。 【学生活动】小组交流讨论，得出正确结论：温度升高，甲醇产率增大；温度升 高，速率加快；温度继续升高，甲醇产率反而下降；主反应逆向移动，促进副反应 进行；催化剂活性降低。 【设计意图】提供真实物料数据，引导学生关联相关知识，并分析和计算数据， 有效打破思维定式，建立“开放体系”的思考模型，为工业条件的选择提供思考的 起点。 （二）第2课时：基于定量分析思想学习化学平衡 【板块一】化学平衡常数的表达式。 【教学情境】变废为宝：利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇。 　单元教学设计 7  化学热力学　 127 << 事实呈现：CO2(g)+3H2(g)   CH3OH(g)+H2O(g)，反应达到最大限度时，如何 定量表征？ 【任务 1】平衡常数（K）能定量表征化学反应限度。 请书写 CO2(g)+3H2(g)   CH3OH(g)+H2O(g) 的平衡常数表达式。 变式：观察以下反应体系，书写反应的平衡常数（Kc）表达式。 ① 3Fe(s)+4H2O(g)   Fe3O4(s)+4H2(g) ② NH2COONH4(s)   2NH3(g)+CO2(g) ③ Cr2O72-(aq)+H2O(l)   2CrO42-(aq)+2H+(aq) ④ CH3COOH(l)+CH3CH2OH(l)   CH3COOCH2CH3(l)+H2O(l) ⑤ FeCl3(aq)+3KSCN(aq)   Fe(SCN)3(aq)+3KCl(aq) ⑥ CH4(g)+H2O(g)   CO(g)+3H2(g) 方法提炼：书写平衡常数（Kc）表达式时需注意哪些问题？ 生产生活中，除了用平衡状态时生成物和反应物的浓度幂之积之比表示平衡常 数之外，还有其他方法表示平衡常数，如用各组分分压等，请根据以下要求书写平 衡常数表达式。 （1）列出上述①②⑥反应的分压平衡常数（Kp）表达式（用平衡分压代替平衡 浓度计算）。 （2）列出上述①②⑥反应的物质的量分数平衡常数（Kx）表达式［对于反应 mA(g)+nB(g)  pC(g)+qD(g)，K =x x × x x × x m n p q( ( C D A B ) ) ( ( ) )，x 为物质的量分数］。 （3） 列 出 上 述 ① ② ⑥ 反 应 的 标 准 平 衡 常 数（KΘ） 表 达 式（ 已 知： 分 压 = 总 压 × 该 组 分 物 质 的 量 分 数， 对 于 反 应 dD(g)+eE(g) ⇌ gG(g)+hH(g)， K =Θ                   p p p p p p p G Θ Θ D E Θ Θ g d e × ×       pH h ，其中 pΘ=100 kPa，pG、pH、pD、pE 为各组分的平衡分压）。 方法提炼：书写不同形式平衡常数表达式时需注意哪些问题？ 【学生活动】书写反应的平衡常数，思考书写时的注意事项，并关注体系的特殊 性对平衡常数表达式形式带来的影响。 【任务 2】平衡转化率（α）也可以定量表征化学反应达到的最大限度。 例 1　油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢，需要回收处 >> 128 　高中化学单元教学设计　 理并加以利用。 在 1 470K、100kPa 反应条件下，将 n(H2S) ∶ n(Ar)=1 ∶ 4 的混合气进行 H2S 热 分解反应：2H2S(g)  S2(g)+2H2(g)。平衡时混合气中 H2S 与 H2 的分压相等，H2S 平衡转化率为 。 思考：平衡常数与平衡转化率均可以定量表征化学反应的最大限度，二者有什 么关系？ 【学生活动】通过题给信息，列出三段式，获得解题途径，体会平衡常数和平衡 转化率计算方法的差异。 【设计意图】直入主题，让学生感受平衡常数的考查方式。借助不同类别的平衡 常数表达式的书写，发展学生对化学平衡常数概念的理解，提炼书写平衡常数表达 式的关键，落实符号表征。 【板块二】平衡常数的计算。 【任务 3】提炼不同体系中平衡常数计算的方法。 （1）单一体系： 例 2　将 FeSO4 置入抽空的刚性容器中，升高温度发生分解反应： 2FeSO4(s)=Fe2O3(s)+SO2(g)+SO3(g)（I）。 平衡时 P(SO3)-T 的关系如图 7-7 所示。660 K 时，该反应的平衡总压 P 总 = kPa，平衡常数 Kp(I)= (kPa)2。 p S O 3 T a 图 7-7　平衡时 P(SO3)-T 的关系图 学以致用 1 ：105 ℃时，将足量的某碳酸氢盐（MHCO3）固体置于真空恒容容器 中，存在如下平衡：2MHCO3(s)  Δ M2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g)。上述反应达平衡时 　单元教学设计 7  化学热力学　 129 << 体系的总压为 46 kPa。保持温度不变，开始时在体系中先通入一定量的 CO2(g)，再 加入足量 MHCO3(s)，欲使平衡时体系中水蒸气的分压小于 5 kPa，CO2(g) 的初始压 强应大于 kPa。 （2）多重体系： 例 3　当今，世界多国相继规划了碳达峰、碳中和的时间节点。 雨水中含有来自大气的 CO2，溶于水中的 CO2 进一步和水反应，发生电离： ① CO2(g)  CO2(aq) ② CO2(aq)+H2O(l)  H+(aq)+HCO3 −(aq) 25 ℃时，反应②的平衡常数为 K2。 溶液中 CO2 的浓度与其在空气中的分压成正比（分压 = 总压 × 物质的量分数）， 比例系数为 y mol·L-1·kPa-1，当大气压强为 p kPa，大气中 CO2(g) 的物质的量分 数为 x 时，溶液中 H+ 浓度为 mol·L-1（写出表达式，考虑水的电离，忽略 HCO3 −的电离）。 学以致用 2 ：氢能是极具发展潜力的清洁能源，以氢燃料为代表的燃料电池有 良好的应用前景。工业上常用甲烷水蒸气重整制备氢气，体系中发生如下反应。 Ⅰ. CH4(g)+H2O(g)  CO(g)+3H2(g) Ⅱ. CO(g)+H2O(g)   CO2(g)+H2(g) 恒温恒压条件下，1 mol CH4(g) 和 1 mol H2O(g) 反应达平衡时，CH4(g) 的转化率为 α， CO2(g) 的物质的量为 b mol，则反应Ⅰ的平衡常数 Kx= ［写出含有 α、 b 的计算式；对于反应 mA(g)+nB(g)   pC(g)+qD(g)， K =x x × x x × x m n p q( ( C D A B ) ) ( ( ) ) ，x 为物质的量分数］。其他条件不变，H2O(g) 起始量增加到 5 mol，达平衡时，α=0.90， b=0.65，平衡体系中 H2(g) 的物质的量分数为 （结果保留两位有 效数字）。 （3）特殊方法：多个化学方程式混合叠加形成新的化学方程式。 例 4　已知室温下，① Cu+ 配体 L 的水溶液中形成［Cu(L)2］+，其反应平衡常 数为 K；② CuBr 在水中的溶度积常数为 Ksp。由此可知，CuBr 在配体 L 的水溶液中 溶解反应的平衡常数为 （所有化学方程式中计量系数关系均为最简 整数比）。 例 5　甲烷选择性氧化制备甲醇是一种原子利用率高的方法。回答下列问题： ①已知下列反应的热化学方程式： >> 130 　高中化学单元教学设计　 Ⅰ. 3O2(g)=2O3(g) K1 ΔH1= 285 kJ·mol-1 Ⅱ. 2CH4(g)+O2(g)=2CH3OH(l) K2 ΔH2=-329 kJ·mol-1 反应 Ⅲ. CH4(g)+O3(g)=CH3OH(l)+O2(g) 的 ΔH3= kJ·mol-1，平衡常 数 K3= （用 K1、K2 表示）。 学以致用 3 ：碳及其化合物间的转化广泛存在于自然界及人类的生产和生活中。 已知 25 ℃，100 kPa 时： ① 1 mol 葡萄糖［C6H12O6(s)］完全燃烧生成 CO2(g) 和 H2O(l)，放出 2 804 kJ 热量。 ② CO(g)+1 2 O2(g)=CO2(g) ΔH2=-283 kJ·mol-1。 溶于水的 CO2 只有部分转化为 H2CO3(aq)，大部分以水合 CO2 的形式存在，水 合 CO2 可用 CO2(aq) 表示。已知 25 ℃时，H2CO3(aq)   CO2(aq)+H2O(l) 的平衡常 数 K=600，正反应的速率可表示为 v(H2CO3)=k1·c(H2CO3)，逆反应的速率可表示为 v(CO2)=k2·c(CO2)，则 k2= （用含 k1 的代数式表示）。 25 ℃时，潮湿的石膏雕像表面会发生反应：CaSO4(s)+CO32-(aq)   CaCO3(s)+SO42- (aq)，其平衡常数 K= 。［已知 Ksp(CaSO4)=9.1×10-6，Ksp(CaCO3)=2.8×10-9］ 学以致用 4 ：乙烯是一种重要的基本化工原料，乙烯的产量可以衡量一个国家 的石油化工发展水平，研究工业制取乙烯有重要的意义。工业用甲烷催化法制取乙 烯：2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)　ΔH ＞ 0，T ℃时，向 2 L 的恒容反应器中充入 2 mol CH4，仅发生上述反应，反应过程中 CH4 的物质的量随时间变化如图 7-8 所示： t n x 图 7-8　反应过程中 CH4 的物质的量随时间变化的图像 实验测得 v 正＝ k 正 c2(CH4)，v 逆＝ k 逆 c(C2H4)·c2(H2)，k 正、k 逆为速率常数，只与 温度有关，T ℃时 k 正与 k 逆的比值为　　　　　　　　（用含 x 的代数式表示）；若将 温度升高，速率常数增大的倍数：k 正　　　　k 逆（填“＞”“＝”或“＜”）。 【方法提炼】平衡常数计算思维模型。 　单元教学设计 7  化学热力学　 131 << 【任务 4】平衡常数与平衡转化率。 例 6　含硫化合物是实验室和工业上的常用化学品。请回答： 已知 2SO2(g)+O2(g)  2SO3(g) ΔH=-198 kJ·mol-1。850 K 时，在一恒容密 闭反应器中充入一定量的 SO2 和 O2，当反应达到平衡后测得 SO2、O2 和 SO3 的浓度 分别为 6.0×10-3 mol·L-1、8.0×10-3 mol·L-1 和 4.4×10-2 mol·L-1。 该温度下反应的平衡常数为 。 平衡时 SO2 的转化率为 。 例 7　聚苯乙烯是一类重要的高分子材料，可通过苯乙烯聚合制得。 已知反应 C6H5C2H5(g)  C6H5CH=CH2(g)+H2(g)。在某温度、100 kPa 下，向 反应器中充入 1 mol 气态乙苯发生反应，其平衡转化率为 50%，欲将平衡转化率提 高至 75%，需要向反应器中充入 mol 水蒸气作为稀释气（计算时忽略副 反应）。 学以致用 5 ：丙烯是一种重要的化工原料，可以在催化剂作用下，由丙烷直接 脱氢或氧化脱氢制备。 反应Ⅰ（直接脱氢）：C3H8(g)=C3H6(g)+H2(g) ΔH1=+125kJ·mol-1 反应Ⅱ（氧化脱氢）：C3H8(g)+ 1 2 O2(g)=C3H6(g)+H2O(g) ΔH2= -118kJ·mol-1 对于反应Ⅰ，总压恒定为 100 kPa，在密闭容器中通入C3H8 和N2 的混合气体（N2 不参与反应），在温度为 T1 时，C3H8 的平衡转化率与通入气体中 C3H8 的物质的量分 数的关系如图 7-9 所示，计算 T1 时反应Ⅰ的平衡常数 Kp= kPa（以分压表示， 分压 = 总压 × 物质的量分数，保留一位小数）。 图 7-9　C3H8 的平衡转化率与通入气体中 C3H8 的物质的量分数的关系图 【学生活动】从定量角度计算平衡常数。结合体系中的化学反应分析图像、图表 >> 132 　高中化学单元教学设计　 呈现出的数据，带入平衡常数表达式进行计算，提炼出解决不同体系中平衡常数的 思维模型。 【设计意图】由单一反应体系到多重平衡体系，由气态复杂体系到水溶液中更复 杂体系，引导学生通过分析反应体系中的主要反应，构建平衡常数表达式进行计算。 通过不同体系中平衡常数计算，构建化学热力学定量表征化学反应限度的思维 模型，发展学生的平衡观。 【板块三】平衡常数的应用。 【任务 5】判断是否达到平衡状态，根据 K 和 Q 的大小，判断平衡移动方向。 例 8　甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。工业上可利用 CO 或 CO2 来生产燃料甲醇。已知制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应 平衡常数如表 7-5 所示： 表7-5　制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数 化学反应 平衡常数 温度 /℃ 500 800 ① 2H2(g)+CO(g) CH3OH(g) K1 2.5 0.15 ② H2(g)+CO2(g) H2O(g)+CO(g) K2 1.0 2.50 ③ 3H2(g)+CO2(g) CH3OH(g)+H2O(g) K3 500 ℃ 时 测 得 反 应 ③ 在 某 时 刻 H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g) 的 浓 度 （mol·L-1）分别为 0.8、0.1、0.3、0.15，则此时 v 正 v 逆（填“＞”“＝”或 “＜”）。 学以致用 6：甲醛在医药方面有重要用途。工业上可利用反应Ⅰ：CH3OH(g)   HCHO(g)+H2(g) 来合成甲醛。T ℃ 时，向容积恒为 2 L 的密闭容器中充入 8 mol CH3OH(g) 发生反应Ⅰ，5 min 后反应达到平衡，测得混合体系中的 HCHO(g) 的体积 分数为 20%。其他条件不变时，向已达平衡的反应体系中充入 1 mol CH3OH(g) 和 1 mol H2(g)，则此时 v 正　 　v 逆（填“大于”“小于”或“等于”）。 【任务 6】判断反应的热效应。 例 9　我国力争于 2030 年前做到碳达峰，2060 年前实现碳中和。CH4 与 CO2 重 整是 CO2 利用的研究热点之一。该重整反应体系主要涉及以下反应： a. CH4(g)+CO2(g)   2CO(g)+2H2(g) ∆H1 b. CO2(g)+H2(g)   CO(g)+H2O(g) ∆H2 　单元教学设计 7  化学热力学　 133 << c. CH4(g)   C(s)+2H2(g) ∆H3 d. 2CO(g)   CO2(g)+C(s) ∆H4 e. CO(g)+H2(g)   H2O(g)+C(s) ∆H5 设 Kp r 为相对压力平衡常数，其表达式写法：在浓度平衡常数表达式中，用相对 分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压（单位为 kPa）除以 p0（p0=100 kPa）。 反应 a、c、e 的 ln Kp r 随 T 1 （温度的倒数）的变化如图 7-10 所示。 A 1 T 图 7-10　反应 a、c、e 的 ln Kp r随 T 1 （温度的倒数）的变化图像 ①反应 a、c、e 中，属于吸热反应的有 （填字母）。 ②反应 c 的相对压力平衡常数表达式为 Kp r = 。 ③在图中 A 点对应温度下、原料组成为 n(CO2) ∶ n(CH4)=1 ∶ 1、初始总压为 100 kPa 的恒容密闭容器中进行反应，体系达到平衡时 H2 的分压为 40 kPa。计算 CH4 的平衡转化率 。 【任务 7】判断反应限度。 例 10　某温度下，在①、②两个恒容密闭容器中发生反应：H2(g)+CO2(g)  H2O(g)+CO(g)，K ＝ 1。物质的起始浓度如表 7-6 所示： 表7-6　物质的起始浓度 容器编号 起始浓度 /（mol·L-1） H2 CO2 H2O CO ① 0.1 0.1 0 0 ② 0.3 0.2 0 0.1 平衡时，①中 c(CO2)= mol·L-1，H2 的平衡转化率为 。 >> 134 　高中化学单元教学设计　 ②中达平衡时，c(H2O)= mol·L-1，H2 的平衡转化率为 。 【学生活动】学生通过试题情境，结合具体实例和数据，体会化学平衡常数对化 学反应的调控，形成基于浓度商与平衡常数、热效应与平衡常数的比较分析问题的 视角。形成定量分析平衡移动问题的基本思路。 【设计意图】认识化学平衡常数的功能价值。通过对工业生产和生活中的实例和 数据分析，应用化学平衡常数认识化学反应。在数据分析和处理中，培养学生对比 分析能力和数据处理能力，发展学生的问题解决能力和化学价值认知水平 【本节小结】本节课以化学平衡常数的表达式、计算和应用，定量表征化学反应 进行的限度。 【第 2 课时答案】 例 1 ：50％ 例 2 ：3.0 ；2.25 例 3： K pxy K2 + w 例 4 ：K·Ksp； 例 5：-307； K K1 2 ； 例 6 ：6.7×103 mol/L；88％ 例 7 ：5 例 8 ：> 例 9：① ac；②             p p ( ( p CH H p 0 0 2 ) 4 ) 2 ；③ 68％ 例 10：① 0.4   50％ ；② 0.2   33.3％ 学以致用 1 ：100.8 学以致用 2： (1 (1 )(2 2 )− − − +α α α (α α ) − +b b)(3 b )3 2 ；0.43 学以致用 3： 600 k1 ；3.25×103； 学以致用 4： (2 4 − x x 2 )3 ；＞ 学以致用 5 ：16.7 学以致用 6 ：小于 （三）第3课时：基于反应条件选择思想优化反应 【板块一】化学反应的方向和焓变、熵变有关。 【教学情境】事实呈现：列举自然界的自发现象，如水从高处往低处流，小球自 发从高处滚到低处，石头在水中自动下沉，氯气和氢气会自发混合，酒香扩散、花 香四溢、晶体溶解过程离子混乱度增加。 【任务 1】根据自然现象，结合常见反应，归纳自发反应的特点。 　单元教学设计 7  化学热力学　 135 << 常见自发反应：NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) ∆H=-56 kJ·mol-1 2Na(s)+2H2O(l)=2NaOH(aq)+H2(g) ∆H=-368 kJ·mol-1 2Fe(s)+ 3 2 O2(g)=Fe2O3(s) ∆H=-824 kJ·mol-1 H2(g)+F2(g)=2HF(g) ∆H=-564.6kJ·mol-1 【学生活动】独立思考、小组交流。得出化学反应有向着焓减和熵增方向进行的 倾向。 【任务 2】通过实例说明，有些吸热和熵减的化学反应也能自发进行，如何判断 反应进行方向？ 【教学情境】演示实验：Ba(OH)2·8H2O 与 NH4Cl 晶体的反应为吸热反应，还有 C + CO 2CO2 高温 、 CaCO CaO + CO3 2 高温 ，均可自发；乙烯聚合为聚乙烯的反应为熵减反 应，也能自发。 【学生活动】独立思考、小组交流。得出结论：不能只依靠焓变和熵变判断反应 进行方向，得出复合判据，如图 7-11 所示。 ∆S ∆H ∆H<0 ∆H>0 ∆S<0 ∆S<0 ∆H<0 ∆H>0 ∆S>0 ∆S>0 图 7-11  复合判据 【设计意图】2 个教学任务结合身边事例，引导学生将从自然界中获得的对自发 过程的认识迁移至化学反应中，以熟悉的反应入手，结合学生产生的认知冲突，带 领学生逐步认识焓变、熵变与化学反应的关系。让学生体会到事物的发展、变化常 常受到多种因素的制约，形成全面分析问题的意识。 【板块二】如何选择合适的化学反应。 【教学情境】探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇。 【任务 3】根据复合判据，表 7-7 中哪个反应适合用来合成甲醇？ >> 136 　高中化学单元教学设计　 表7-7　制备甲醇的反应 化学反应 ∆H（kJ·mol-1） ∆S（J·mol-1·K-1） ① CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) -48.97 -177.16 ② CO2(g)+2H2O(g)=CH3OH(g)+3/2O2(g) +676.48 -43.87 注：1. 反应温度为 298 K，各气体分压为 100 kPa。在相同温度下，当气体混合物中的某一组分占据与该 气体混合物相同的体积时，所形成的压强为该组分的分压。2. 假设反应的焓变和熵变不随温度的改变而变化。 【学生活动】独立思考，小组交流，选出最佳反应①。 【设计意图】在真实问题情境中，发展学生综合运用该部分化学知识解决工业生 产中的实际问题的能力，形成结构化的认识，逐步形成解决问题的思维方法模型。 【板块三】学以致用：利用耦合作用拉动反应的进行。 【教学情境】科学家如何用金红石（TiO2）制取氯化钛。 TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g) ∆H=+161.9 kJ·mol-1 ∆S=-38.4 J·mol-1·K-1 2C(s, 石墨 )+O2(g)=2CO(g) ∆H=-221kJ·mol-1 ∆S=+179 4 J·mol-1·K-1 【任务 4】为什么用金红石（TiO2）与氯气反应无法制取四氯化钛？如何让反应 实现？ TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s, 石 墨 )=TiCl4(l)+2CO(g) ∆H=-59.1 kJ·mol-1 ∆S=+141.0 J·mol-1·K-1 【教学情境】分析资料，归纳论证，解决问题。 【设计意图】巩固学生所学，深化学生理解，使学生建立设计适应于工业生产的 化学反应的一般思路，促进“证据推理与模型认知”学科核心素养的发展。 【板块四】相关真题演练。 例 1　（2021 年湖南卷）氨气中氢含量高，是一种优良的小分子储氢载体，且安 全、易储运，可通过下面两种方法由氨气得到氢气（下面只节选一种方法）。 方法 1 氨热分解法制氢气，相关化学键的键能数据如表 7-8 所示。 表7-8　相关化学键的键能数据 化学键 N ≡ N H—H N—H 键能 /（kJ·mol-1） 946 436.0 390.8 一定温度下，利用催化剂将 NH3 分解为 N2 和 H2。 （1）反应 2NH3(g)  N2(g)+3H2(g) ∆H= kJ·mol-1。 （2）已知该反应的∆S=198.9 J·mol-1·K-1，在下列哪些温度下反应能自发进行？ （填字母）。 　单元教学设计 7  化学热力学　 137 << A. 25 ℃ B. 125 ℃ C. 225 ℃ D. 325 ℃ 【学生活动】独立思考，得出答案。 【任务 5】高考真题练习。 例 2　（2022 年全国甲卷）金属钛（Ti）在航空航天、医疗器械等工业领域有着 重要用途，目前生产钛的方法之一是将金红石（TiO2）转化为 TiCl4，再进一步还原 得到钛。回答下列问题： （1）TiO2 转化为 TiCl4 有直接氯化法和碳氯化法。在 1 000 ℃时反应的热化学方 程式及其平衡常数如下： （ⅰ）直接氯化：TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+O2(g) ∆H1=+172 kJ·mol-1，Kp1= 1.0×10-2 Pa （ ⅱ ） 碳 氯 化：TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(g)+2CO(g) ∆H2=-51 kJ·mol-1， Kp2=1.2×1012 Pa ①反应 2C(s)+O2(g)=2CO(g) 的 ∆H 为 kJ·mol-1，Kp= Pa。 ②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化，其原因是 。 例 3　将 SbCl4 氢化为 SbHCl3 有三种方法，对应的反应依次为： ① SiCl4(g)+H2(g)  SiHCl3(g)+HCl(g) ΔH1 ＞ 0 ② 3SiCl4(g)+2H2(g)+Si(s)  4SiHCl3 (g) ΔH2 ＜ 0 ③ 2SiCl4(g)+H2(g)+Si(s)+HCl(g)  3SiHCl3(g) ΔH3 已知体系自由能变 ∆G=∆H-T∆S，∆G ＜ 0 时，反应自发进行。三个氢化反 应的 ∆G 与温度的关系如图 7-12 所示，可知：反应①能自发进行的最低温度是 ；相同温度下，反应②比反应①的 ∆G 小，主要原因是 。 图 7-12　三个氢化反应的 ∆G 与温度的关系图 >> 138 　高中化学单元教学设计　 【学生活动】独立思考得出答案。 【设计意图】进一步体会化学反应原理在生产生活中的应用，体会高考的考查方 式，不断梳理分析解题思路，形成思维方法模型。 【第 3 课时答案】 例 1 ：（1）+90.8 ；（2）CD 例 2 ：-223 ；1.2×1014 ；碳氯化反应气体分子数增加，∆H ＜ 0，是熵增、放热 过程，熵判据与焓判据均是自发过程，而直接氯化的体系气体分子数不变且是吸热 过程 例 3 ：1 000 ℃ ；∆H2 ＜ ∆H1 导致反应②的 ∆G 小  ★ 九、教学反思 本单元设计以化学平衡为核心，基于化学热力学视角引导学生突破化学反应进 行的方向和化学平衡问题，发展了学生认识反应的角度和思路，将学生零散的知识 点、思维障碍点（如 K-T 关系、平衡标志、平衡移动、转化率、计算、图像、溶液 稀释等）进行整合，延长学生的思维路径，从定性分析和定量分析两个角度，构建 了“改变条件的途径→化学平衡移动方向→平衡移动结果”的思维模型。通过化学 平衡状态的判定、化学平衡移动原理的应用，诊断并发展学生探究化学概念的思维 水平和认识思路结构化水平。 教学设计将高考试题进行分类整理，提炼考查特点，教学过程中通过学生自主 解答、分析讨论、归纳总结等方法，将化学核心素养培养合理地、有机地渗透其中， 培养学生主动运用化学知识处理问题的自觉意识和思维习惯；培养科学探究精神 和社会责任感。引导学生完善和发展化学认识和核心观念，促进其化学核心素养的 发展。