1.1 化学反应与能量变化 第1课时（教学设计）化学沪科版2020选择性必修1

1.1 化学反应与能量变化 第1课时 系统的内能 一、知识目标 1. 理解系统和环境的概念，能根据需要对系统和环境进行合理划分。 1. 掌握系统内能的概念，明确内能的符号，知道内能受温度、压强、物质聚集状态和组成的影响。 1. 理解系统内能变化的含义，掌握的计算方法。 1. 理解热、功的概念，掌握的能量守恒关系，并能运用该公式进行简单计算。 1. 了解热力学第一定律的内容。 二、素养目标 1. 宏观辨识与微观探析：从宏观上认识化学反应中能量的变化，从微观上理解系统内能变化的本质。 2. 证据推理与模型认知：通过实例分析和计算，建立系统内能变化的计算模型，培养逻辑推理能力。 3. 科学态度与社会责任：体会能量守恒定律在化学反应中的应用，培养严谨的科学态度和社会责任感。 一、教学重点 系统和环境的概念、系统内能的概念、系统内能变化的计算、的能量守恒关系。 二、教学难点 系统和环境的合理划分、系统内能变化的理解及相关计算。 本节教学内容源于沪教版（2019年版）高中化学选择性必修1第一章《化学反应的热效应》第一节《化学反应与能量变化》第1课时。化学反应中的能量变化是化学学科的重要研究领域，它贯穿于整个化学学习过程，在生产、生活和科研中具有广泛的应用。 本课时聚焦于系统的内能以及环境与系统的概念，为后续深入学习化学反应的热效应奠定基础。教材首先通过列举盐酸与氢氧化钠溶液反应、水的蒸发等实例，引导学生明确系统和环境的划分，体现了系统与环境划分的人为性和灵活性。接着引入系统的内能概念，强调其是系统内物质各种能量的总和，并指出内能受温度、压强、物质的聚集状态和组成等因素影响，且内能的绝对值无法直接获得，但其变化可通过状态变化过程体现。随后介绍了热、功以及体积功、非体积功等概念，并依据能量守恒定律得出系统内能变化的表达式ΔU＝Q＋W。教材内容逻辑严谨，从基本概念入手，逐步引导学生认识化学反应中能量变化的本质。 教学对象是高中学生，他们在初中阶段已经对化学反应中的能量变化有了一定的感性认识，如知道燃烧会放出热量等，但对于能量变化的本质和定量计算还缺乏深入理解。在知识储备上，学生掌握了一些基本的化学反应和物质的性质，但对于系统、环境、内能等抽象概念较为陌生。 在思维能力方面，高中生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，他们具备一定的逻辑推理能力，但对于较为复杂的概念和理论，仍需要具体实例和直观演示的辅助。在学习习惯上，部分学生可能还停留在被动接受知识的阶段，缺乏主动探究和思考的意识。 因此，在教学过程中，教师应充分结合学生的已有知识和生活经验，通过生动有趣的实验和实例引入概念，帮助学生建立系统和环境的观念。在讲解内能等抽象概念时，要运用类比、对比等方法，将抽象知识形象化，降低学生的学习难度。同时，要注重引导学生主动参与课堂讨论和探究活动，培养他们的思维能力和科学素养，使学生能够更好地理解和掌握本节课的内容，并为后续的学习做好铺垫。 教学环节一 课堂导入 【播放实验视频】同学们，老师先给大家播放一段有趣的实验视频，大家注意观察实验现象。（播放“炸裂黑蛇铝汞齐法老之蛇”的实验视频，实验中反应物迅速膨胀，产生形似黑蛇的物体，场面震撼） 【提问引导】大家刚才看到这个神奇的实验，是不是觉得很不可思议？在这个实验过程中，物质发生了剧烈的变化，而且明显能感觉到有能量的释放。其实，在我们的生活中，像这样伴随着能量变化的化学变化随处可见。比如，我们家里做饭用的天然气燃烧，能释放出大量的热来加热食物；汽车发动机里汽油的燃烧，能让汽车跑起来。那么，大家思考一下，这些化学反应中的能量是从哪里来的，又是如何变化的呢？ 【引出课题】今天，我们就通过学习物质的内能来认识化学反应中能量变化的本质，一起揭开化学反应中能量变化的神秘面纱。 【设计意图】 1.激发学生兴趣：通过播放“炸裂黑蛇铝汞齐法老之蛇”这样新奇有趣的实验视频，能瞬间抓住学生的眼球，激发他们的好奇心和求知欲，使学生对接下来的学习内容充满期待，提高课堂参与度。 2.联系生活实际：列举天然气燃烧、汽油燃烧等生活中常见的例子，让学生感受到化学与生活息息相关，将抽象的化学知识与实际生活联系起来，使学生更容易理解化学反应中能量变化的概念。 3.引发思考，导入新课：提出关于化学反应中能量来源和变化的问题，引导学生主动思考，自然地过渡到本节课关于化学反应热效应以及物质内能的学习主题，让学生带着问题去探索新知识，明确学习方向，提高学习的主动性。 教学任务一 环境与系统 情景引入 老师展示“炸裂黑蛇（铝汞齐法老之蛇）”的实验视频，引发学生的好奇心。然后说道：“世界是物质的，物质是运动的，化学变化是物质运动的一种形式。物质在运动变化过程中会伴随着能量的变化，就像我们刚刚看到的这个神奇实验，化学变化过程也伴随着能量的变化。我们将通过学习物质的内能来认识化学反应中能量变化的本质，而在研究反应热时，需要明确系统和环境的概念。” 设计意图：通过有趣的实验视频激发学生的学习兴趣，自然地引出本节课关于系统和环境的主题。 师生活动 1. 老师给出盐酸与氢氧化钠溶液反应的示例：“同学们，现在我们来看一个例子，试管中的盐酸、(NaOH)溶液及发生的反应等就是我们要研究的系统，而盛溶液的烧杯和溶液周围的空气等便是环境。大家思考一下，系统和环境是如何定义的呢？” 1. 学生思考并尝试回答，老师总结：“非常好，被研究的对象就是系统，与系统相关的其他部分就是环境。系统与环境可以根据需要来划分，有一定的人为性。” 1. 老师再给出水的蒸发的示例：“那再看水的蒸发这个过程，水和水蒸气就是系统，周边的其他部分就是环境。大家能理解吗？” 1. 学生表示理解后，老师进一步提问：“在生活中，你们能再举一些系统和环境划分的例子吗？” 1. 学生积极举例，老师进行点评和补充。 设计意图：通过具体的例子让学生直观地理解系统和环境的概念，然后引导学生联系生活实际，加深对概念的理解和应用能力。 针对训练 1. 在铁与硫酸铜溶液反应的实验中，若将反应的溶液作为系统，那么下列属于环境的是（ ） A. 反应的铁 B. 反应生成的铜 C. 盛溶液的烧杯 D. 溶液中的铜离子 【答案】C 【解析】系统是被研究的对象，在本题中反应的溶液是系统，盛溶液的烧杯属于与系统相关的其他部分，即环境。而反应的铁、反应生成的铜、溶液中的铜离子都属于系统的一部分。 1. 下列关于系统和环境的说法正确的是（ ） A. 系统和环境的划分是固定不变的 B. 系统只能是物质，不能是反应过程 C. 环境是指系统以外的所有物质 D. 系统与环境可以根据研究需要人为划分 【答案】D 【解析】系统与环境可以根据需要来划分，有一定的人为性，不是固定不变的，A选项错误；系统可以是物质，也可以是反应过程等，B选项错误；环境是与系统相关的其他部分，不是系统以外的所有物质，C选项错误；D选项正确。 教学任务二 系统的内能 情景引入 老师提出问题：“同学们，我们已经知道了系统和环境的概念，那系统内的物质具有怎样的能量呢？就像我们知道物体有动能、势能等能量，系统内的物质也有其独特的能量，这就是我们接下来要学习的系统的内能。” 设计意图：通过问题引导学生思考，自然地过渡到系统内能的学习。 师生活动 1. 老师讲解：“当系统处于一定状态时，系统就具有确定的内能，内能是系统内物质各种能量的总和，用符号(U)表示。在研究和讨论能量变化时，往往需要注明和注意状态。比如温度、压强、物质的聚集状态等发生改变，内能也随之改变。” 2. 老师给出典例问题1：“一定压强下，(0{}C)时(1.0mol)的水和(0{}C)时(1.0mol)的冰，哪个系统的内能更大？大家思考一下，结合我们学过的知识进行分析。” 3. 学生思考并回答，老师进行点评和讲解：“非常好，相同量的同一物质，内能的大小为：气态(>)液态(>)固态，所以(1.0mol)的水内能更大。” 4. 老师给出典例问题2：“一定压强下，(25{}C)时(1.0mol)的水和(25{}C)时(10.0mol)的水，哪个系统的内能更大？” 5. 学生思考回答，老师总结：“状态条件相同的同一物质，物质的量越多，内能越大，故(10.0mol)的水内能更大。” 6. 老师给出选择题：“若将水作为研究的系统，相同压强下，下列选项中内能最大的是（ ）A. (273K)时(10.0g)冰；B. (273K)时(1.0mol)水蒸气；C. (273K)时(10.0g)水；D. (373K)时(10.0g)水蒸气。大家分析一下，选哪个呢？” 7. 学生思考并回答，老师详细讲解：“质量相同的情况下，水的温度越高，内能越大，同时，相同温度和质量的情况下，物质的内能气态(>)液态(>)固态，(1mol)水的质量为(18g)大于(10g)，因此，(373K)时(1.0mol)水蒸气的内能最大，故答案选D。” 设计意图：通过逐步讲解和具体的例题分析，让学生理解系统内能的概念以及影响内能大小的因素，培养学生的分析和解决问题的能力。 针对训练 1. 等物质的量的下列物质中，内能最大的是（ ） A. 水蒸气 B. 液态水 C. 冰 D. 冰水混合物 【答案】A 【解析】相同物质的量的同一物质，内能大小关系为气态(>)液态(>)固态，水蒸气是气态，所以内能最大，答案选A。 1. 一定压强下，(1mol)的氧气和(2mol)的氧气，哪个系统的内能更大（其他条件相同）？ 【答案】(2mol)的氧气系统内能更大。 【解析】在相同条件下，对于同一物质，物质的量越多，内能越大，所以(2mol)的氧气系统内能更大。 教学任务三 系统的内能变化 情景引入 老师展示一些化学反应的图片，如燃烧、酸碱中和等，然后说：“同学们，我们看到这些化学反应都伴随着能量的变化，那系统的内能在化学反应中是如何变化的呢？这就是我们接下来要学习的内容。” 设计意图：通过化学反应的图片让学生直观感受化学反应中的能量变化，引出系统内能变化的主题。 师生活动 1. 老师讲解：“系统因体积变化所做的功称为体积功，除热以外，其他各种形式传递的能量都称为功，用符号(W)表示。系统与环境之间由于温度差交换或传递的能量称为热，用符号(Q)表示。根据能量守恒定律，(U = Q + W)。” 1. 老师进一步解释：“由于物质内部微观粒子运动及相互作用很复杂，系统内能的绝对值无法直接获得，但内能的变化可以体现在状态变化的过程中。系统内能的变化用符号(U)来表示，(U = U(生成物) - U(反应物))。” 1. 老师给出典例问题：“为什么夏天走在沙滩上会感觉沙子很烫，而海水却凉快许多？大家结合我们学过的知识分析一下。” 1. 学生思考回答，老师总结：“这是因为沙子与海水相比，海水的比热容更大，吸收相同的热量时，由(Q = cmT)可知，沙子上升的温度更高，因此会感觉到沙子很烫，而海水凉快许多。已知水和沙（主要成分为二氧化硅）的比热容分别为(4.18kJK{-1}kg{-1})和(0.84kJK{-1}kg{-1})。” 1. 老师给出另一个典例问题：“假设(1kg)海水和等质量的沙子同时在阳光中暴晒，若都获取了(100kJ)热量（不考虑热量散失），则海水和沙子的温度分别升高了多少？大家计算一下。” 1. 学生进行计算，老师巡视指导，然后进行讲解：“根据(Q = cmT)，可得(T = )。(1kg)的海水获取(100kJ)的热量，上升的温度为(T_{海水} = 23.92K)；(1kg)的沙子获取(100kJ)的热量，上升的温度为(T_{沙子} = 119.05K)。” 设计意图：通过讲解概念和具体的例题计算，让学生理解系统内能变化的计算方法以及相关公式的应用，培养学生的计算和分析能力。 针对训练 1. 如果一个静止的化学反应体系从环境吸收了(60J)的热量，而体系的内能却增加了(240J)，那么体系从环境得到了多少功？ 【答案】(180J) 【解析】根据热力学第一定律(U = Q + W)，已知(Q = 60J)，(U = 240J)，则(W = U - Q = 240J - 60J = 180J)。 1. 该反应体系体积发生膨胀，膨胀过程中对环境做了(8kJ)的功，同时吸收了(30kJ)的热量，求体系的内能变化值。 【答案】(22kJ) 【解析】根据(U = Q + W)，(Q = 30kJ)，(W = - 8kJ)（对环境做功，(W)为负），则(U = 30kJ - 8kJ = 22kJ)。 第1章 化学反应的热效应 1.1 化学反应与能量变化（第1课时） 一、环境与系统 1. 系统：被研究的对象 2. 环境：与系统相关的其他部分 二、系统的内能 1. 内能概念 · 定义：系统内物质各种能量总和（U） · 影响因素：温度、压强、物质聚集状态等 2. 内能变化（ΔU） · 表达式：ΔU=U(生成物)-U(反应物) · 能量守恒：ΔU＝Q＋W · Q：热（温度差交换或传递的能量） · W：功（除热以外其他形式传递的能量） · 体积功 · 非体积功 3. 三种热力学体系 1. 等物质的量的下列物质中，内能最大的是 () A. 水蒸气 B. 液态水 C. 冰 D. 冰水混合物 【答案】A 【解析】等物质的量的同一物质，内能大小关系为气态>液态>固态。水蒸气是气态，液态水是液态，冰和冰水混合物主要是固态，所以水蒸气的内能最大，答案选A。 2. 下列有关乙烷燃烧时能量转化的认识中正确的是 () A．化学能转化为内能 B．化学能全部转化为热能 C．化学能主要转化为热能 D．乙烷的能量全部转化为CO₂和H₂O的能量 【答案】C 【解析】乙烷燃烧时，化学能主要转化为热能，同时也有一部分转化为光能等其他形式的能量，并不是全部转化为热能，也不是乙烷的能量全部转化为CO₂和H₂O的能量，故C正确，B、D错误；内能是物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和，化学能转化为热能等形式的能量，不能简单说转化为内能，A错误。 1. 在相同温度和压强下，2mol氢气和1mol氧气，分别以点燃(反应①)和氢氧燃料电池(反应②)两种不同的方式反应生成2mol液态水。下列说法正确的是。 A．反应的焓变①>② B．体系内能变化①<② C．放出的热量①>② 【答案】C 【解析】焓变只与反应物和生成物的状态有关，与反应途径无关，所以反应①和反应②的焓变相等，A错误；体系的内能变化也只与反应物和生成物的状态有关，与反应途径无关，所以体系内能变化① = ②，B错误；点燃时，化学能主要转化为热能；而在氢氧燃料电池中，化学能主要转化为电能，只有一部分转化为热能，所以放出的热量①>②，C正确。 1. 体系和内能 1. 体系和环境：________ 的物质系统称为体系，体系以外的 ________ 称为环境或外界。 1. 内能：物质的量确定的体系中，物质的 _____________ 称为内能。 1. 内能的影响因素：内能受 _____ 、______ 、________________ 和 ______ 的影响。状态发生改变时，内能就会发生变化。 1. 内能的特点：内能的绝对值 _________ 测得，______________ 可以通过变化过程中体系吸收(或放出)的热对内(或外)所做的功的形式表现出来。 【答案】被研究；其他部分；各种能量总和；温度；压强；物质的聚集状态；组成；无法直接；内能的变化 【解析】根据体系和环境、内能的定义及影响因素等知识可知，被研究的物质系统称为体系，体系以外的其他部分称为环境或外界；物质的量确定的体系中，物质的各种能量总和称为内能；内能受温度、压强、物质的聚集状态和组成的影响；由于物质内部微观粒子运动及相互作用很复杂，内能的绝对值无法直接测得，内能的变化可以通过变化过程中体系吸收(或放出)的热对内(或外)所做的功的形式表现出来。 1. 如果一个静止的化学反应体系从环境吸收了60J的热量，而体系的内能却增加了240J，那么体系从环境得到了多少功 _________? 如果该反应体系体积发生膨胀，膨胀过程中对环境做了8kJ的功，同时吸收了30kJ的热量，求体系的内能变化值 _____________ 。 【答案】180J；22kJ 【解析】根据热力学第一定律△U = Q + W，已知Q = 60J，△U = 240J，则W = △U - Q = 240J - 60J = 180J；当体系体积膨胀对环境做功，W = - 8kJ，Q = 30kJ，所以△U = Q + W = 30kJ - 8kJ = 22kJ。 在本次教学中，通过生活实例引入课程，如“炸裂黑蛇”“法老之蛇”等实验，激发了学生的学习兴趣。在讲解系统和环境、内能等抽象概念时，结合具体例子，如盐酸与氢氧化钠溶液反应、水的蒸发等，帮助学生理解。典例精讲环节，通过具体题目让学生巩固所学知识，效果较好。 然而，在教学过程中也存在一些不足。部分学生对于内能的概念理解仍有困难，尤其是内能的变化与功和热的关系。在今后的教学中，应加强这方面的讲解和练习，多举一些生活中的实例，让学生更好地掌握。同时，在课堂互动方面，可以增加一些小组讨论环节，提高学生的参与度。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$