3.3 硫循环和氮循环 第1课时（教学设计） 化学沪科版2020必修第一册

该高中化学教学设计聚焦自然界中硫循环和氮循环的化学过程，通过播放火山喷发、工厂污染及酸雨危害视频导入，引导学生关联生活现象，梳理硫、氮元素价态转化规律，衔接元素化合物知识与后续环保内容。 资料亮点在于融合宏观辨识与微观探析（如用价类二维图解析价态转化）、科学态度与社会责任（渗透人类活动对循环的影响及环保意识），采用活动探究与对应训练结合，助力学生构建转化模型，提升分析能力，为教师提供清晰教学支架，增强课堂实效。

3.3 硫循环和氮循环 第1课时 自然界中的硫循环和氮循环 一、知识目标 1.了解自然界中硫循环和氮循环的化学过程，包括硫和氮在不同物质形态间的转化。 2.掌握不同价态硫元素和氮元素之间通过氧化还原反应实现相互转化的规律及相关反应方程式。 3.知道人类活动对硫循环和氮循环的影响。 二、素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识自然界中硫和氮的循环过程，从微观角度理解不同价态硫、氮化合物间转化的本质是氧化还原反应。 2.证据推理与模型认知：通过分析典型范例和实际循环过程，建立含硫、含氮物质转化的模型，运用模型解释相关化学现象和规律。 3.科学态度与社会责任：认识到人类活动对硫、氮循环的影响，增强环保意识和社会责任感。 一、教学重点 1.硫循环和氮循环的化学过程。 2.不同价态硫、氮元素之间的转化规律及反应。 二、教学难点 1.理解硫单质及其化合物之间“只靠拢，不交叉”“邻位价态原则”等转化规律。 2.分析人类活动对硫、氮循环的具体影响及应对措施。 本节教学内容出自沪科版2020必修第一册第三章《硫、氮及其循环》中的3.3《硫循环和氮循环》第1课时《自然界中的硫循环和氮循环》。硫和氮及其化合物在自然界中广泛存在，它们的循环对于生态系统的平衡和稳定至关重要。这部分内容在教材体系中起着承上启下的作用，既与前面所学的元素化合物知识相呼应，又为后续学习环境保护等知识奠定基础。 教材首先介绍了自然界中硫循环和氮循环的基本过程，让学生了解硫和氮在自然界中的存在形式和转化途径。接着，详细讲解了不同价态含硫物质和含氮物质的转化规律，包括氧化还原反应和酸碱反应等。通过具体的实例和化学方程式，帮助学生理解这些转化的原理和应用。最后，通过典型范例和技能实战，让学生巩固所学知识，提高解决实际问题的能力。 教学对象是高一学生，他们在之前的化学学习中已经对一些常见元素和化合物有了初步的认识，但对于硫和氮及其化合物的深入了解还比较有限。在思维能力方面，他们正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，对于复杂的化学反应和物质转化过程理解起来可能存在一定的困难。 在知识储备上，学生已经掌握了一些基本的化学概念和化学反应类型，但对于氧化还原反应的理解还不够深入。在学习方法上，他们习惯了被动接受知识，缺乏主动探究和归纳总结的能力。因此，在教学过程中，教师应注重引导学生通过观察、分析和实验等方法，自主探究硫和氮循环的规律和原理，培养学生的科学思维和探究能力。同时，要结合生活实际，让学生了解硫和氮循环对环境和人类生活的影响，提高学生的环保意识和社会责任感。 教学环节一 课堂导入 【播放视频】同学们，老师先给大家播放一段视频。视频展示了火山喷发的壮观景象，火山口喷出滚滚浓烟，周围弥漫着刺鼻的气味。同时，画面切换到一些工厂的烟囱，大量的烟雾排放到空气中，以及酸雨对森林、建筑物造成破坏的场景。（播放视频过程中，引导学生仔细观察） 【提出问题】看完这段视频，大家能从画面中发现与化学元素相关的线索吗？火山喷发时刺鼻的气味可能是什么物质散发出来的？工厂排放的烟雾以及酸雨的形成又和哪些元素有关呢？大家可以先小组内讨论一下，然后派代表发言。（给学生几分钟时间进行小组讨论，鼓励学生积极交流想法） 【引入主题】大家讨论得很热烈，也提出了很多有价值的观点。其实，这些现象都和我们今天要学习的硫和氮元素密切相关。硫和氮元素在自然界中不断循环，它们的循环过程对我们的生活和环境有着深远的影响。火山喷发时释放出的二氧化硫等含硫气体，工厂燃烧化石燃料排放的氮氧化物和硫氧化物，这些物质在大气中经过一系列的化学反应，最终可能形成酸雨。那么，硫和氮元素在自然界中是如何循环的呢？人类活动又对它们的循环产生了怎样的影响呢？接下来，就让我们一起深入探究自然界中的硫循环和氮循环。 【设计意图】 1.激发学生兴趣：通过播放火山喷发、工厂污染和酸雨危害等视频，以直观、震撼的画面吸引学生的注意力，激发学生对自然现象背后化学原理的好奇心和探索欲望，提高学生的课堂参与度。 2.联系生活实际：视频中展示的场景都是学生在生活中可能有所耳闻或目睹的，将化学知识与实际生活紧密联系起来，让学生感受到化学就在身边，使抽象的化学知识变得具体而有趣。 3.引发思考，导入新课：提出关于视频中现象与化学元素关系的问题，引导学生进行小组讨论，培养学生的思考能力和团队合作精神。从学生的讨论结果自然地引出本节课的主题——硫循环和氮循环，让学生带着问题去学习，明确学习目标，提高学习的主动性和积极性。 教学任务一 自然界中的硫循环 活动一 引入自然界中的硫循环 【引入】同学们，我们生活的自然界是一个庞大而复杂的生态系统，各种元素都在其中不断地循环。今天我们要聚焦硫元素，了解它在自然界中的循环过程。大家可以想象一下，硫元素就像一个旅行者，在自然界的各个角落穿梭。那它到底是如何旅行的呢？下面我们就一起来揭开自然界中硫循环的神秘面纱。 【问题】大家先思考一下，在我们的日常生活中，有哪些地方可能会涉及到硫元素呢？ 【学生思考】积极发言，可能会提到火山爆发、化石燃料的燃烧、一些含硫的矿石等。 【讲解】评价学生的回答，给予肯定和补充。强调硫元素在自然界中分布广泛，它的循环对生态环境有着重要的影响。 【设计意图】通过生活实例引入，激发学生的学习兴趣，让学生意识到化学知识与生活息息相关，同时引导学生主动思考，为后续学习硫循环的过程做好铺垫。 【对应训练1】下列现象中，与硫循环无关的是（ ） A. 火山喷发产生的气体中含有二氧化硫 B. 森林火灾产生的烟雾中含有硫的氧化物 C. 植物光合作用吸收二氧化碳释放氧气 D. 化石燃料燃烧产生的废气中含有二氧化硫 【答案】C 【解析】植物光合作用吸收二氧化碳释放氧气，这是碳循环和氧循环的一部分，与硫循环无关。而火山喷发、森林火灾和化石燃料燃烧都会涉及到硫元素的转化和释放，与硫循环有关。 【对应训练2】下列关于硫在自然界中存在形式的说法，错误的是（ ） A. 以游离态存在于火山口附近 B. 以硫化物的形式存在于岩层深处 C. 以硫酸盐的形式存在于土壤中 D. 以单质硫的形式存在于海水中 【答案】D 【解析】海水中的硫元素主要以硫酸根离子的形式存在，而不是单质硫。硫在自然界中可以以游离态存在于火山口附近，以硫化物形式存在于岩层深处，以硫酸盐形式存在于土壤中。 活动二 探究自然界中硫的存在与转化 【问题】展示自然界中硫循环的示意图，引导学生观察并思考：自然界中硫有哪些存在形式？它们是如何相互转化的？ 【学生思考】1. 仔细观察示意图，总结出硫在自然界中的存在形式有单质硫、含硫矿物（如黄铁矿、雌黄、雄黄、辰砂等）、二氧化硫、亚硫酸、硫酸以及各种硫酸盐（如石膏、芒硝等）。 2.分析不同含硫物质之间的转化关系，如部分硫在光照、、的作用下氧化为，进一步氧化为和；含硫矿物在地下受空气中氧气和水等作用，会发生一系列变化；微生物可以将某些含硫物质还原等。 【讲解】1. 对学生的回答进行详细点评和补充，强调相同价态的不同含硫化合物间可以通过酸碱反应规律联系在一起，从左到右的转化，加入碱可以实现；从右到左的转化，加入酸可以实现。 2.重点讲解不同价态的含硫化合物间是通过氧化还原反应规律联系在一起的。展示硫元素常见化合价为 -2、0、+4、+6 的不同含硫物质，如 -2 价的、、、；0 价的；+4 价的、、；+6 价的、、、、等，并说明利用氧化剂可将硫元素从低价态转化为高价态，利用还原剂可将硫元素从高价态转化为低价态。 【设计意图】通过观察示意图和思考问题，培养学生的观察能力和分析归纳能力，让学生深入理解自然界中硫的存在形式和转化规律，同时为后续学习不同价态含硫物质的转化奠定基础。 【对应训练3】下列转化不能通过一步反应实现的是（ ） A. B. C. D. 【答案】B 【解析】与不足量的反应可以一步生成；与等氧化剂反应可以一步生成；与等还原剂反应可以一步生成。而燃烧只能生成，需要在催化剂、加热的条件下与反应才能生成，不能通过一步反应实现。 活动三 学习不同价态含硫物质的转化 【问题】给出不同价态含硫物质转化的具体例子，如转化为、转化为等，让学生思考并选择合适的试剂完成这些转化。 【学生思考】根据所学的氧化还原反应知识，分析每个转化过程中硫元素化合价的变化，从而选择合适的试剂。例如： 1.对于转化为（-2 价到 0 价，硫元素化合价升高，需要氧化剂），可以选择不足量的，化学方程式为。 2.对于转化为（0 价到 -2 价，硫元素化合价降低，需要还原剂），可以选择，化学方程式为。 【讲解】1. 对学生的回答进行点评和总结，强调在选择试剂时要根据硫元素化合价的变化和氧化还原反应的规律。 2.进一步讲解不同价态硫元素的性质特点：-2 价硫处于最低价态，只有还原性，可被、等氧化剂氧化为；0 价、+4 价硫处于中间价态，既有氧化性又有还原性；+6 价硫处于最高价态，只有氧化性。 【设计意图】通过具体的转化实例，让学生巩固氧化还原反应的知识，学会运用氧化还原反应规律来实现不同价态含硫物质的转化，加深对硫元素性质的理解。 【对应训练4】在反应中，氧化产物和还原产物的质量比为（ ） A. 1:1 B. 2:1 C. 1:2 D. 3:2 【答案】B 【解析】在该反应中，中的硫元素化合价从 -2 价升高到 0 价，被氧化，生成的为氧化产物；中的硫元素化合价从 +4 价降低到 0 价，被还原，生成的为还原产物。根据化学计量数可知，氧化产物和还原产物的物质的量之比为 2:1，由于它们都是，摩尔质量相同，所以质量比也为 2:1。 活动四 探究含硫物质的转化规律 【问题】展示含硫物质转化的相关反应，如与浓的反应、与的反应等，引导学生分析这些反应中硫元素化合价的变化，总结含硫物质的转化规律。 【学生思考】1. 分析与浓反应：，发现硫元素的化合价变化遵循“只靠拢，不交叉”的规律，即中 -2 价的硫和浓中 +6 价的硫反应时，只能转化为中间价态（0 价和 +4 价），不可能交叉。 2.分析与反应：，得出能发生自身氧化还原反应（歧化反应），在反应时分别升至和降至与其相邻的价态，遵循“邻位价态原则”。 【讲解】1. 对学生的分析进行总结和强调，详细讲解含硫物质的转化规律： - 规律一：只靠拢，不交叉。当硫元素的化合价升高或降低时，一般升高或降低到其相邻的价态，即台阶式升降。相邻价态的两物质间不发生氧化还原反应，如和、和、和之间均不发生氧化还原反应。同时，给出含硫物质典型的归中反应，如、。 - 规律二：邻位价态原则。-2 价的只有还原性，它与氧化剂反应，一般会升至相邻的价态；能发生自身氧化还原反应（歧化反应），在反应时分别升至和降至与其相邻的价态；0 价和 +4 价的处于中间价态，既有氧化性又有还原性，与弱氧化剂作用时，被氧化成相邻的高价态，与弱还原剂作用时，被还原成相邻的低价态；+6 价的只有氧化性，遇到还原剂时，一般降至相邻的价态。 - 规律三：含硫物质的连续氧化规律，如、。 2. 通过更多的实例和练习，帮助学生理解和掌握这些规律。 【设计意图】通过对具体反应的分析，引导学生自主总结含硫物质的转化规律，培养学生的归纳总结能力和逻辑思维能力。同时，深入讲解这些规律，让学生能够熟练运用规律解决含硫物质转化的相关问题。 【对应训练5】下列反应中，不遵循含硫物质转化规律的是（ ） A. B. C. D. 【答案】无（本题所有选项均遵循含硫物质的转化规律） 【解析】A 选项中燃烧生成，符合含硫物质的连续氧化规律；B 选项中进一步氧化为，也符合连续氧化规律；C 选项是典型的归中反应，遵循“只靠拢，不交叉”的规律；D 选项中和浓反应生成，同样遵循氧化还原反应中硫元素化合价的变化规律。 教学任务二 自然界中的氮循环 活动一 引入自然界中的氮循环 【引入】同学们，我们刚刚了解了自然界中硫的循环，现在让我们把目光转向另一种重要的元素——氮元素。氮是生命的重要组成元素之一，它在自然界中也有着独特的循环过程。大家可以想象一下，空气中大量的氮气是如何参与到生态系统中的呢？下面我们就来探索自然界中的氮循环。 【问题】大家先想一想，在我们的生活中，有哪些现象与氮元素有关呢？ 【学生思考】积极发言，可能会提到植物的生长需要氮肥、雷雨天气对庄稼的影响、汽车尾气中含有氮的氧化物等。 【讲解】评价学生的回答，给予肯定和补充。强调氮循环对生物和人类活动有着重要的意义，它是自然界中又一种重要的物质循环方式。 【设计意图】通过生活实例引入，激发学生对氮循环的学习兴趣，让学生意识到氮元素在生活中的广泛存在和重要作用，为后续学习氮循环的化学过程做好铺垫。 【对应训练1】下列关于氮元素的说法，错误的是（ ） A. 氮是组成蛋白质和核酸的重要元素 B. 空气中氮气的含量约为 78%（体积分数） C. 氮元素在自然界中只以游离态存在 D. 氮循环对维持生态平衡起着重要作用 【答案】C 【解析】氮元素在自然界中既可以以游离态（如空气中的氮气）存在，也可以以化合态（如铵盐、硝酸盐等）存在。氮是组成蛋白质和核酸的重要元素，空气中氮气的含量约为 78%（体积分数），氮循环对维持生态平衡起着重要作用。 活动二 探究自然界中氮循环的化学过程 【问题】展示自然界中氮循环的示意图，引导学生观察并思考：氮循环的主要化学过程有哪些？ 【学生思考】1. 仔细观察示意图，总结出氮循环的主要化学过程包括：空气中的氮气与氧气在放电条件下反应，使游离态的氮转化为化合态的氮；生物固氮酶将空气中的氮气还原为氨，氨溶于水后产生铵根离子，被植物吸收；铵根离子经土壤中细菌的作用转化为硝酸根离子（硝化作用）；在氧气不足的条件下，土壤中的细菌又将硝酸根转化为氮气，从土壤中释放出来（反硝化作用）。 2.分析每个过程中氮元素化合价的变化和涉及的化学反应。 【讲解】1. 对学生的回答进行详细点评和补充，写出每个过程对应的化学方程式： - 氮气与氧气在放电条件下反应： - 生物固氮： - 硝化作用：， - 反硝化作用：在不同的条件下有不同的反应，例如 2. 强调自然界中通过放电固氮所形成的含氮化合物很少，大部分是来自生物固氮。 【设计意图】通过观察示意图和思考问题，培养学生的观察能力和分析归纳能力，让学生深入理解氮循环的主要化学过程和其中涉及的化学反应，同时了解生物固氮在氮循环中的重要作用。 【对应训练2】下列关于氮循环中硝化作用和反硝化作用的说法，正确的是（ ） A. 硝化作用和反硝化作用都是氧化反应 B. 硝化作用和反硝化作用都需要细菌参与 C. 硝化作用是在氧气不足的条件下进行的 D. 反硝化作用是将铵根离子转化为硝酸根离子 【答案】B 【解析】硝化作用是铵根离子被氧化为硝酸根离子的过程，是氧化反应；反硝化作用是硝酸根离子被还原为氮气的过程，是还原反应，A 选项错误。硝化作用和反硝化作用都需要细菌参与，B 选项正确。硝化作用需要在有氧的条件下进行，C 选项错误。反硝化作用是将硝酸根离子转化为氮气，D 选项错误。 活动三 学习含氮物质的价类二维图 【问题】展示含氮物质的价类二维图，引导学生观察并思考：从价类二维图中可以获取哪些信息？不同价态的含氮物质之间有哪些转化关系？ 【学生思考】1. 观察价类二维图，总结出含氮物质的分类（氢化物、单质 3.3 硫循环和氮循环 第1课时 自然界中的硫循环和氮循环 一、自然界中的硫循环 （一）硫的存在与转化 1.存在形式：地下（石膏、芒硝、黄铁矿等）、大气（SO₂等）、地表（H₂S等） 2.转化过程：部分硫→SO₂→H₂SO₃→H₂SO₄；S→H₂S；含硫矿物→地下含硫物质 （二）含硫物质的转化 1.不同价态硫元素的转化与性质 o常见化合价：-2、0、+4、+6 o转化规律：氧化还原反应（氧化剂使低价态→高价态；还原剂使高价态→低价态） 2.不同价态含硫物质的转化实例 o-2→0：H₂S + O₂(不足) → S + SO₂ o0→ -2：S + H₂ → H₂S；S + Fe → FeS o-2→ +4：H₂S + O₂(足量) → SO₂ o0→ +4：S + O₂ → SO₂ o+4→0：SO₂ + H₂S → S o+4→ +6：SO₂ + O₂ → SO₃ o+6→ +4：H₂SO₄(浓) + Cu → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O 3.转化规律 o只靠拢，不交叉 o邻位价态原则 o含硫物质的连续氧化规律 二、自然界中的氮循环 （一）氮循环化学过程 1.固氮 o放电固氮：N₂ + O₂ 放电 2NO o生物固氮：N₂ → NH₃ 2.硝化作用：NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ 3.反硝化作用：NO₃⁻ → N₂ （二）含氮物质的价类二维图 物质分类 化合价 氢化物 单质 氧化物 酸 碱 盐 +5 N₂O₅ HNO₃ NO₃⁻ +4 N₂O₄/NO₂ +3 N₂O₃ HNO₂ NO₂⁻ +2 NO 0 N₂ -3 NH₃、NH₄⁺ NH₃·H₂O 1.硫在自然界的循环过程如图所示。下列说法中，不正确的是(　　) A．火山喷发、森林火灾会产生SO₂ B．氢、氧两种元素没有参与硫的循环 C．工厂产生的烟气应经脱硫处理后再排放 D．硫在自然界的循环过程中，涉及了氧化还原反应 【答案】B 【解析】A选项，火山喷发、森林火灾时，一些含硫物质会发生燃烧等反应，从而产生SO₂，该说法正确；B选项，从硫循环过程来看，部分硫转化为SO₂后，在光照、H₂O、O₂作用下会氧化为H₂SO₃、H₂SO₄等，说明氢、氧两种元素参与了硫的循环，该说法错误；C选项，工厂产生的烟气中含有的二氧化硫等硫氧化物会污染大气，经脱硫处理后再排放可减少对环境的污染，该说法正确；D选项，硫元素在不同价态含硫物质之间转化时，如H₂S转化为S、SO₂等，存在化合价的变化，涉及氧化还原反应，该说法正确。所以答案选B。 2.学习硫及其化合物，可运用物质类别和元素价态二维视角模型对硫及其化合物的性质进行推测验证。以下说法中不正确的是 A．因b有强还原性，所以不能用d的浓溶液干燥 B．常温下，Fe在d的浓溶液中钝化 C．a和b可发生反应生成单质硫 D．工业生产中，b转化为c的反应在接触室中进行 【答案】A 【解析】假设这里a为H₂S，b为SO₂，c为SO₃，d为H₂SO₄。A选项，虽然SO₂有还原性，但浓硫酸与SO₂不发生反应，能用浓硫酸干燥SO₂，该说法错误；B选项，常温下，Fe在浓硫酸中会发生钝化，在铁表面形成一层致密的氧化膜，阻止反应进一步进行，该说法正确；C选项，H₂S和SO₂会发生归中反应生成单质硫，化学方程式为2H₂S + SO₂ = 3S + 2H₂O，该说法正确；D选项，工业生产中，SO₂转化为SO₃的反应在接触室中进行，使用催化剂并加热，该说法正确。所以答案选A。 3.氮及其化合物的转化具有重要应用，下列说法不正确的是 A．工业上模拟自然界“雷雨发庄稼”的过程生产HNO₃ B．自然固氮、人工固氮都是将N₂转化为含氮化合物 C．氨气是重要的工业原料，可用于制备化肥和纯碱等大宗化学品 D．多种形态的氮及其化合物间的转化形成了自然界的“氮循环” 【答案】A 【解析】A选项，工业上生产硝酸是通过氨的催化氧化等一系列反应，而不是模拟自然界“雷雨发庄稼”的过程（N₂和O₂在放电条件下反应生成NO），该说法错误；B选项，自然固氮（如生物固氮、雷电固氮）和人工固氮（如合成氨）都是将游离态的N₂转化为化合态的含氮化合物，该说法正确；C选项，氨气可以用于制备氮肥（如氯化铵、硝酸铵等），也可用于侯氏制碱法制备纯碱，该说法正确；D选项，自然界中氮元素在氮气、铵根离子、硝酸根离子等多种形态的氮及其化合物间不断转化，形成了氮循环，该说法正确。所以答案选A。 在本节课的教学中，通过结合自然界中的实际现象讲解硫循环和氮循环，学生对知识的兴趣较高。利用多媒体展示循环过程和价类二维图，有助于学生理解抽象的化学概念和转化关系。但在讲解含硫、含氮物质的转化规律时，部分学生理解存在困难，后续应增加实例分析和课堂练习，强化学生对规律的应用能力。在教学方法上，可以更多地引导学生自主探究和小组讨论，培养他们的思维能力和合作精神。同时，要关注学生对人类活动影响循环的理解，加强环保意识的渗透。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $