人教版 (2019)必修 第一册整理与提升表格教案

这是一份人教版 (2019)必修 第一册整理与提升表格教案，共8页。教案主要包含了学生活动，本课总结等内容，欢迎下载使用。
课程基本信息
学科
高中化学
年级
高一
学期
秋季
课题
物质及其变化全章复习
教科书
书 名：化学必修第一册教材
出版社：人民教育出版社 .6月
教学目标
1.能够从不同角度认识航空航天中的物质，并进行分类，诊断并发展学生宏观辨识的能力。
2.能够依据价类二维图分析N2H4和NO2推进剂的反应产物，充分认识到氧化还原反应的宏观特征与微观本质，诊断并发展学生基于物质类别、元素价态实现物质转化的观念，并比较不同推进剂优缺点，培养绿色化学的理念。
3.在水回收系统对于尿液的预处理中，能够从微观离子角度认识单过硫酸氢钾复合盐的制备原理并进行符号表征，能够基于 “结构决定性质”的核心观念，分析判断消毒、脱钙的作用原理与其结构的关系，诊断并发展学生微观探析、证据推理、科学探究的能力。
4.通过“航空航天中的物质及其变化”认知模型的建构、完善，诊断并发展学生的模型认知的能力；应用认知模型，体会航空航天研究人员设计空气循环系统的思路，诊断并发展学生模型应用与创新意识的素养。
5.通过系统体悟化学在航空航天中的重要作用，彰显化学物质、化学技术在航空航天中的重大贡献，诊断并发展学生对化学价值的认识水平，培养科学态度与社会责任的核心素养。
教学内容
教学重点：
1.从不同角度认识航空航天的相关物质，并进行分类，巩固物质分类的知识。
2.通过物质类别和元素价态分析推测N2H4和NO2反应的产物，实现物质间的转化，学会书写简单的氧化还原反应方程式，并表示出该反应的电子转移。
3.能够从微观离子角度认识单过硫酸氢钾复合盐制备原理并进行符号表征，并基于“结构决定性质”的理念分析判断消毒、脱钙的作用原理与该物质结构与组成的关系。
教学难点：
1.完成“航空航天中的物质及其变化”认知模型的建构与完善。
2.应用认知模型，完成航空航天空气循环系统的设计，认识到化学的价值。
教学过程
教学设计思路
“物质及其变化”全章复习四线一体化设计
教学设计过程
【大情境】从神舟十二号到神舟十三号，可以看到我国在航空航天领域的发展和提升是相当显著的，取得了众多突破，同时中国航空航天事业的发展也牵动着亿万中国人的心。化学作为一门中心学科，在航空航天中也承担着重要的角色，是航空航天发展的强有力工具。
环节一 创设问题情境，初识航空航天
[教师提问]对于航空航天材料，以合金为主，请同学们结合学习和生活经验，谈谈哪些合金材料能作为航空航天材料使用呢？同时回忆物质分类的知识，说明所属的类别。
[学生活动]认识常见的航空航天材料以及所属类别，如铝合金、镁合金、超高强度钢、锰合金、硅合金、铬合金、钛镍形状记忆合金等。
[教师补充]1、提供精确的时间是卫星导航定位系统正常运行所必需的，所以我国航空航天导航系统就利用了高精度铷原子钟，实现了导航；
燃料是航空航天器发动机动力的源泉，航空航天燃料包括航空燃料（飞机发动机的燃料）和航天燃料（火箭发动机的推进剂），常见燃料如图1所示：
图1 常见的航空航天燃料
【学生活动】基于科学思维从物质分类角度初识航空航天材料、航空航天导航系统与航空航天燃料。
环节二 符号表征，初步建构模型
【小情境】运载火箭、航天飞机所需动力源于燃料的氧化还原反应，将化学能转化为动能，伴随着部分热能的损失，中国的长征运载火箭主要采用肼（N2H4）和NO2推进剂。
[教师提问]请同学们想一想两者发生了怎样的氧化还原反应呢？
首先需要明确产物，请同学们尝试将物质类别与元素价态结合构建氮的价类二维图，来分析N2H4和NO2发生氧化还原反应后可能有的稳定产物？
[学生活动]回忆常见的含氮物质，思考其所属类别（如NO、NO2都属于不成盐氧化物，既不是酸性氧化物也不是碱性氧化物），与价态相对应，构建氮的价类二维图（图2 ）
图2 氮的价类二维图
[教师提问]同学们都知道氧化还原反应的宏观特征是有元素化合价的升降，因此结合氮的价类二维图该反应中化合价是怎样升降的呢？
[学生活动]分析N2H4和NO2，化合价一升一降，可发生归中反应得到含有0价氮的N2，另一种产物根据原子守恒可以得到是H2O。
[教师补充]其中N2H4中N元素化合价升高，本质是失去e-，作还原剂发生氧化反应，NO2中N元素化合价降低，本质是得到e-，作氧化剂发生还原反应，氧化产物和还原产物都是N2。明确了反应物和产物后，再根据得失电子守恒，即可配平方程式，这就是两者发生的氧化还原反应。
[教师提问]同学们都知道氧化还原反应的微观本质是有电子的转移，如何表示该反应的电子转移呢？
[学生活动]利用单线桥法或者双线桥法都可表示该反应的电子转移。
[教师补充]但这里需要注意用单线桥法表示时，箭头由反应物中失电子的元素指向得电子的元素，且箭头上只标注出转移电子的数目，分析得到该反应电子转移数为8。用双线桥法表示时，箭头则由反应物中变价元素指向生成物中同一元素，箭头上除标注电子转移数目外还需表明得到或者失去。
[教师小结]到此我们基于科学思维从能量转化视角和氧化还原视角认识了航空航天燃料中N2H4和NO2发生的氧化还原反应，并将元素价态与物质分类结合构建了价类二维图，结合价类二维图解决了问题。
[教师提问]但N2H4和NO2推进剂价格昂贵且具有很强的生物毒性，会造成巨大的安全隐患。因此要求各航天大国从环保经济等角度选择环境友好型的推进剂，同学们还知道有哪些推进剂呢？
[学生活动]回忆其他常见的推进剂，并从环保经济角度进行考虑。
[教师补充]比如液氢/液氧就是非常环保的火箭推进剂, 中国的长征五号运载火箭的一二级主发动机均采用了液氢/液氧推进剂, 但是该推进剂价格昂贵，对于储存、运输、加注、发动机制造等要求都很高。更好的推进剂比如甲烷、液氧推进剂, 该推进剂有环保、来源广泛, 价格低廉、容易储存等优点，引起了航天强国的广泛关注。
[教师小结]到此我们基于工程思维，从环保经济的视角认识了航空航天燃料。
环节三 解决真实问题，完善认知模型
【小情境】化学元素在航空航天的生命保障系统中也起到了重要作用，生命保障系统包括水、空气和食物。食物为不可再生，一般通过宇宙飞船运到空间站。水和空气为可再生，但其运输量和存储量非常有限，且代价昂贵, 因此对于水和空气的循环再生尤其重要。具体分为水回收系统和空气循环系统。
在水回收系统中，一类是处理大气中的水蒸汽, 可以在紧急情况下饮用, 但是通常通过电解用来产生O2，参与空气循环系统；另一类是废水的处理，尤其是处理宇航员的尿液，将收集到的水进行回收。
[教师提问]宇航员的尿液回收通常需要先经过脱钙、消毒等预处理措施。同学们想一想为何要对尿液进行脱钙消毒呢？
[学生活动]讨论思考对宇航员进行脱钙消毒的原因。
[教师补充]在失重条件下，宇航员尿液的钙水平因骨密度的降低而升高，同时宇航员喝不到充足的水，造成尿里的钙盐越来越浓，使得他们的肾脏遭受风险，故须在其中加入额外的化学物质，来脱钙，至于消毒则是为了防止细菌滋生。
[教师提问]如何进行脱钙消毒呢？
[学生活动]查阅资料思考要往尿液中加入什么化学物质进行脱钙消毒。
[教师提问]在尿液中往往使用单过硫酸氢钾复合盐（K2SO4•KHSO4•2KHSO5）进行脱钙和消毒，从物质分类角度，该物质属于化合物，化合物中属于盐，也属于电解质。
它的制备原理是：向过硫酸（一元强酸）与硫酸混合溶液中加入K2CO3，再进行结晶操作即可获得，同学们想一想该制备反应实质上是怎样发生的呢？如何进行符号表征呢？
[学生活动]回忆电解质在溶液中的反应实质上是离子之间的反应，因此需要从微观离子角度认识该反应，并用实际参加反应的离子符号来进行符号表征，书写离子方程式。
[教师补充]在该离子反应中H2SO5是一元强酸，属于电解质，完全电离产生HSO5-和H+，可拆写成离子符号，H2SO4与K2CO3同样可拆写成离子符号。其中H+与CO32-结合产生CO2（气体用化学式表示），HSO5-与H+、K+、SO42-结合形成单过硫酸氢钾复合盐，结晶析出，以结晶形式析出仍需以化学式表示。另外一种产物根据原子守恒分析是H2O，H2O也要用化学式表示。明确反应物与产物后，我们还需结合电荷守恒与原子守恒原则，才可以对该制备反应进行完整的符号表征，描述出实质上发生的离子反应。
[教师提问]请同学们想一想单过硫酸氢钾复合盐的作用原理是什么呢？
[学生活动]根据结构决定性质，分析HSO5-结构与消毒原理的关系，分析组成中能够沉淀Ca2+的成分。
[教师补充]组成中含有的HSO5-结构中有过氧键，与我们熟悉的氧化剂H2O2有相同的结构，相同结构的物质具有相同的性质，因此该复合盐可以消毒是利用了过氧键的强氧化性；组成中有SO42-，可以与Ca2+结合生成CaSO4沉淀故可以脱钙。
[教师提问]尿液脱钙处理后的分散系属于什么呢？
[学生活动]回忆分散系的分类，认识到属于浊液，后续需进行离心过滤处理。
[教师小结]到此我们基于科学思维，从离子反应视角氧化还原视角，以及基于工程思维，从物料循环视角认识了航空航天生命保障系统中的水回收系统。
综合以上我们基于科学思维中能量转化与物质转化的理论知识，基于工程思维中可持续可发展绿色化学的核心理念，建构并完善了航空航天中物质及其变化的认知模型（图3）。
图3 “航空航天中的物质及其变化”认知模型
环节四 角色扮演，应用认知模型
【小情境】宇航员正常的生命活动必须要源源不断地吸入空气中的O2，呼出CO2，如果舱内CO2浓度不断增高，会威胁到宇航员的生命；水回收系统中电解水产生O2虽然可供宇航员呼吸，但H2由于易燃性，其储存对于宇航员来说是非常危险的。
[教师提问]假如我们是航空航天研究人员，该如何去除CO2和H2呢？
[学生活动]结合刚刚构建的认知模型思考可能有的方案。
[教师补充]首先希望去除CO2（CO2属于酸性氧化物），基于工程思维物料循环视角，产物希望是O2，那么基于科学思维氧化还原视角，我们需要氧化剂。这样的氧化剂Na2O2和KO2等（两者都属于金属氧化物中的特殊氧化物），它们都能与CO2反应产生O2。
[教师提问]请同学们想一想我们该选择哪种氧化剂呢？
[学生活动]基于工程思维，应当从环保经济视角考虑。
[教师补充]发现若要产生等量的O2，需要KO2的质量约为Na2O2的0.6倍，而单位质量的Na2O2的价格更低，所以实际选择时需要综合考虑再决定，由此得到方案A。
[教师提问]但这只是去除了CO2，具有易燃性的H2该如何去除呢？
[学生活动]基于工程思维从物料循环环保经济视角考虑，H2最好能重新变回H2O，同时基于科学思维从氧化还原视角考虑，同样需要氧化剂。
[教师补充]研究发现CO2能与H2直接发生氧化还原反应得到H2O和C，这一方面实现了CO2的固定和H2的去除, 另一方面也为电解水制O2提供了H2O，实现了物料循环、环保经济。由此我们得到了方案B。综合比较两种方案，我们选择方案B来实现CO2和H2的去除与循环。
[教师提问]但这并不是完整的空气循环，老师想请同学们再想一想假如我们是航空航天研究人员，该如何设计完整的空气循环系统呢？
[学生活动]结合水回收系统中的电解水措施，进一步设计完整的空气循环系统。
[教师补充]通过进一步的设计我们可以看到宇航员呼出的气体经过装置(I)分离，空气重新回到舱内，而CO2和H2O分别进入反应器(II和III)发生反应，实现了空气的循环与再生，这就是完整的航空航天生命保障系统中的空气循环系统（图4）。
图4 航空航天空气循环系统
[教师提问]有没有别的实现空气循环的路径呢？
[学生活动]查阅资料思考其他的空气循环路径。
[教师补充]研究发现CO2在铁酸镍(NiFe2O4)纳米晶体催化下可直接分解成C和O2，这也为航空航天空气循环系统提供了新的途径。相信同学们可以感受到化学与航空航天的发展的确密不可分。
【本课总结】
本节课我们通过航空航天材料、航空航天导航系统、航空航天燃料以及航空航天生命保障系统的学习，建构、完善并应用了“航空航天中的物质及其变化”认知模型，认识到了化学对于航空航天的意义，其实化学的价值远不止于此，化学让世界更美好。
备注：
1、航空航天燃料的情境素材与航空航天生命保障系统的情境素材参考了文献—鹿现永, 化学元素与航空航天. 化学教育(中英文), 2019. 40(05): 第1-8页.
2、完整的空气循环系统图以及CO2的催化分解资料参考了文献—鹿现永, 杨青林与朱英, 航空航天特色的大学化学教学与实践. 大学化学, 2016. 31(06): 第21-25页.