資源簡介

學(xué)習(xí)任務(wù)單
課程基本信息
學(xué)科 高中化學(xué) 年級 高一年級 學(xué)期 秋季
課題 物質(zhì)及其變化（全章復(fù)習(xí)）
教科書 化學(xué)必修第一冊教材
學(xué)生信息
姓名 學(xué)校 班級 學(xué)號
學(xué)習(xí)目標
1.從不同角度認識航空航天中的相關(guān)物質(zhì)，并進行分類，鞏固物質(zhì)分類的知識。 2.學(xué)習(xí)通過物質(zhì)類別和元素價態(tài)分析推測N2H4和NO2反應(yīng)的產(chǎn)物，實現(xiàn)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化，學(xué)會書寫簡單的氧化還原反應(yīng)方程式，并表示出該反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移。 3.從離子反應(yīng)和氧化還原角度根據(jù)提供的單過硫酸氫鉀復(fù)合鹽的制備與組成結(jié)構(gòu)進行分析，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的觀念，學(xué)會書寫簡單的離子方程式，從微觀視角分析問題。 4.完成“航空航天中的物質(zhì)及其變化”認知模型的建構(gòu)、完善與應(yīng)用。
課前學(xué)習(xí)任務(wù)
1.復(fù)習(xí)物質(zhì)分類、離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)的重要知識和方法。
2.資料查詢航空航天資料，初步了解航空航天知識。
課上學(xué)習(xí)任務(wù)
【大情境】從神舟十二號到神舟十三號，中國航空航天事業(yè)的發(fā)展牽動著億萬中國人的心，化學(xué)在航空航天中也承擔著重要的角色，是航空航天發(fā)展的強有力工具。 環(huán)節(jié)一 創(chuàng)設(shè)問題情境，初始航空航天 【學(xué)習(xí)任務(wù)一】請結(jié)合學(xué)習(xí)和生活經(jīng)驗，談一談哪些合金材料能作為航空航天材料使用，并回憶物質(zhì)分類的知識，說明其所屬的類別。 航空航天材料物質(zhì)分類角度說明所屬類別
環(huán)節(jié)二 符號表征，初步建構(gòu)模型 【小情境】運載火箭、航天飛機所需動力來源于燃料的氧化反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動能伴隨著部分熱能的損失，中國的長征系列運載火箭主要采用肼（N2H4）和NO2推進劑。 【學(xué)習(xí)任務(wù)二】在圖1中構(gòu)建氮的價類二維圖；寫出N2H4和NO2發(fā)生氧化還原反應(yīng)的方程式并表示出反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移。 圖1 氮的價類二維圖 環(huán)節(jié)三 解決真實問題，完善認知模型 【小情境】水和空氣的循環(huán)再生對于航空航天尤為重要，航空航天的生命保障系統(tǒng)主要包括水回收系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)。 【學(xué)習(xí)任務(wù)三】宇航員的尿液回收通常需要先經(jīng)過脫鈣、消毒等預(yù)處理措施，研究發(fā)現(xiàn)在尿液中往往使用單過硫酸氫鉀復(fù)合鹽（K2SO4 KHSO4 2KHSO5）進行脫鈣和消毒。 1、制備原理：向H2SO5（一元強酸）與H2SO4混合溶液中加入K2CO3，再進行結(jié)晶操作即可獲得，試思考該制備反應(yīng)實質(zhì)上是怎樣發(fā)生的？如何進行符號表征呢？ 2、作用原理：根據(jù)單過硫酸氫鉀復(fù)合鹽的組成和結(jié)構(gòu)，說明消毒與脫鈣原理 【學(xué)習(xí)任務(wù)四】完善“航空航天中的物質(zhì)及其變化”認知模型 環(huán)節(jié)四 角色扮演，應(yīng)用認知模型 【小情境】若艙內(nèi)宇航員呼吸產(chǎn)生的CO2濃度過高，會威脅到宇航員的生命；水回收系統(tǒng)中電解水產(chǎn)生O2雖然可供宇航員呼吸，但H2由于易燃性, 其儲存也是非常危險的。 【學(xué)習(xí)任務(wù)五】假如我們是航空航天研究人員，該如何去除CO2和H2呢？試基于科學(xué)思維設(shè)計兩種不同方案，并基于工程思維選擇最佳方案并說明理由。 方案方案A方案B措施選擇最佳方案并說明理由
【學(xué)習(xí)任務(wù)六】請同學(xué)們進一步思考，假如我們是航空航天研究人員，該如何設(shè)計完整的空氣循環(huán)系統(tǒng)呢？ 【總結(jié)】本課內(nèi)容小結(jié)
推薦的學(xué)習(xí)資源
1、《航空航天概論》 2、《中國航天報》 3、《航空材料學(xué)報》教學(xué)設(shè)計
課程基本信息
學(xué)科 高中化學(xué) 年級 高一 學(xué)期 秋季
課題 物質(zhì)及其變化全章復(fù)習(xí)
教科書 化學(xué)必修第一冊教材
教學(xué)目標
1.能夠從不同角度認識航空航天中的物質(zhì)，并進行分類，診斷并發(fā)展學(xué)生宏觀辨識的能力。 2.能夠依據(jù)價類二維圖分析N2H4和NO2推進劑的反應(yīng)產(chǎn)物，充分認識到氧化還原反應(yīng)的宏觀特征與微觀本質(zhì)，診斷并發(fā)展學(xué)生基于物質(zhì)類別、元素價態(tài)實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的觀念，并比較不同推進劑優(yōu)缺點，培養(yǎng)綠色化學(xué)的理念。 3.在水回收系統(tǒng)對于尿液的預(yù)處理中，能夠從微觀離子角度認識單過硫酸氫鉀復(fù)合鹽的制備原理并進行符號表征，能夠基于 “結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的核心觀念，分析判斷消毒、脫鈣的作用原理與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系，診斷并發(fā)展學(xué)生微觀探析、證據(jù)推理、科學(xué)探究的能力。 4.通過“航空航天中的物質(zhì)及其變化”認知模型的建構(gòu)、完善，診斷并發(fā)展學(xué)生的模型認知的能力；應(yīng)用認知模型，體會航空航天研究人員設(shè)計空氣循環(huán)系統(tǒng)的思路，診斷并發(fā)展學(xué)生模型應(yīng)用與創(chuàng)新意識的素養(yǎng)。 5.通過系統(tǒng)體悟化學(xué)在航空航天中的重要作用，彰顯化學(xué)物質(zhì)、化學(xué)技術(shù)在航空航天中的重大貢獻，診斷并發(fā)展學(xué)生對化學(xué)價值的認識水平，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。
教學(xué)內(nèi)容
教學(xué)重點： 1.從不同角度認識航空航天的相關(guān)物質(zhì)，并進行分類，鞏固物質(zhì)分類的知識。 2.通過物質(zhì)類別和元素價態(tài)分析推測N2H4和NO2反應(yīng)的產(chǎn)物，實現(xiàn)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化，學(xué)會書寫簡單的氧化還原反應(yīng)方程式，并表示出該反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移。 3.能夠從微觀離子角度認識單過硫酸氫鉀復(fù)合鹽制備原理并進行符號表征，并基于“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的理念分析判斷消毒、脫鈣的作用原理與該物質(zhì)結(jié)構(gòu)與組成的關(guān)系。 教學(xué)難點： 1.完成“航空航天中的物質(zhì)及其變化”認知模型的建構(gòu)與完善。 2.應(yīng)用認知模型，完成航空航天空氣循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計，認識到化學(xué)的價值。
教學(xué)過程
教學(xué)設(shè)計思路 “物質(zhì)及其變化”全章復(fù)習(xí)四線一體化設(shè)計 教學(xué)設(shè)計過程 【大情境】從神舟十二號到神舟十三號，可以看到我國在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展和提升是相當顯著的，取得了眾多突破，同時中國航空航天事業(yè)的發(fā)展也牽動著億萬中國人的心。化學(xué)作為一門中心學(xué)科，在航空航天中也承擔著重要的角色，是航空航天發(fā)展的強有力工具。 環(huán)節(jié)一 創(chuàng)設(shè)問題情境，初識航空航天 [教師提問]對于航空航天材料，以合金為主，請同學(xué)們結(jié)合學(xué)習(xí)和生活經(jīng)驗，談?wù)勀男┖辖鸩牧夏茏鳛楹娇蘸教觳牧鲜褂媚兀客瑫r回憶物質(zhì)分類的知識，說明所屬的類別。 [學(xué)生活動]認識常見的航空航天材料以及所屬類別，如鋁合金、鎂合金、超高強度鋼、錳合金、硅合金、鉻合金、鈦鎳形狀記憶合金等。 [教師補充]1、提供精確的時間是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)正常運行所必需的，所以我國航空航天導(dǎo)航系統(tǒng)就利用了高精度銣原子鐘，實現(xiàn)了導(dǎo)航； 燃料是航空航天器發(fā)動機動力的源泉，航空航天燃料包括航空燃料（飛機發(fā)動機的燃料）和航天燃料（火箭發(fā)動機的推進劑），常見燃料如圖1所示： 圖1 常見的航空航天燃料 【學(xué)生活動】基于科學(xué)思維從物質(zhì)分類角度初識航空航天材料、航空航天導(dǎo)航系統(tǒng)與航空航天燃料。 環(huán)節(jié)二 符號表征，初步建構(gòu)模型 【小情境】運載火箭、航天飛機所需動力源于燃料的氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動能，伴隨著部分熱能的損失，中國的長征運載火箭主要采用肼（N2H4）和NO2推進劑。 [教師提問]請同學(xué)們想一想兩者發(fā)生了怎樣的氧化還原反應(yīng)呢？ 首先需要明確產(chǎn)物，請同學(xué)們嘗試將物質(zhì)類別與元素價態(tài)結(jié)合構(gòu)建氮的價類二維圖，來分析N2H4和NO2發(fā)生氧化還原反應(yīng)后可能有的穩(wěn)定產(chǎn)物？ [學(xué)生活動]回憶常見的含氮物質(zhì)，思考其所屬類別（如NO、NO2都屬于不成鹽氧化物，既不是酸性氧化物也不是堿性氧化物），與價態(tài)相對應(yīng)，構(gòu)建氮的價類二維圖（圖2 ） 圖2 氮的價類二維圖 [教師提問]同學(xué)們都知道氧化還原反應(yīng)的宏觀特征是有元素化合價的升降，因此結(jié)合氮的價類二維圖該反應(yīng)中化合價是怎樣升降的呢？ [學(xué)生活動]分析N2H4和NO2，化合價一升一降，可發(fā)生歸中反應(yīng)得到含有0價氮的N2，另一種產(chǎn)物根據(jù)原子守恒可以得到是H2O。 [教師補充]其中N2H4中N元素化合價升高，本質(zhì)是失去e-，作還原劑發(fā)生氧化反應(yīng)，NO2中N元素化合價降低，本質(zhì)是得到e-，作氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)，氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物都是N2。明確了反應(yīng)物和產(chǎn)物后，再根據(jù)得失電子守恒，即可配平方程式，這就是兩者發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。 [教師提問]同學(xué)們都知道氧化還原反應(yīng)的微觀本質(zhì)是有電子的轉(zhuǎn)移，如何表示該反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移呢？ [學(xué)生活動]利用單線橋法或者雙線橋法都可表示該反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移。 [教師補充]但這里需要注意用單線橋法表示時，箭頭由反應(yīng)物中失電子的元素指向得電子的元素，且箭頭上只標注出轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目，分析得到該反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移數(shù)為8。用雙線橋法表示時，箭頭則由反應(yīng)物中變價元素指向生成物中同一元素，箭頭上除標注電子轉(zhuǎn)移數(shù)目外還需表明得到或者失去。 [教師小結(jié)]到此我們基于科學(xué)思維從能量轉(zhuǎn)化視角和氧化還原視角認識了航空航天燃料中N2H4和NO2發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，并將元素價態(tài)與物質(zhì)分類結(jié)合構(gòu)建了價類二維圖，結(jié)合價類二維圖解決了問題。 [教師提問]但N2H4和NO2推進劑價格昂貴且具有很強的生物毒性，會造成巨大的安全隱患。因此要求各航天大國從環(huán)保經(jīng)濟等角度選擇環(huán)境友好型的推進劑，同學(xué)們還知道有哪些推進劑呢？ [學(xué)生活動]回憶其他常見的推進劑，并從環(huán)保經(jīng)濟角度進行考慮。 [教師補充]比如液氫/液氧就是非常環(huán)保的火箭推進劑, 中國的長征五號運載火箭的一二級主發(fā)動機均采用了液氫/液氧推進劑, 但是該推進劑價格昂貴，對于儲存、運輸、加注、發(fā)動機制造等要求都很高。更好的推進劑比如甲烷、液氧推進劑, 該推進劑有環(huán)保、來源廣泛, 價格低廉、容易儲存等優(yōu)點，引起了航天強國的廣泛關(guān)注。 [教師小結(jié)]到此我們基于工程思維，從環(huán)保經(jīng)濟的視角認識了航空航天燃料。 環(huán)節(jié)三 解決真實問題，完善認知模型 【小情境】化學(xué)元素在航空航天的生命保障系統(tǒng)中也起到了重要作用，生命保障系統(tǒng)包括水、空氣和食物。食物為不可再生，一般通過宇宙飛船運到空間站。水和空氣為可再生，但其運輸量和存儲量非常有限，且代價昂貴, 因此對于水和空氣的循環(huán)再生尤其重要。具體分為水回收系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)。 在水回收系統(tǒng)中，一類是處理大氣中的水蒸汽, 可以在緊急情況下飲用, 但是通常通過電解用來產(chǎn)生O2，參與空氣循環(huán)系統(tǒng)；另一類是廢水的處理，尤其是處理宇航員的尿液，將收集到的水進行回收。 [教師提問]宇航員的尿液回收通常需要先經(jīng)過脫鈣、消毒等預(yù)處理措施。同學(xué)們想一想為何要對尿液進行脫鈣消毒呢？ [學(xué)生活動]討論思考對宇航員進行脫鈣消毒的原因。 [教師補充]在失重條件下，宇航員尿液的鈣水平因骨密度的降低而升高，同時宇航員喝不到充足的水，造成尿里的鈣鹽越來越濃，使得他們的腎臟遭受風(fēng)險，故須在其中加入額外的化學(xué)物質(zhì)，來脫鈣，至于消毒則是為了防止細菌滋生。 [教師提問]如何進行脫鈣消毒呢？ [學(xué)生活動]查閱資料思考要往尿液中加入什么化學(xué)物質(zhì)進行脫鈣消毒。 [教師提問]在尿液中往往使用單過硫酸氫鉀復(fù)合鹽（K2SO4 KHSO4 2KHSO5）進行脫鈣和消毒，從物質(zhì)分類角度，該物質(zhì)屬于化合物，化合物中屬于鹽，也屬于電解質(zhì)。 它的制備原理是：向過硫酸（一元強酸）與硫酸混合溶液中加入K2CO3，再進行結(jié)晶操作即可獲得，同學(xué)們想一想該制備反應(yīng)實質(zhì)上是怎樣發(fā)生的呢？如何進行符號表征呢？ [學(xué)生活動]回憶電解質(zhì)在溶液中的反應(yīng)實質(zhì)上是離子之間的反應(yīng)，因此需要從微觀離子角度認識該反應(yīng)，并用實際參加反應(yīng)的離子符號來進行符號表征，書寫離子方程式。 [教師補充]在該離子反應(yīng)中H2SO5是一元強酸，屬于電解質(zhì)，完全電離產(chǎn)生HSO5-和H+，可拆寫成離子符號，H2SO4與K2CO3同樣可拆寫成離子符號。其中H+與CO32-結(jié)合產(chǎn)生CO2（氣體用化學(xué)式表示），HSO5-與H+、K+、SO42-結(jié)合形成單過硫酸氫鉀復(fù)合鹽，結(jié)晶析出，以結(jié)晶形式析出仍需以化學(xué)式表示。另外一種產(chǎn)物根據(jù)原子守恒分析是H2O，H2O也要用化學(xué)式表示。明確反應(yīng)物與產(chǎn)物后，我們還需結(jié)合電荷守恒與原子守恒原則，才可以對該制備反應(yīng)進行完整的符號表征，描述出實質(zhì)上發(fā)生的離子反應(yīng)。 [教師提問]請同學(xué)們想一想單過硫酸氫鉀復(fù)合鹽的作用原理是什么呢？ [學(xué)生活動]根據(jù)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，分析HSO5-結(jié)構(gòu)與消毒原理的關(guān)系，分析組成中能夠沉淀Ca2+的成分。 [教師補充]組成中含有的HSO5-結(jié)構(gòu)中有過氧鍵，與我們熟悉的氧化劑H2O2有相同的結(jié)構(gòu)，相同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)具有相同的性質(zhì)，因此該復(fù)合鹽可以消毒是利用了過氧鍵的強氧化性；組成中有SO42-，可以與Ca2+結(jié)合生成CaSO4沉淀故可以脫鈣。 [教師提問]尿液脫鈣處理后的分散系屬于什么呢？ [學(xué)生活動]回憶分散系的分類，認識到屬于濁液，后續(xù)需進行離心過濾處理。 [教師小結(jié)]到此我們基于科學(xué)思維，從離子反應(yīng)視角氧化還原視角，以及基于工程思維，從物料循環(huán)視角認識了航空航天生命保障系統(tǒng)中的水回收系統(tǒng)。 綜合以上我們基于科學(xué)思維中能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)轉(zhuǎn)化的理論知識，基于工程思維中可持續(xù)可發(fā)展綠色化學(xué)的核心理念，建構(gòu)并完善了航空航天中物質(zhì)及其變化的認知模型（圖3）。 圖3 “航空航天中的物質(zhì)及其變化”認知模型 環(huán)節(jié)四 角色扮演，應(yīng)用認知模型 【小情境】宇航員正常的生命活動必須要源源不斷地吸入空氣中的O2，呼出CO2，如果艙內(nèi)CO2濃度不斷增高，會威脅到宇航員的生命；水回收系統(tǒng)中電解水產(chǎn)生O2雖然可供宇航員呼吸，但H2由于易燃性，其儲存對于宇航員來說是非常危險的。 [教師提問]假如我們是航空航天研究人員，該如何去除CO2和H2呢？ [學(xué)生活動]結(jié)合剛剛構(gòu)建的認知模型思考可能有的方案。 [教師補充]首先希望去除CO2（CO2屬于酸性氧化物），基于工程思維物料循環(huán)視角，產(chǎn)物希望是O2，那么基于科學(xué)思維氧化還原視角，我們需要氧化劑。這樣的氧化劑Na2O2和KO2等（兩者都屬于金屬氧化物中的特殊氧化物），它們都能與CO2反應(yīng)產(chǎn)生O2。 [教師提問]請同學(xué)們想一想我們該選擇哪種氧化劑呢？ [學(xué)生活動]基于工程思維，應(yīng)當從環(huán)保經(jīng)濟視角考慮。 [教師補充]發(fā)現(xiàn)若要產(chǎn)生等量的O2，需要KO2的質(zhì)量約為Na2O2的0.6倍，而單位質(zhì)量的Na2O2的價格更低，所以實際選擇時需要綜合考慮再決定，由此得到方案A。 [教師提問]但這只是去除了CO2，具有易燃性的H2該如何去除呢？ [學(xué)生活動]基于工程思維從物料循環(huán)環(huán)保經(jīng)濟視角考慮，H2最好能重新變回H2O，同時基于科學(xué)思維從氧化還原視角考慮，同樣需要氧化劑。 [教師補充]研究發(fā)現(xiàn)CO2能與H2直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)得到H2O和C，這一方面實現(xiàn)了CO2的固定和H2的去除, 另一方面也為電解水制O2提供了H2O，實現(xiàn)了物料循環(huán)、環(huán)保經(jīng)濟。由此我們得到了方案B。綜合比較兩種方案，我們選擇方案B來實現(xiàn)CO2和H2的去除與循環(huán)。 [教師提問]但這并不是完整的空氣循環(huán)，老師想請同學(xué)們再想一想假如我們是航空航天研究人員，該如何設(shè)計完整的空氣循環(huán)系統(tǒng)呢？ [學(xué)生活動]結(jié)合水回收系統(tǒng)中的電解水措施，進一步設(shè)計完整的空氣循環(huán)系統(tǒng)。 [教師補充]通過進一步的設(shè)計我們可以看到宇航員呼出的氣體經(jīng)過裝置(I)分離，空氣重新回到艙內(nèi)，而CO2和H2O分別進入反應(yīng)器(II和III)發(fā)生反應(yīng)，實現(xiàn)了空氣的循環(huán)與再生，這就是完整的航空航天生命保障系統(tǒng)中的空氣循環(huán)系統(tǒng)（圖4）。 圖4 航空航天空氣循環(huán)系統(tǒng) [教師提問]有沒有別的實現(xiàn)空氣循環(huán)的路徑呢？ [學(xué)生活動]查閱資料思考其他的空氣循環(huán)路徑。 [教師補充]研究發(fā)現(xiàn)CO2在鐵酸鎳(NiFe2O4)納米晶體催化下可直接分解成C和O2，這也為航空航天空氣循環(huán)系統(tǒng)提供了新的途徑。相信同學(xué)們可以感受到化學(xué)與航空航天的發(fā)展的確密不可分。 【本課總結(jié)】 本節(jié)課我們通過航空航天材料、航空航天導(dǎo)航系統(tǒng)、航空航天燃料以及航空航天生命保障系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，建構(gòu)、完善并應(yīng)用了“航空航天中的物質(zhì)及其變化”認知模型，認識到了化學(xué)對于航空航天的意義，其實化學(xué)的價值遠不止于此，化學(xué)讓世界更美好。 備注： 1、航空航天燃料的情境素材與航空航天生命保障系統(tǒng)的情境素材參考了文獻—鹿現(xiàn)永, 化學(xué)元素與航空航天. 化學(xué)教育(中英文), 2019. 40(05): 第1-8頁. 2、完整的空氣循環(huán)系統(tǒng)圖以及CO2的催化分解資料參考了文獻—鹿現(xiàn)永, 楊青林與朱英, 航空航天特色的大學(xué)化學(xué)教學(xué)與實踐. 大學(xué)化學(xué), 2016. 31(06): 第21-25頁.

展開更多......

收起↑