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[关键词] 外语影视剧;审美倾向;文化嵌入
影视剧片名是文字意义和文化内涵的有机体,它应该能在提示影片的主要内容的同时,也能反映一个民族的文化底蕴。现在,电影片名已经作为影片中不可缺少的部分,表现了其独特的信息功能与美感功能。相应的,外语电影片名翻译就是一项重要而富有创造性的工作,片名翻译应以受众的感受为重点,以观众是否理解接受、符合汉语的表达习惯甚至朗朗上口、具有文学性为三个主要的衡量标准,做到严复先生提倡的“信、达、雅”以及许渊冲先生的“三美”原则。电影片名的导视作用除言简意赅地揭示剧情内涵、激发观众联想之外,重要的是引导观众去感受艺术,激发审美,吸引观赏,提高票房,因此富有艺术想象力的片名会起到不可低估的促销作用。电影片名的翻译不仅是翻译的问题,而且是美学的问题,片名翻译得好坏对于电影的传播有很大的关系。影视片名汉译既要有一定的文化品位,又要有良好的商业效应;既要忠实于原文,又要符合本国观众的语言文化习惯和审美情趣,以传递信息和唤起美感为目的。因此,电影片名的翻译又是艺术与审美价值再创造的过程。其存在的价值和生命的活力体现于被观众接受的程度。本文旨在探讨外语电影片译名的审美特征,并对其进行文化上的透视。
一、外语影视剧片名翻译中的审美期待
影视剧的片名如同产品的商标一样,商标代表商品服务质量和企业的信誉、形象并具有广告宣传的使用。影视剧的片名标明的是该剧的立场和主基调,同样具有宣传推销作用。除传达影视剧的主要内容之外, 还蕴含丰富的文化因素。优秀的影视剧片名往往有意无意地传递了音韵美、形式美和意境美等多层级的美。有些是直白尖锐,有些是隽永深沉,而有些又是发人深省的。基于不同的社会、人文、地理环境下所产生的语言文化,使得人们在思维方式、思维习惯、审美情趣和价值观念等方面而有不同。那么在外国影视剧的汉译中,中国观众的审美情趣或者说审美期待主要体现在形式和内容两个方面。
从形式上来说,西方人崇尚语言的简洁美,而中国人讲究语言的对称和谐。这主要是由两种语言的特点所决定的。汉语自古以来讲究的是音韵、节奏,抑扬顿挫,声调和谐,富有乐感。这样的音韵特点决定了汉语中有很多成语和四字对偶词语的表达。汉语成语和四字对偶词语节奏鲜明,言简意赅,形象生动,具有极强的表意功能和广泛的语法可容性。由此可见、外国影视剧片名的汉译如果能结合汉语特点,恰到好处地运用汉语四字对偶词语结构,不仅能传达影片的主题信息,补全原文没有完全表达出来的意境、音韵美及感染力,还能充分满足中国观众的审美期待,并使之产生心理共鸣,否则就会像失败的产品商标一样难以激发人们的消费意愿,直至影响到影片的商业效应。比如影片Mickey Blue eye的汉语译名,一是《蓝眼睛的米奇》,一是《黑帮女婿》。前者显然过于直白平实,难以吸引观众;而后者结合影片内容,采用四字对偶词语的表达,更具市场导向性。再如影片Generals Daughter The Mummy,一种译名是《将军的女儿木乃伊》,不仅没有突出影片内容,而且还容易使观众顾名思义对片中人物产生错位;而另一种译名《西点揭秘》 《盗墓迷城》则完全凸显了影片的主题内容并具有“传神达意”的功效。
从内容上来说,西方人喜欢直白,思维方式直来直去,趋于理性,中国人则推崇含蓄,思维表达方式含蓄婉约,趋于感性。文化差异给相互理解和交流带来了巨大的障碍和影响,影视剧片名翻译不仅仅是两种语言的转换,更是克服文化差异障碍,寻求两种意识体系的等效交流。影视剧片名好比影视的门楣,既要反映影片的中心内容,又要顾及其中的文化差异。优秀的影片让人回味无穷,成功的译名给人印象深刻。能让人通过片名的词汇意义,产生丰富而美丽的联想,从而激起人们对美好事物的向往与追求。影视剧的片名翻译要适当地考虑到观众的民族性格、文化性格,使之与译名达到融合,以最大限度地吸引观众。因此,外语电影片名汉译就要求这种反映是含蓄的。如美国电影 Bathing Beauty、 法国电影Belle de Jouz的汉语译名分别为《出水芙蓉》和《青楼红杏》。 两译名皆体现了中国语言文化“含蓄美”的特色。前者采用了中国传统的以物喻人的修辞手法,象征女主人公出污泥而不染的纯洁高尚,给人以无尽的遐想,后者的译名中,“青楼”“红杏”则是中国语言文化对“妓院”和“出轨妇女”委婉表达。
二、外语影视剧片名翻译中的审美文化嵌入
审美是人类独有的一种复杂而高级的心理、生理活动,这其中包括极其复杂的感官、心理、思维、情感等一系列的精神活动。翻译实践即是审美活动,蕴含着一定的本美学特质。 电影翻译本身就是一种艺术的再创造活动,而审美则是艺术的基本功能。在中西方不同的文化背景中,人们的审美取向也存在着一定的差异。中国人重综合、重归纳、重暗示、重含蓄,以无为本,从无到有,认为美与生活息息相关,美学与生活没有明显的界线,人们在生活中体念美;西方人重分析,以有为本,从有到实体, 认为美学独立于生活之上,和生活有着清晰的界限,这是渗透到中西文化各个方面的根本差异。影视剧是生活艺术的再现,体现电影内容的片名自然而然地包含了很多文化因素。因此,电影翻译应遵循文化本信息忠实传达的原则和文化审美的原则,在翻译中应尽可能地精确把握源语言中的文化信息, 不断进行选择和适应。
美国影片Home Alone的汉语译名为《小鬼当家》,在汉语言文化当中“小鬼”是对机智、调皮的小孩的一种昵称,表达了一种由衷的喜爱。 而影片中小欧文在家独自一人与两盗贼斗智斗勇的形象正符合汉语对“小鬼”的表达与褒扬。汉译既做到了译语标题与原片内容的统一,又实现了中国文化内涵的审美情趣。电影Waterloo Bridge的中文译名《魂断蓝桥》一直被奉为经典中的经典。如果依据英文直译成《滑铁卢桥》,乍一看,观众定会认为这是一部与拿破仑有关的战争片或介绍与该桥建筑有关的纪录片。但看过此片的观众都知道这是一部感人至深的爱情片。影片描绘的故事情节与陕西蓝田“蓝桥相会”的传说有着许多异曲同工之处。译者译成《魂断蓝桥》,不仅避开了中国观众由于地域文化差异、历史背景知识缺乏而引起的迷惑,而且“蓝桥”这一隐含中国文化的意象能使观众一看到片名便即刻领悟到这是关于爱情的电影 。
三、外语影视剧片名翻译中的文化审美传递
翻译是不同文化间的互动。作为文化的组成部分,外语电影片名不可避免地反映其所属文化的特征。因此,片名翻译又是一种典型的跨语言、跨文化的交际活动。语言是文化的载体,片名中的习语典故负载大量文化信息,常常不能单纯从字面意义理解。也就是说翻译不应局限于对源语言文本的描述,而在于该文本在译语文化里功能的等同、等值,使译语文本对译语文化的读者产生源语文本对源语文化的读者相同的效果。在翻译的过程当中如顾及到其所承载的文化积淀, 那将会收到意想不到的效果。
中国传统语言文化是人们长期社会文化生活的积累,是一种约定俗成的语言形式。因而具有中国传统文化韵味的外国电影片名汉译更容易得到中国观众的认同。这在许多经典的外语影视剧片名汉译中都可以看到中国传统语言文化元素的审美沉淀与传递。美国影片American Beauty的中文译名是《玫瑰情》。 American Beauty是一种美国红蔷薇。在英语语言文化中,红色蔷薇花象征崇高神圣的爱情,是对爱情的纯真和坚定的一种表意;而在汉语言文化中,玫瑰则代表温柔真心,热情真爱。汉语译名“玫瑰情”以中国玫瑰代替美国蔷薇,揭示出了影片的精神内涵为爱情,忠实地传达了源本文化审美信息。汉语是象形文字 , 而英语是一种字母文字,两种语言分属两大不同语系。要在这两种截然不同的语际间进行成功切换传递,对电影翻译工作者来说不是件易事。所以说翻译不仅仅是语言之间的切换传递,更是两种文化交流的社会现象。 如何在外语影视剧片名翻译中体现文化价值并成功切换传递,促进文化交流和理解,是电影片名翻译的重要任务。
四、外语影视剧片名翻译中文化审美的实现途径
外语影视剧片名的翻译说到底是一种审美再创造。如果说绘画的审美意义在于色彩的表达,那么电影片名翻译审美意义在于译者将原名的文化美感透过字里行间传导给观众。许渊冲先生所倡导的“三美”原则――音美、意美、形美――同样适用于电影片名的翻译。在外语影视剧片名翻译过程中,译者应根据源语影片所表现的文化美学特征,结合汉语文化特点创造性地、准确地译成符合观众审美能力和审美需求的片名。这就要求译者不仅要具有扎实的语言文学基本功、而且要有广博的文化知识和高度的责任心。
鉴于观众在知识面及文化背景等方面存在着差异,电影翻译工作者应尽可能地帮助观众去理解那些与一个民族的历史、 地域文化、 宗教习俗等有着密切相关的语言现象。 电影翻译中如果对某些特定文化意象不作任何修润处理,一味地采用直译的手法而不作任何文化诠释,就会造成文化意象的缺损, 文化含义的支离破碎。因此,译者要有较强的电影审美鉴赏能力和有良好的文学功底。恰如其分地把握原名的神韵并准确地加以再现,甚至超越原名的艺术水准,更好地体现影片的主题意义。
五、结 语
电影片名的翻译归根到底是文艺语体的翻译,因此要追求语言的艺术美,而这又与翻译本人的文化修养及中西学基础紧密相关。在译制过程中既要考虑西学色彩,更要考虑中学审美的向度,还要兼顾民俗文化诉求,只有这样,才能贯通中西,做到“三贴近”,适应市场经济的需要。换句话说,影片在市场上能否风行开来,提高票房的量,片名的雅俗皆宜、老少咸知、朗朗上口是关键。因此,翻译的“三美” 原则――音韵美、形式美和意境美是外语电影片名译者应遵循的原则,这样译出的片名才会迎合受众的审美倾向,才能为受众所接受。
[参考文献]
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[3] 许渊冲.翻译的艺术[M].北京:五洲传播出版社,2006.
【关键词】碳正离子中间体 重排反应 有机化学 特征
【中图分类号】 G 【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889(2013)12C-0146-03
在有机化学中,碳正离子的重排反应有重要的作用,但是因为其涉及的反应广泛,在有机化学的学习中人们很难通过单纯的记忆系统地掌握全部的反应。通过对比总结碳正离子重排反应的规律特征,可以加深人们对此类反应的理解和认识,从而更好地进行有机化学的学习和研究。
一、有机化学中常见涉及碳正离子中间体的重排反应
(一)Wanger-Meerwein重排
1.一元醇的重排机理本质。在醇分子中,羟基上的氧原子电负性很强,有两对孤对电子,在酸性条件下,这个氧原子上的孤对电子会从溶液中夺取一个质子H+,形成钅羊 盐,此时,氧原子连有两个氢原子,碳氧键极性增加,碳氧键断裂,氧原子得到了碳原子上的一个电子,以水分子的形式被脱去,剩下一个不稳定的碳正离子中间体,这个碳正离子经重排后得到较稳定的碳正离子中间体,最后经SN2反应或E1反应后得到相应的重排产物,如下图所示:
2.一元醇重排在反应中的应用。以3,3-二甲基-2-丁醇为原料制备烯烃为例,反应历程如下:
3.对比分析一元醇在稀硫酸条件下的脱水反应特征。比较丙醇与2-甲基-1-丙醇和2,2-二甲-4-甲基戊醇反应的区别:2-甲基-1-丙醇和2,2-二甲基-4-甲基戊醇在稀硫酸的作用下,反应得到的是重排产物;而丙醇在稀硫酸的作用下,形成的碳正离子,没有经历重排过程即生成了产物。由此得到的结论是:不是所有的醇,在稀硫酸的作用下,反应都经历碳正离子重排的过程。
那么,究竟是什么样的一元醇反应要经历重排过程呢?物质的存在与其自身的稳定性有很大的关系,重排后得到的碳正离子越稳定,重排性越大。在碳正离子中,带正电荷的碳离子核外只有7个电子,是一个缺电子的基团,这样的离子不满足八隅体规则,稳定性很低,但是与其相连的烃基通过超共轭效应,对碳正离子具有供电子的能力(如甲基),从而降低其缺电子的性质,提高了碳正离子的稳定性。结合供电子取代基的供电子能力与空间效应的影响考虑,碳正离子的稳定性由高到低排序为:叔碳正离子>仲碳正离子>伯碳正离子。实验事实表明:任何供电子的共轭效应,如p-π共轭和超共轭效应等,都能使碳正离子的稳定性提高。丙醇重排后的碳正离子还是原来的伯碳正离子,稳定性没有提高,所以这样的碳正离子不会发生重排,2-甲基-1-丙醇和2,2-二甲基-4-甲基戊醇,初步形成的分别是伯碳正离子,仲碳正离子、经重排后分别生成了更稳定的叔碳正离子。
(二)Pinacol重排
1.邻二醇重排机理本质。同样是含有羟基官能团的邻二醇,这两个官能团中的一个氧原子容易从溶液中获得一个质子,然后脱去一分子水,形成一个叔碳正离子中间体,叔碳正离子重排后以更稳定的羰基正离子的形式存在,同时这样的羰基正离子容易脱去质子,最后得到重排产物。如下图所示:
2.邻二醇重排在反应中的应用。以2,3-二甲基-2,3-丁二醇为例,反应历程如下:
3.对比分析邻二醇在酸条件下的反应特征。比较顺-1,2-环己二醇和反-1,2-环己二醇重排反应。
反应后,顺式邻二醇得到相同碳原子数的环,而反式邻二醇得到的是减少一个碳原子的环。究竟是什么原因导致了反应后两个环的碳原子数不相同呢?仔细观察上面的反应机理,不难发现,反应结束后,迁移基团与离去基团处于反式共平面上,从SN2的反应类型上解释,随着离去基团的离去,亲核试剂从离去基团的背面进攻,因为背面进攻可以最大限度地减少空间位阻效应,降低反应的活化能,环状邻二醇的碳碳单键是固定不动的,反式邻二醇的迁移基团要通过背面进攻,就必须先开环,这样互为顺反结构的邻二醇,具有不同的重排产物。而链状邻二醇的碳碳单键可以自由旋转,没有顺反结构的差异,因此不用考虑这个问题。
二、基团迁移能力探究
(一)基团迁移理论探究
上述两大碳正离子的重排反应,都是通过基团的迁移完成的,在碳正离子重排的反应中,迁移的基团是按怎样的顺序迁移,这是我们讨论碳正离子重排反应的重要问题。通过对以上例题的比较,不难发现,烷基的迁移顺序与其供电子的能力有关。我们已经知道,碳正离子核外只有7个电子,是一个缺电子的基团,具有一个空的p轨道,容易被亲核试剂进攻,我们可以把碳正离子重排的过程,看成是一次亲核反应的发生,这些迁移的基团就必须带有剩余的电子,才能够进攻带正电荷的碳,剩余电子越多,迁移性越高。即基团的供电子能力越强,迁移能力越强。从这一方面考虑,在重排反应中,能够迁移基团就不仅仅是烷基,而是一类可以进攻碳正离子的亲核分子。另一方面,断裂一个化学键是需要一定能量的,在空间位阻上也有一定的影响,这两个因素同样会影响基团的迁移顺序,但是迁移基团的剩余电子性质依然是影响基团迁移的主要原因 。我们可以通过重排后生成的碳正离子的稳定性比较,来判断反应中优先迁移的基团。
(二)重排反应中基团迁移顺序应用及分析
例:请写出ba1、ba2、ba3反应的机理。
ba1:3-甲基-3苯基-2-丁醇在硫酸条件下的反应机理。
解析:因为苯基的电子密度比甲基的高,所以在反应中优先迁移苯基。
ba2:3-甲基-2-丁醇在硫酸条件下的反应机理。
解析:3°C+的稳定性大于2°C+的稳定性,所以发生的是氢负离子的迁移。
ba3:解释反应机理。
解析:迁移的基团有烃基也有氢负离子,为得到稳定的环状产物,反应需要经过多种基团的多次迁移。
三、涉及碳正离子中间体的重排反应的特征
(一)涉及碳正离子中间体的重排反应的特征
上述两大类的重排反应有两大共性:一是首先通过一个亲电加成反应形成不稳定的碳正离子中间体;二是碳正离子通过类似亲核取代反应的过程,重排得到更稳定的碳正离子中间体。知道了这两个关键点,我们可以将碳正离子重排的机理运用在更多的反应上。
(二)涉及碳正离子中间体的重排反应的应用
请写出下列反应的反应机理。
bb1:写出反应 的机理和产物。
解析:通过重氮化得到重氮正离子,重氮正离子容易离去一个氮分子,得到碳正离子中间体,苯基的迁移能力大于甲基,苯基迁移后,正离子最后脱氢得到相应的产物。
bb2:写出反应
的机理。
解析:这是一个烷氧基的重排,首先在反应物的一个氧上发生亲电加成得到正离子,烷氧基正离子离去一个甲醇分子,得到不稳定的碳正离子中间体,氢负离子迁移,甲氧基分散碳上的正电荷,异丙基把电子供给碳离子,使得这个碳正离子的稳定性提高,溶液中的亲核试剂进攻这个正离子,最后脱氢得到产物。
bb3:写出反应
的机理。
第一种重排方式:
第二种重排方式:
解析:这是一个二烯酮酚的重排反应,反应中首先得到一个烯丙基碳正离子,具有二烯分子结构的离子,在共振中得到两种不同的共振离子,这两个离子按照反式共平面迁移的重排方式,经重排脱氢得到产物。
四、归纳
重排反应的反应过程可以归纳如下:反应首先生成一个不稳定的碳正离子,这个不稳定的碳正离子重排得到较稳定的碳正离子,最后稳定的碳正离子脱去一个质子或者是与溶液中的亲核试剂反应,得到相应的产物。所以,涉及碳正离子的反应的关键是碳正离子的稳定性的问题,有时候为了得到最稳定的碳正离子,在重排反应中伴有多种基团的多次迁移,能够分散碳正离子上的正电荷的基团都可以使碳正离子的稳定性提高。
【参考文献】
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[7]金圣才.有机化学名校考研真题详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010
【基金项目】广西壮族自治区高等教育新世纪教改工程项目(2012JS013);广西师范大学教改项目(师政教学[2013]18号)
本节是人教版化学必修2第二章《化学反应与能量》第三节的内容。在前面两节中,教材着重探讨化学能向其他能量的转化,并指出化学反应中的物质变化及伴随发生的能量变化是化学反应的两大基本特征。本节教材从另一个角度研究化学反应,是对前两节内容的延伸和完善。它探讨人们在面对具体的化学反应时要考虑的两个基本问题:外界条件对化学反应速率和化学反应限度的影响。人类要利用和控制化学反应,如提高燃料的利用率,必须了解这些问题。通过学习,学生会更深入、更全面地认识化学反应特征,能够建立有关化学反应与能量的完整而又合理的知识体系。同时为《化学反应原理》选修模块中化学平衡的建立、化学平衡常数、外界条件对化学平衡的影响等相关内容进行知识储备。
本节内容分为两课时,化学反应的速率为第一课时,第二课时为化学反应的限度。本节课重点讨论化学反应的限度。
二、学情分析
学生认知发展:高一上学期,学生已经接触过部分可逆反应,对化学反应速率也有一定认识,知道影响化学反应速率的因素,能够正确表示化学反应速率,并且已经初步具备了科学探究的一般方法和思路,会对数据进行基本的处理,能够基本概括出数据所蕴含的规律。
学生认知的障碍:教材上没有呈现化学平衡状态的建立这一微观过程的教学素材,对学生的抽象思维能力要求较高,使学生在建立平衡的观念上存在一定的难度。
三、教学目标
知识与技能:
1.知道化学反应限度的存在,了解化学反应限度产生的原因并理解其概念。
2.理解化学平衡状态的概念,理解化学反应达到限度的外在特征及本质原因。
3.培养学生发现问题的能力、实验探究能力、分析处理数据的能力和自主学习的能力。
过程与方法:通过对实验现象的分析,追其根本,发现问题并解决问题;学习科学探究的基本方法,提高科学探究能力。
情感态度与价值观:通过学习化学反应原理知识,学生更能理解化学科学,了解化学,体会化学在生产、生活中的重要作用,从而激发学生学习化学的兴趣。通过观察和分析实验现象,养成严谨细致的科学态度和质疑精神。
四、教学重点
可逆反应的概念,化学反应限度的概念和本质。
五、教学难点
可逆反应的理解;化学反应的限度和化学平衡状态的本质和标志。
六、教学方法
通过实验数据分析,引导学生发现问题,应用已学知识分析,从而得出结论;创设适当的情境,巧妙设计问题,基于学生原有知识和生活经验,逐个突破重点,理解难点。
七、教学过程
八、板书设计
化学反应的限度
一、可逆反应
1.定义:在同一条件下,正反应方向和逆反应方向均能进行的化学反应。
2.符号:
3.可逆反应的特点
(1)同一条件,同时进行(两同)
(2)反应进行不完全(反应物和生成物共存)
二、化学反应限度:可逆反应在一定条件下完成的最大程度。
三、化学平衡状态
1.定义
2.化学平衡的特征
①动:V正=V逆≠0,正逆反应都在进行,是一个动态平衡。
②等:V正=V逆>0
一、生物教学中对化学分子学知识的应用
1. 关于元素的异同
组成生物体的化学元素与化学教材中的相关元素有何异同?在讲到这一知识点时,可以先引申到化学教材中有关化学元素的特征,然后再通过比较,让学生理解和掌握生物体内组成化合物的元素和自然界中的元素在种类和含量之间的区别。如在介绍“元素含量差异”时,列举出碳元素在生物细胞干重中占55.59%,而碳元素在地壳中含量只有0.087%的事例,就能让学生对组成细胞的元素有清晰的认识,可以帮助学生加深理解并做到深刻记忆。
2. 关于化合物的异同
在讲授组成生物体的化合物这一知识时,可通过自然界的化合物可分为无机化合物和有机化合物两大类,引出组成生物体的化合物也可分为无机化合物和有机化合物两大类,但生物体内的化合物种类远远没有自然界的多。化学中无机化合物大致分为氧化物、酸、碱、盐等;而生物体内无机化合物包括水和无机盐两类。化学中根据有机物分子中所含官能团,分为烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃和醇、醛、羧酸、酯等,根据有机物分子中的碳架结构,可分为开链化合物、碳环化合物和杂环化合物三大类;而生物中有机化合物分为糖类、脂肪、蛋白质和核酸四大类。另外在含量上两者也有显著差异。这就说明了生物是自然界的一部分,两者有统一的一面,同时又存在着差异性。
3. 关于生物大分子的异同
生物大分子是组成生物体的主要物质,当讲到这一知识点时就可以与化学分子进行比较。以蛋白质为例,化学中讲解了蛋白质的知识,如蛋白质的组成元素、组成单位氨基酸、结构、性质、变性等,但组成生物体的蛋白质和化学中的蛋白质有许多不同之处。例如,组成单位氨基酸,在化学中只要含有氨基和羧基的化合物就称为氨基酸,而生物体内组成蛋白质的氨基酸只有约20种,它们都是α—氨基酸。在结构上要特别强调组成生物体的蛋白质有特定的空间结构,空间结构一旦被破坏,蛋白质就不是原来的蛋白质。在性质上要强调蛋白质的生物性,就是一旦失去生物活性,就不能完成生物体的各项功能。在讲到蛋白质的变性时,可通过化学中讲到的变性条件,物理因素可以是加热、加压、紫外线照射、超声波作用等;化学因素有强酸、强碱、重金属盐等,再结合生物体实际情况讲解生物体内的蛋白质变性知识。
二、生物教学中催化原理的应用
生物体内的化学反应能快速有效地进行,当讲到这一章节时,可以通过应用化学中的催化剂原理进行讲解。化学中的催化剂是指使化学反应变快或减慢或者在较低温度环境下进行化学反应,而它本身的质量和化学性质在反应前后保持不变的物质。 生物体内发生的各种化学反应正因为有了酶这种催化剂才能快速有效地进行。酶是一种特殊的催化剂,它与化学中的催化剂有着许多区别:从化学本质上看,绝大多数酶是特殊的蛋白质,而化学催化剂大多数是简单的化合物;从催化特点看,酶只能加快化学反应速率,并且一种酶只能催化一种或一类化学反应,而化学催化剂既有加快化学反应速率,也有减慢化学反应速率,并且可以催化多种化学反应;从催化效率看,酶是一种高效催化剂,它的催化效率是普通催化剂的10~100倍。从这几方面比较,学生就容易掌握酶的多样性、高效性和微量性的特点。
三、生物教学中氧化还原原理的应用
生物体内发生的反应大多是氧化还原反应,如光合作用、细胞呼吸等,若能巧妙利用氧化还原原理,对掌握生物体内发生的化学变化有很大帮助。以有氧呼吸过程为例,如果我们掌握了氧化还原反应过程中得失电子总数相等的原理,我们就能很容易推出1 mol葡萄糖完全氧化需要6 mol氧气参与,而6 mol氧气完全被还原成水需要24 mol [H],这就说明在有氧呼吸过程的第二阶段必须有6 mol水参加反应才能生成20 mol [H],这样才能保证电子得失守恒。
四、生物教学中化学反应原理的应用
化学反应能否进行取决于化学物质本身的结构和性质,有些反应能够进行,有些反应不能进行,有些反应是某些物质的特征反应,化学上常利用这些反应来进行物质的鉴别。生物教学中在探究生物体内反应原理时,为了探究反应的步骤和反应的中间产物,常常需要鉴别某些反应的中间产物。例如酵母菌是一种兼性厌氧型生物,它在有氧和无氧条件下都能生存。为了探究酵母菌发酵产生酒精的反应条件是有氧还是无氧,我们要分别对有氧和无氧条件下的产物进行鉴定。首先要鉴定二氧化碳的产生,要用到化学中二氧化碳的鉴别方法(使澄清石灰水变浑浊)来观察二氧化碳产生的速度。其次要探究酵母菌是在无氧条件下发酵产生酒精,还是在有氧条件下产生酒精,要探究两种不同条件下是否都能产生酒精。要鉴别酒精的产生要用到化学中酒精的鉴别方法(在酸性条件下,橙色的重铬酸钾溶液与酒精发生化学反应变成灰绿色)。在生物实验教学中,检测生物组织中各种物质的种类时也会用到很多化学知识,如在检测还原糖存在时必须要知道还原糖与斐林试剂的特征反应等。
五、化学方程式的应用(生理反应式和化学反应式的异同)
细胞中的化学反应式是生命特有的一种现象,用现在观点说是基因的选择性表达,是有一定的生物目的,如提供能量、形成某种物质参与机体的构建等,基本上都是有机反应,且都是在常温常压下进行的酶促反应。而化学反应(化学角度)是一种非生命现象的过程,不具有特定的生命目的,且大多数反应条件苛刻。因此在书写生理反应式时要注明反应的场所,注明反应条件和目的,如以下三个反应是以能量代谢为目的:
光合作用:6CO2+12H2O C6H12O6+6H2O+6O2
有氧呼吸:C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O+大量能量
在教学中,我们对化学变化的研究,从第二章就已经正式开始了.初始时由于学生学科知识的缺乏,我们只能用物质的名称代入进行表达——文字表达式.在学习了物质化学式的书写以后,又演化成符号表达式,进而在学习了质量守恒定律之后,最终定格成化学反应表达的终极形式——化学方程式.从表达的内容上看,方程式既是对前两种表达方式功能上的延续,也是完善和发展.因此,在教学中,教师如何引导学生正确书写化学方程式至关重要.我认为对化学方程式书写的价值应主要从定性和定量两个方面进行分析.
一、定性的研究
在初中化学教学中,化学方程式的书写完善了化学用语的学习,从元素符号到化学式再到化学方程式,由易到难,循序渐进.同时也使学生在学习的过程中体会到从宏观到微观、从现象到本质的化学研究过程,深刻认识到化学研究有规律可循.
化学方程式书写的要求过程中有助于培养学生尊重客观事实形成实事求是、严谨求实的科学态度,帮助学生理解反应条件反应物和反应生成物之间的关系.
首先,这个反应应是客观存在的,即反应物可以反应.
例如,铜不能与稀盐酸、稀硫酸反应,我们就不能写出它们反应的化学方程式.写出来,配平了也是错的,因为这个反应根本就不能发生.
其次,反应条件的限制.有些物质在反应时是需要一定条件的,没有了条件限制,要么反应不能发生,要么就会向着另外一个方向进行,因此,让学生把握化学反应的条件,不仅是实事求是,更是尊重科学的表现.
例如,“一氧化碳还原氧化铁”需要高温的条件,没有高温,反应就不能进行;“二氧化碳与水反应”,直接通入水中的二氧化碳会与水反应生成碳酸,但假如反应条件变成了光照和叶绿素生成物,也就变成了葡萄糖和水.
在反应条件的限制中,还有一个就是催化剂的影响.学生需要了解催化剂的特征和功能,知道催化剂在化学反应中的作用,真正认识到催化剂在化学反应中只是起到改变化学反应速度的作用,并不会直接参与化学反应,反应前后催化剂本身的质量和化学性质均不变.
化学方程式还能反映出化学反应的基本类型:初中阶段,学生应该掌握四种基本化学反应.学生在书写中,能清晰地知道反应物、生成物的种类,从而掌握化学基本反应的类型和特征.能够帮助学生清楚某些物质的状态.
在微观方面,化学方程式也可以看出微粒在化学反应中发生了改变,有利于学生进一步理解化学反应的本质.在化学反应中,分子可分而原子不可分,化学反应的本质就是分子分解成原子,原子又重新组合成新的分子的过程.
二、定量的研究
化学方程式的书写是联系质量守恒定律和进行化学计算的“中介”.学生要正确书写化学方程式,必须要依据质量守恒定律,而正确书写化学方程式又是进行化学计算的基础.化学方程式是继元素符号、化学式之后又学习的一种化学用语.
在化学方程式中,我们可以看到反应物和生成物的微粒个数比,还可以明确地发现在化学反应前后原子的个数、种类和每一种原子的质量均不变.
例如,电解水的反应过程,2H2O通电2H2+O2.可以清楚地看到,在反应过程中,氢、氧原子的个数都没有变,而且反应的实质只是两种原子重新组合的过程.
其次,化学方程式的书写是建立在质量守恒定律的基础上的,通过化学方程式的书写,进一步探究质量守恒的机理,并且能从量的角度认识反应物和生成物的质量关系,也为根据化学方程式计算作好铺垫.
一、教材和教学对象分析
1.教材地位
化学反应限度属于化学反应原理范畴,是化学学科最重要的原理性知识之一,也是深入认识和理解化学反应特点和进程的入门性知识,在社会生产、生活和科学研究中有广泛应用.
2.教学对象分析
在必修1中对可逆反应已有介绍,但对于大部分的化学反应都是可逆反应,都有反应限度,学生接受还有困难.
二、教学设计
1 教学目标
(1)知识与技能
①知道可逆反应的概念,了解可逆反应的基本特征.
②知道可逆反应在一定条件下能达到平衡状态.
(2)过程与方法
①通过实验帮助学生领悟化学反应是有一定限度的.
②利用图形分析体会化学平衡的建立过程.
(3)情感、态度和价值观
在分析交流中善于发现问题,敢于质疑,培养学生独立思考能力及团队合作精神.
2.教学重点
学会判断可逆反应.
3.教学难点
(1)运用实验探究的方式,认识可逆反应的限度问题.
(2)通过图形分析了解可逆反应达到平衡状态的过程.
4.教学过程
【设疑】为什么用增加高炉高度的办法不能减少炼铁高炉气中CO的含量?
设计意图:从工业生产出发创设情境,让学生带着疑问进入课堂.
【情境导入】回忆钠与水、氯气溶于水的反应现象,书写反应方程式.
设计意图:回忆旧知识建立新知识体系.
【总结】很多反应都像氯气和水反应一样,是有限度的.
【活动与探究】氯化铁溶液与碘化钾溶液的反应.
实验1:向碘化钾溶液中加氯化铁溶液.
实验2:在反应1的溶液中加入四氯化碳,振荡、静置.
实验3:取2的上层清液,滴加硫氰化钾溶液.
【设问】实物投影展示不同学习小组实验现象的差异,为什么实验3的颜色深浅会不同呢?
【追问1】试剂量加的多了颜色会加深,说明什么呢?
【追问2】化学反应限度是孤立的吗?
【总结】化学反应到达限度是需要一定条件的.
设计意图:探究活动既能锻炼学生的动手能力,还能产生思维碰撞,激发探索热情;设计问题引导学生深入思考、讨论,达到对问题全面、深入的认识.
【板书】一、可逆反应
1.定义:在同一反应条件下,既能向正反应方向进行,又能向逆反应方向进行的化学反应.
2.可逆反应方程式的连接号:
【提问】我们学过哪些可逆反应?写出这些反应的化学方程式.
【练习】把3 mol氢气和1 mol氮气置于密闭容器中反应能够得到2 mol氨气吗?
【总结】3.可逆反应的特征:
(1)反应有一定限度.
(2)反应物和生成物共存.
设计意图:回顾知识总结可逆反应,培养学生自学和总结的能力.设计对应练习,建构知识网络,培养学生主动探索,勇于解决问题的科学精神.
【议一议】对于一个可逆反应,当反应达到最大限度时,是否就意味着反应停止了呢?
【交流与讨论】
(1)反应开始时,C(反应物)和C(生成物)哪个大?v(正)和v(逆)哪个大?
(2)反应进行时,C(反应物)和C(生成物)如何变化?v(正)和v(逆)怎样变化?
(3)反应进行到什么时候会“停止”?C(反应物)和C(生成物)如何变化?
(4)反应真的停止了吗?
设计意图:速率与时间的动态变化图将抽象的知识具体化,设计问题帮助学生建构知识网络.
【板书】二、化学平衡
1.化学平衡状态:可逆反应在一定条件下进行到一定程度,正反应速率和逆反应速率相等,反应物和生成物的浓度不再发生变化的状态.
【讲述】化学平衡不是停止的,而是一个动态的平衡.
【板书】2.化学平衡的特征:
①研究对象:可逆反应
②前提条件:一定条件
③内在本质:正逆反应速率相等,但不等于零
④外在特征:各物质浓度保持不变
设计意图:规范知识体系.
【思考】为什么用增加高炉高度的办法不能减少炼铁高炉气中CO的含量?
【学生回答】高炉炼铁是一个可逆反应,一旦达到平衡,在外界条件不变的情况下,反应体系中各物质的含量是一定的.
设计意图:使知识得到升华,培养学生化学严谨性和归纳总结的能力.
【作业】1.请学生寻找生活中常见的存在化学反应限度的事例,下节课与同学分享.
2.如果你是一家合成氨工厂的厂长,你会考虑哪些问题呢?(结合本节所学回答)
设计意图:设计开放性的作业,巩固本节知识,加强学生的分析能力.
三、教后反思
《化学反应限度》在必修阶段的学习要求较低,能认识可逆反应有一定的限度,知道可逆反应在一定条件下能达到化学平衡状态即可.学生学习过后常有这样的想法――“化学反应限度有什么用?”,因此,我们采用生产中的例子,创设情境,引入教学,激发学生的学习兴趣.通过学习,学生能够解决“工程师设想”的问题,感受到学习的收获.
在现行高考模式下,化学学科的学习时间被大大压缩,化学教师更应该立足课堂,充分激发学生的学习兴趣,培养学生的思维品质.我们把“活动与探究”设计成学生分组实验,给学生动手的机会,学会从观察中获取信息,从思考中发现问题,从合作讨论中获取知识.
通过对实验现象的分析,学生较容易得出“化学反应存在限度”这个结论.将不同的实验现象进行对比,引导学生关注实验过程,加深对知识的理解,激发他们学习与探究地热情.为什么氯化铁溶液的用量是5~6滴?两种反应物的用量能否颠倒?进一步加深对化学反应限度的认识,这样既培养了学生高层次的思维品质,又让学生体会到了学习化学的严谨性.
使学生理解浓度、压强、温度和催化剂等条件对化学反应速率的影响;
使学生能初步运用有效碰撞,碰撞的取向和活化分子等来解释浓度、压强、温度和催化剂等条件对化学反应速率的影响。
能力目标:
培养学生的观察能力及综合运用知识分析解决问题、设计实验的能力,培养学生的思维能力,阅读与表达能力。
情感目标:
通过从宏观到微观,从现象到本质的分析,培养学生科学的研究方法。
教材分析
遵照教学大纲的有关规定,作为侧重理科类学生学习的教材,本节侧重介绍化学反应速率和浓度、压强、温度、催化剂等条件对化学反应速率的影响,以及造成这些影响的原因,使这部分知识达到大纲中所规定的B层次或C层次的要求。本知识点,按最新教材来讲。
教材从一些古代建筑在近些年受到腐蚀的速率大大加快等事实引出化学反应速率的概念,并通过演示实验说明不同的反应具有不同的反应速率,以及浓度、温度等对化学反应速率的影响。教材注意联系化学键的有关知识,从化学反应的过程实质是反应物分子中化学键的断裂、生成物分子中化学键的形成过程,以及旧键的断裂和新键的形成都需要通过分子(或离子)的相互碰撞才能实现等,引出有效碰撞和活化分子等名称。并以运动员的投篮作比喻,说明只有具有足够能量和合适取向的分子间的碰撞才能发生化学反应,教材配以分子的几种可能的碰撞模式图,进一步说明发生分解反应生成和的情况,从中归纳出单位体积内活化分子的数目与单位体积反应物分子的总数成正比,也就是和反应物的浓度成正比,从而引导学生理解浓度对化学反应速率的影响以及造成这种影响的原因。接着,教材围绕着以下思路:增加反应物分子中活化分子的百分数增加有效碰撞次数增加化学反应速率,又进一步介绍了压强(有气体存在的反应)、温度、催化剂等条件对化学反应速率的影响以及造成这些影响的原因,使学生对上述内容有更深入的理解。
教材最后采用讨论的方式,要求学生通过对铁与盐酸反应的讨论,综合运用本节所学习的内容,进一步分析外界条件对化学反应速率的影响以及造成这些影响的原因,使学生更好地理解本节教材的教学内容。
本节教材的理论性较强,并且具有一定的难度。如何利用好教材中的演示实验和图画来说明化学反应发生的条件,以及外界条件对化学反应速率的影响是本节教材的教学关键。教师不可轻视实验和图画在本节教学中的特殊作用。
本节教学重点:浓度对化学反应速率的影响。
本节教学难点:浓度对化学反应速率影响的原因。
教学建议
化学反应速率知识是学习化学平衡的基础,学生掌握了化学反应速率知识后,能更好的理解化学平衡的建立和化学平衡状态的特征,及外界条件的改变对化学平衡的影响。
浓度对化学反应速率的影响是本节教学的重点。其原因是本节教学难点。这部分教学建议由教师引导分析。而压强、温度、催化剂的影响可在教师点拨下由学生阅读、讨论完成。
关于浓度对化学反应速率的影响:
1.联系化学键知识,明确化学反应得以发生的先决条件。
(1)能过提问复习初中知识:化学反应的过程就是反应物分子中的原子重新组合成生成物分子的过程。
(2)通过提问复习高中所学化学键知识:化学反应过程的实质是旧化学键的断裂和新化学键的形成。
(3)明确:旧键的断裂和新键的生成必须通过反应物分子(或离子)的相互接触、碰撞来实现。
2.运用比喻、图示方法,说明化学反应得以发生的必要条件是活化分子发生有效碰撞。
(1)以运动员的投篮作比喻。
(2)以具体的化学反应为例,让学生观看HI分子的几种可能的碰撞模式图(如制成动画教学软件加以模拟会收到更好的效果),进一步说明化学反应得以发生的必要条件。
关键词:化学反应的方向;教学设计;中学化学教学
文章编号:1005-6629(2012)2-0030-02 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
1、设计思想
以“从具体的知识传授到核心观念建构,从知识解析为本到基於学生认识发展”为指导思想,依据《课程标准》中“能用焓变和熵变说明化学反应的方向”要求,从本节涉及的“化学反应的方向、焓变与反应方向有关的概念、熵变与反应方向有关的概念”等具体知识的教学,上升到帮助学生形成“化学反应的方向问题;化学反应的方向可以用反应体系的某些物理量的变化作判据;和自然现象一样,化学反应一般由‘高能’趋向‘低能’、由‘有序’趋向‘无序’等”;从对“焓判据”和“熵判据”的知识解析,上升到通过举证的方法进行证实或证伪,从而促进学生认识的发展。
2、教材分析与比较
本课题内容属原理性知识,在现行3种版本的高中教材《化学反应原理(选修)》中“化学反应速率和化学平衡”一章中都有体现,但有关内容的编排顺序有所不同(见表1),人教版是按“速率化学平衡(限度)方向”的顺序,意在化学反应进行的方向要用到焓变和熵变知识,需要对化学反应的实质有更多的领悟,所以把它放最后,以知识的方式呈现出来,即从内容的难度考虑;鲁科版是按“方向限度速率”的顺序,旨在反映化学反应研究的一般思路,即对一个任意设计的化学反应,首先需要判断的是,它在指定条件下有无可能发生,以及在什么条件下有可能发生;对於有可能发生的反应它的限度如何?最后是反应实际进行的情况还涉及反应的速率问题,即从化学反应的一般研究过程考虑。苏教版是按“速率方向限度”的顺序,考虑在此之前学生通过在必修教材《化学2》的学习,已经能定性地认识化学反应有陕有慢,知道许多化学反应中反应物不能完全转化为生成物等相关知识,引导学生回顾已有知识的基础上进行新知识的学习,实现新知识与原有知识的融合,即从学生的学习经验出发。
3种版本的教材,虽然在编排和呈现方式表现不同特点,但在内容上都紧紧围绕课程标准,在知识的深度上没有过高要求。从化学反应的自发性、焓变和熵变与化学反应方向的关系等具体内容出发,突出学生已有的生活经验和认知基础,以帮助学生形成基本的化学观念、促进学生对化学反应原理更全面的认识为根本目的。同时,教材为教师的教学和学有余力的学生进一步学习留下空间,教师在教学中不必拘泥於某一版本的教材,可结合学生的认知基础和学习需求,选择适当的教学方法。
3、教学目标
[基础性目标]
(1)通过经验和直观体验,认识自然界中的自发过程及特征,并迁移到化学反应的自发过程,形成“化学反应存在方向”的认识。
(3)通过归纳的方法,知道H<0有利於化学反应的自发进行,并通过“证实和证伪”的方法,认识焓变不是判断反应自发的惟一因素。
(3)通过简单的实验活动和体验,知道“熵”可用来描述体系的混乱程度,认识S>O有利於化学反应的自发进行,但不是判断反应自发的惟一因素。
[提高性目标]
(4)学会从现象分析到理论探究的科学方法,形成“―定条件下化学反应自发进行的趋势,并不意味该条件下反应能实际发生”的观念。
(5)通过分析和概括焓变与熵变对反应方向的共同影响,初步认识这两个因素不是孤立而不相互关联的,形成对事物发展或变化整体认识的观念和全面分析的方法。
(6)通过基於“熵增原理”上的类比体验,强化环境保护与低碳生活的重要性和迫切性。
4、教学重、难点
焓变、熵变对化学反应自发过程的影响
【关键词】化工生产;工艺流程;产排污;一般特征
0 引言
一般来说化工产品的生产过程都比较复杂,主要体现在生产工序多、操控要求高。有时要得到一个化工产品需要经过几十个工序,动用上百个设备。但有一点是不变的,那就是任何化工产品的生产过程都包含若干个化学反应、产物分离、物流输送流程、热量传递等单元式的生产过程。因此,为了便于对化工生产工艺流程中产排污一般特征的认识,可将化工生产工艺流程分割成化学反应、物料分离、物料输送流程及热量传递、物料的计量包装等单元式的工艺流程。在认识化工生产产排污一般特征时,从单个流程开始认识,逐个分析击破,最后再将污染源汇总,达到了解化工生产产排污特征的目的。
1 化工生产工艺流程的组成
化工生产工艺流程可分割成物料输送、传热工艺、化学反应工艺、物料分离工艺以及物料计量、包装工艺等单元式组成部分,需要强调的是将化工生产工艺分割成单元式工艺流程只不过是为了便于认识工艺流程产排污特征的一种理想化设想,在实际化工生产过程中这些单元式工艺流程之间并不存在严格界限,它们都是有机融合在一起的。
1.1 物料输送工艺流程
物料输送是在化工生产过程中将物料从一个设备输送到另一个设备工序安排的程序。在化工生产过程中会使用很多设备,也将需要将物料在各设备之间转移的工序。由管路、储罐和输送设备组成的工艺流程即为化工生产过程中的物料输送工艺流程。物料输送工艺流程是化工生产工艺流程中的纽带,是将各生产设备联系在一起的生命线。合理的输送工艺流程不仅能提高生产效率而且能降低能耗,反之亦然。
1.2 传热工艺流程
传热工艺是在化工生产工艺过程中控制温度、压力工序安排的程序。化学反应和反应物料的分离都是在一定的温度、压力下进行的,用来控制化工生产过程中温度、压力下进行的,用来控制化工生产过程中温度、压力的工艺流程即为能量传递工艺流程。合理的能量传递工艺流程能大大地提高生产效率而且能极大地减少能耗,降低生产成本,提高经济效益,它也是衡量该生产工艺水平的一个重要指标。
1.3 化学反应工艺流程
化学反应是化工原料在反应装置里进行化学反应得到新产品工序安排的程序,它是化工生产工艺流程的核心部分,它的先进与否直接关系到该生产工艺技术水平。很明显,在化工生产过程中肯定会发生一个或多个化学反应,只有发生化学反应的生产过程才是化工生产过程。
1.4 物料分离工艺流程
物料分离是将化学反应工艺流程中的生成物分离成高纯度产品各项工序安排的程序,有时也称之为传质工艺流程。原料在发生化学反应时会同时发生很多副反应,也就会产生很多副产物。而化工生产是要根据工艺要求得到较纯物质,因此,在化工生产过程中就必须将发生化学反应得到的混合物进行分离从而得到较纯的物质。实际上,之所以认为化工生产过程复杂,主要表现在反应混合物的分离过程复杂。一个产品的分离可能包含吸收、精馏、过滤、萃取、结晶、干燥等多个工序。化工生产物料分离工艺流程是化工生产工艺流程的主要部分,它的优良与否直接关系到该产品的收率情况,也是衡量该生产工艺水平的主要指标。
1.5 物料计量、包装工艺流程
计量就是在化工生产过程中对原料、中间产物、产品进行量化的过程。包装是为便于产品的储运、对外供应而进行的一种操作。在化工企业中,物料的计量、包装是化工生产过程不可或缺的一部分。准确、快速对物料计量、包装对确保整个化工装置生产过程的安全连续运转,有着非常密切的关系和重要作用。
2 产排污一般特征分析
分析化工生产中的产排污通过将化工生产工艺流程分割成单元式的工艺流程,从单个流程开始逐个分析认识,将复杂的流程分段梳理,达到了解掌握整个生产流程产排污情况的目的。笔者以某公司天然气制亚氨基二乙腈生产工艺为例,将化工生产根据单元式工艺流程分段划分对其产排污一般特征进行分析。
2.1 物料输送过程的产排污
物料输送过程中的产排污主要指生产中所使用的易挥发原辅料,在生产过程中贮存、使用等环节,不可避免地产生挥发气体,排放废气主要发生在两部分:生产系统和储运系统,包括无组织逸散和有组织排放。将产生的挥发性气体通过管道集中收集处理后排放可转变为有组织排放。
天然气制亚氨基二乙腈项目生产系统排放集中在氢氰酸装置液氨净化工序、氢氰酸反应工序、甲醛装置甲醛合成工序、羟基乙腈装置羟基乙腈合成工序产生的NH3、甲醇、甲醛等挥发性气体,主要发生的节点在反应釜阀门的泄漏及原料液输送转移过程。储运系统排放集中在氨罐区、甲醇罐区、甲醛罐区等,主要污染物为NH3、甲醇、甲醛等挥发性气体。
2.2 传热工艺过程的产排污
传热工艺过程中的产排污主要指生产中的集中供热、供汽系统所排放的污染物,天然气制亚氨基二乙腈项目具体是指废热锅炉(包括尾气燃烧炉和有机废液焚烧装置)产生的锅炉废气和锅炉排污水。
2.3 化学反应过程的产排污
化学反应过程通常是一个密闭的工艺系统,产排污一般特性为工艺过程产生的不凝气体和反应废催化剂。天然气制亚氨基二乙腈项目具体是指反应装置产生的尾气和废催化剂,其中尾气成分以CH4、HCN、CO为主,属可燃性气体,处置手段为尾气吸收后燃烧排放,主要污染因子包括烟尘、SO2、NOx等;废催化剂包括氢氰酸装置氢氰酸反应器产生的废催化剂、甲醛装置甲醛合成产生的废银催化剂等。
2.4 物料分离过程的产排污
物料分离过程由于化学反应过程副反应众多,反应混合物成分复杂,为得到较纯物质使得分离过程复杂,产排污点众多。天然气制亚氨基二乙腈项目废气污染环节包括亚氨基二乙腈装置多次离心母液焚烧产生的焚烧废气、亚氨基二乙腈装置晶体干燥、硫酸铵装置晶体振动干燥过程中产生粉尘,以及硫酸铵装置硫铵液浓缩结晶过程产生浓缩蒸汽;废水污染环节包括氢氰酸装置天然气预处理过程产生的水洗脱硫废水、亚氨基二乙腈装置原液结晶过程产生的分离废水、亚氨基二乙腈装置反应液急冷、蒸发过程产生的急冷废水;固废污染环节包括原辅料天然气、液氨过滤净化产生的废活性炭、有机废液焚烧装置产生的炉渣等。
2.5 物料计量、包装过程的产排污
物料计量、包装过程中的产排污主要指生产的产品在计量包装过程中排放的污染物,所排放的污染因子产品中所含成分为主,以气态、粉尘的形式排出。
3 结论
通过将化工生产工艺流程分割成单元式的工艺流程,分析化工生产工艺流程产排污一般特征如下:
3.1 可将复杂的化工生产工艺流程分割成物料输送流程、化学反应、物料分离、热量传递及物料的计量包装等单元式的工艺流程
3.2 物料输送过程中的产排污一般为生产中所使用的易挥发原辅料,在生产过程中贮存、使用等环节产生挥发性气体
3.3 传热工艺过程中的产排污主要指生产中的集中供热、供汽系统所排放的污染物,通常以锅炉污染物为主
3.4 化学反应过程通常是一个密闭的工艺系统,产排污一般特性为工艺过程产生的不凝气体和反应废催化剂
笔者在概念教学中,常常采用以下方法:
1.坚守实验阵地,由事实引出概念
因为化学是以实验为基础的一门学科,化学概念就是化学现象本质的反映,只有让学生清楚准确的理解化学基本概念理论,才能使学生更深刻的认识物质及其变化规律。因此,要尽可能通过实验现象或具体实例的分析,经抽象、概括而导出化学概念。由于学生是初次接触化学课,往往对概念理解不深,习惯用死记硬背的方法学习,教师要尽可能地加强直观教学,增加课堂实验,让每个学生都能直接观看到实验现象,加强直观性,增强学生对概念的信度。同时,学生的感性认识也有助于形成概念,理解和巩固概念。
例如,在形成催化剂和催化作用概念教学时,通过二氧化锰催化双氧水分解的几个对比实验,使学生观察到不同现象,用清晰的实验结论引导学生很快建立了催化剂的基本概念。强调学生理解这一概念时,要注意“一定”、“两不变”的含义,加深学生对概念的理解,强化了记忆,从而得到催化剂这一概念的内涵是:“一定”是指化学反应速率一定发生变化;“两不变”是指这类物质的质量和化学性质在化学反应前后都未变化。进而外延到:在化学反应里;具有内涵特征的这一类物质。隐含因素:(1)对“变化”二字的理解,催化剂既可加快化学反应速度,又可减慢化学反应速度;(2)一种反应可以有一种或几种物质作为催化剂;(3)一种物质在这一反应中是催化剂,但在别的反应中就不一定是催化剂;(4)不是任何化学反应都需要催化剂;(5)不同的化学反应所需的催化剂一般是不同的。
2.善于肢解和整合概念
化学概念往往抽象难懂,宏观与微观相结合。这必然给化学概念理论教学带来了一定的难度,导致教师难教,学生难懂、不愿意学。对于比较复杂的概念,我经常采用语文教师分析句子成分的方法,帮助学生弄清概念的内涵和外延,使其准确理解概念的含义。
例如,在讲解“溶液”这个概念时,我先将蔗糖放入水中,得到溶液,并向学生指出这就是溶液。然后问:“这是不是混合物?”学生一定会答:“是,因为是糖水,两种成分。”再问:“是否各处浓稀都一样,即是否是均一的?”学生也一定答:“是,因为糖茶中各处甜度一样。”又问:“如温度不改变,水分不蒸发,那么糖与水能否分离?”答案是否定的,因为这是人人皆知的事实。此时概念已经形成,随即作出如下记号:①(一种或一种以上的物质分散到另一和物质中形成的)②(均一的)③(稳定的)混合物。并进一步说明:中心词是“混合物”,即溶液一定是混合物,如蒸馏水尽管是均一稳定的,但它是纯净物,故不是溶液;定语①阐述的是它的形成过程,且进一步说明溶液是混合物;②、③是对混合物加以限制的定语,说明必须具备“均一、稳定”这两种特征的混合物才称得上是溶液,如泥水也是混合物,但不具备“均一、稳定”这两个特征,因而不可称为溶液。最后归纳出,判断某物是否是溶液,一看是否是混合物,二看是否均一、稳定。经过这样分析,学生对这个概念往往掌握得准确牢固。其他如单质、化合物、电解质等概念,都可采用类似的方法教学。
3.降低思维难度,分阶段理解概念
有一些概念在当时知识准备不足的条件下不可能一步到位,我们就不要急于求成。如氧化反应在元素概念尚未出现的情况下,不要完整给出“物质和氧发生的反应”,只要说“物质和氧气发生的反应是氧化反应”,学生很容易理解。明白元素后,“物质和氧发生的反应”的理解顺理成章。同样,元素概念建立后,不要急于讨论中子数不同怎么样、电子数不同怎么样、单核和多核怎么样。在原子结构示意图之后,这些问题都变得浅显易懂了。
当然,初中化学的一部分概念仅是阶段性的,讲解时不能绝对化。如初中化学中所讲的氧化反应,先是指物质与游离态氧的反应,后又包括与化合态氧的反应,到了高中,它又是指化合价升高的反应了。教材中这样处理,也符合人们认识客观世界的规律。
4.精心设计典型练习,强化概念理解
学生理解催化剂,往往只注意改变其他物质的化学反应速率,而忽视其反应前后质量不变,对化学性质不变甚至不甚理解。我们设计如下题目:氧化铁加入双氧水中,观察到迅速的产生气泡。问:氧化铁是不是双氧水的催化剂?启发学生去思考概念的理解不能片面或仅从局部;再问:如果我们称量了反应前后氧化铁的质量发现是相等的,可不可以认定它是催化剂呢?还需要做什么实验?使学生明白构成这个概念的要件是三个。这样理解就能够准确到位了。再如,单质、化合物、氧化物、含氧化合物这几个概念在学生做填空题时,发生的错误率极高。很多教师通过反复练习来纠错,但效果总不是很理想。我设计的题目很简单,只给三种物质:Fe、H2O、KMnO4,然后从物质的分类和概念的内涵层面设计阶梯问题:①数一数它们各有几种元素?②哪些是单质,哪些是化合物?为什么?③单质和化合物各有哪些特征?④哪种物质是氧化物?为什么?⑤氧化物具有什么特征?⑥含氧化合物是什么意思?它和氧化物是什么关系?来加深理解这些概念和它们的关系。
从教学的具体实践和学生的学习反馈来看,虽然化学平衡常数和影响化学平衡的因素两个方面考试方式多样,试题也愈加新颖,但相对而言学生比较容易理解.而“化学平衡状态”这一概念则较为抽象,较难理解其含义和实质.尤其是新课程中“化学反应限度”这一化学用语的提出,学生更是搞不懂二者之间的关系.
一、化学平衡状态的含义
在一定条件下可逆反应进行到一定的程度时,反应物和生成物的浓度不再随时间的延长而发生变化,正反应速率和逆反应速率相等,这种状态称为化学平衡状态.这时的状态也就是在给定条件下,反应达到了“限度”.但这时正、逆变化过程仍在继续,如果不采用特殊的方法或技术进行干预,实际观察到的则是一种“反应停止了”的表面现象.
二、化学平衡状态的理解
1.只有可逆反应才有可能存在化学平衡状态,且所有反应物和生成物均处于同一反应体系中.
化学反应的可逆性为化学平衡状态的建立奠定了内因基础,但物质的浓度、温度和气体的压强等外因条件也影响着化学平衡状态的建立.当然,内因(可逆反应)是基础,外因(浓度、温度、压强等)是条件,外因通过内因而起作用.内因和外因共同作用的最终结果,就是可逆反应要达到“化学平衡状态”这一“限度”.
2.化学平衡的根本特征是v(正)=v(逆)﹥0,即同一种物质的消耗速率与生成速率相等,但反应并没有停止.
3.达到化学平衡状态时,体系中所有反应物和生成物的浓度保持不变,这也是其根本特征的表征体现,二者相互关联、相互影响.
4.化学平衡是在一定条件下建立的暂时平衡,若影响化学平衡的外界条件改变,化学平衡状态就会被打破,直到达到新的平衡.
可逆反应在一定的条件下会达到化学平衡状态.外界条件改变时, 首先是改变了化学反应的正、逆反应速率, 当二者不再相等时化学平衡即发生了移动.而新的平衡状态则是随着正、逆反应速率的再次相等而建立的.因此,条件、速率、平衡之间存在必然的因果关系.
三、化学平衡状态的判断方法
酶促反应的专一性是由酶蛋白决定的。
酶促反应又称酶催化或酵素催化作用,指的是由酶作为催化剂进行催化的化学反应。
生物体内的化学反应绝大多数属于酶促反应。酶作为一种生物催化剂在催化一个化学反应时,既具有一般的催化剂的特征,又具有不同于一般催化剂的特殊性。
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关键词 化学观念建构 能量观 初中化学教科书 科学探究
1 能量观的内涵
促进观念建构的教学有利于促进学生对知识的深层次地理解,更有利于学生未来的发展。《义务教育化学课程标准(2011年版)》明确了形成化学基本观念在化学教育中的重要意义,化学能量观作为重要的化学学科观念,在九年级学生初学化学期间就开始逐步建构,是认识物质世界、理解科学的关键观念,有利于学生了解从能量的角度研究物质及其转化的思维方法。《义务教育化学课程标准(2011年版)》明确指出“义务教育阶段的化学教育,要激发学生学习化学的好奇心,引导学生认识物质世界的变化规律,形成化学的基本观念……”山东师范大学毕华林教授认为:化学基本观念,是指学生通过化学学习,在深入理解化学学科特征的基础上所获得的对化学总观性的认识。化学基本观念不是具体的化学知识,也不是化学知识的简单积累,而是学生通过对所学知识的深刻理解,在化学知识基础上概括提炼出来的。当学生在多年以后逐渐地将所学的学科知识遗忘,教育所给予人们的无非是当一切学习过的东西都忘记后所剩下来的东西。那这些剩下来的东西是什么?这个时候观念建构就显得尤为重要。
能量变化是化学反应的基本特征之一,而且能量观是化学学科的核心观念,是化学学科研究要考虑的重要问题,是研究物质的理科课程的共通问题;然而现在对中学化学的教学研究中,多数偏向于微粒观、元素观、变化观等,缺乏对能量观的研究;有的研究将能量观点纳入变化观之中分析。梁永平教授对中学化学能量观提炼出以下要点:(1)物质的分子或原子具有内能;(2)核外电子按照能量高低分层运动;(3)原子之间的强烈作用使原子处于能量较低的稳定状态;(4)物质转化过程伴随有能量转化;(5)物质分子发生有效碰撞是物质转化的必要条件;(6)物质转化过程中能量是守恒的;(7)原子核内贮存有巨大的能量。梁永平教授认为能量观的建构有利于学生形成核外电子运动的能量思维方式,了解从能量的角度研究物质及其转化的思维方法等。此外梁永平教授还探讨了能量观建构的基本策略。该阐述虽然详尽,但由于能量观基于物理学习,又与微观世界联系,抽象程度比较高,所以多在高中阶段关注,初中阶段则鲜有研究和实践。
学生在九年级初次接触化学,启蒙阶段其实是建构化学基本观念的重要时期。我们在对2011年版义务教育化学课程标准、2012年修订的人教版九年级化学教科书进行文本分析、联系的基础上将与能量有关的化学学习内容进行分析、归纳,得出能量观的重要性,有利于丰富、完善初中化学教学的内容。
2 课标与教材中能量观点分模块例析
我们按照九年级化学的“科学探究”、“身边的化学物质”、“物质构成的奥秘”、“物质的化学变化”和“化学与社会发展”5个模块,分别举例对能量观进行阐述。
2.1物质的化学变化
正如上文提及,能量观往往作为变化观的一部分,能量变化是化学变化的重要特征,所以该模块是最直接体现能量观的部分,在课程标准“化学变化的基本特征”二级主题中,明确指出“知道物质发生化学变化时伴随着能量变化,认识通过化学反应实现能量转化的重要性”。人教版修订教材在第一单元课题1阐述化学变化的基本特征时,明确指出“化学变化不但生成其他物质,而且还伴随着能量的变化,这种能量变化常表现为吸热、放热、发光等”,点明了这种能量变化可以作为判断化学变化的重要特征,并且化学反应中能量变化存在多样性。
课程标准在本模块里提供了3则与能量相关的学习情境素材。
[例1]生石灰和水反应放出的热量能煮熟鸡蛋
该素材在人教版修订教材中,被安排在第七单元课题2“燃料的合理利用与开发”,作为学生认识“化学反应中的能量变化”的导人实验,学生通过实验的体验有利于消除迷思概念:只有通过燃烧才能获得能量吗。该课题借此明确点明物质变化过程中伴随的能量变化是化学的重要研究对象,体现利用化学反应释放能量的燃料对于人类社会的重要意义。
人教版原教材曾经应用镁条与盐酸的化学反应作为例证,但与如今的实验相比,与学生的生活经验距离太远。生石灰取材于食品干燥剂方便易得,与水的化学反应既是生活中制备澄清石灰水的实验方法,又作为九年级化学中获得碱的重要途径;既是历史典故背后的化学道理,又是生活中即热饭盒的运作原理,也可以作为误服干燥剂带来的伤害解释之一。
[例2]葡萄糖在体内释放能量
作为对人体最重要的化学反应之一,该案例最早出现在生物教材中。但是此时初中生在物理中还没有学习到能量的概念,所以难以深入体会。在人教版化学教材“氧气”课题中,动植物的呼吸作为典型的缓慢氧化之一,并指出放热是氧化反应的特征之一,但是在缓慢氧化中并不容易被察觉。在“人类的重要营养物质”课题中,明确给出葡萄糖在酶的催化作用下缓慢氧化的化学方程式,并指出放出能量的作用是供机体活动和维持恒定体温的需要。并且用1g葡萄糖释放的能量数值、糖类提供能量占据人体所需的百分比等数据强化该反应释放能量的意义所在。
由于该模块是化学的学习基础,且与实际问题联系紧密,所以人教版九年级化学教材将以上2则案例分散在“燃料及其应用”、“化学与生活”2个单元中。
[例3]干电池和充电电池
电池与化学主要是高中化学课程内的重要学习内容,但义务教育课程标准一直给出这样的建议,尤其在“活动与探究建议”中列出“观察铜锌原电池实验”。人教版教材没有安排该实验和详细知识介绍,只在“金属资源保护”中介绍了废旧电池的污染。其实该素材能充分体现化学能与电能之间的转化,而且学习物理教材中的水果电池已经对化学能转化为电能有初步了解,所以九年级化学教学已经具备了介绍化学电池的基础,沪教版教材在第九章“化学与社会发展”中,针对“能源的综合利用”,并结合生活、科技中几种不同类型的电池、化学能转化为电能的铜锌原电池实验,引导学生了解化学能转化为电能的化学反应形式;电能转化为化学能在九年级化学教材中的典型案例就是电解水,但教材的重点落在微观解释,也没有对其他电解反应过多阐述。
2.2身边的化学物质
物质转化过程中伴随有化学能与热能、光能等的相互转化,这种认识不是通过告知的方式形成的,而需要在化学变化现象的不断积累中得到强化。在建立化学变化概念的时候,不仅要注意到有新物质生成的关键特征,也要注意到所伴随的热能、光能等现象。所以化学物质的反应事实是九年级化学教学内容中学习、体验能量变化的重要载体。具体事实的学习是化学能量观形成和发展的基础,没有一定的事实积累,很难形成一定的化学能量观。
[例1]氧化反应
氧化反应是九年级化学最重要的一类放热反应,课标要求“知道氧气能跟许多物质发生化学反应”,在教材中体现为非金属单质、金属单质、一氧化碳以及以甲烷、乙醇为代表的诸多有机物与氧气的反应。氧化反应的能量释放通过实验现象多有呈现,例如铁丝燃烧时的熔化与火星四射都是能量释放的效果;又如红磷燃烧测定空气中氧气含量时大量放热,如果不冷却就继续实验,会导致实验误差;碳单质、氢气、酒精、甲烷和一氧化碳等物质在氧气中燃烧放热更加是它们成为燃料的先决条件。化学反应中的能量还可以通过光能形式释放,例如镁条、硫黄等物质燃烧中的发光现象。
[例2]溶解中的能量变化
溶解不是单纯的物理变化,其中伴随的能量变化其实也涉及到微粒的运动与作用力,当然九年级教材只要求从温度表征层面了解即可。课标里在“水与常见的溶液”二级标准中提出的活动与探究建议有“实验比较氯化钠、硝酸铵和氢氧化钠3种物质在水中溶解时的吸热和放热现象”,人教版教材也有具体的实验探究活动与该建议配套,不仅要求观察溶解过程中的现象,还要求记录溶解前后的液体温度具体数值并加以比较,来了解溶解吸放热的情况——这是一种半定量的实验思维去建构能量观的教材呈现方式。另外,人教版教材在“浓硫酸的腐蚀性”部分,强化突出浓硫酸稀释实验,并提示通过触觉感知、现象分析等途径了解这一典型的溶解放热现象,以此点明稀释要点。
2.3物质构成的奥秘
微观世界同样伴随着种种能量变化,虽然九年级尚未涉及化学键与分子间作用力的问题,但是核外电子运动本身就是一种能量的反映,核外电子按照能量高低分层运动,这在人教版“物质构成的奥秘”单元中有明确描述。
而分子和原子本身就具有能量,温度越高,原子和分子的运动就越剧烈,物质具有的热能就越大。人教版教材中利用品红在热水中扩散加快的案例进行了例证。
课程标准要求认识物质的三态及其转化——虽然相关知识在物理中已经涉及,但是九年级化学需要学生了解温度对物质微粒运动和间距的影响,从而深入理解其对物质三态转化的影响。
2.4化学与社会发展
能量是人类生存和发展基本三要素之一,人类研究能量的最终目的是更好地获取和应用。所以“化学与社会发展”模块与其他模块充分联系,有利于在知识在社会和生活的应用中建构能量观。
[例1]燃烧和燃料
燃烧作为氧化反应的重要表现形式,也是最重要的放热反应之一。笔者认为教学中不应只拘泥于“认识燃烧、缓慢氧化和爆炸发生的条件,了解防火灭火、防范爆炸的措施”,还需要了解那些加热释放氧气的化学物质如高锰酸钾、氯酸钾、硝酸钾和双氧水等同样会体现助燃的效果,所以在药品存放、使用安全方面需要注意——这一点在事实水平上能强化学生对燃烧的理解,也能完善学生的实验安全意识。当学生在日后的深入学习中对于原子结构有了一定的理解性认识,就可以在氧化还原水平上认识燃烧现象,从而将发光、发热与原子得失电子等事实联系起来。虽然在九年级化学教学内容中无须从微观层面诠释燃烧和氧化反应,但是在能量观建构中不断发展对燃烧现象的理解,也是强化物质转化伴随有能量变化认识的重要举措。
基于燃烧反应,一些热值高、来源广的可燃物,成为对人类至关重要的燃料。在九年级化学学习过程中,学生如何“认识燃料完全燃烧的重要性”?人教版教材以碳的不完全燃烧为例,指出不完全燃烧导致的燃料燃烧利用率降低,既浪费资源又污染空气;还从燃烧三要素角度提出燃料充分燃烧的2种方法。
[例2]为人类提供能量的营养物质
课程标准中要求知道一些对生命活动具有重要意义的有机物,其中最主要是供能物质,除了葡萄糖为代表的糖类,还有蛋白质和油脂。人教版教材对这些营养物质的供能数据和对人体一日的需求满足百分比做出定量描述,见表1。
2.5科学探究
人教版教材里,科学探究模块的要求除了在第一单元有独立的设置,大部分内容通常渗透在各个课题的教学中。
温度是分子平均动能的外在表征,在“走进化学世界”单元里,能量观渗透在蜡烛和酒精灯火焰的温度测定之中。而作为最常见的反应条件之一的加热,则是一种为反应体系提供能量的方法。
3 九年级化学教学中能量观建构的建议
通过文本分析,我们发现能量的观点渗透在九年级化学各个模块,且不能通过孤立的知识呈现出来,往往需要不同模块的联系和支撑。例如,课程标准里“物质的化学变化”模块提供的2则情境素材(生石灰与水的反应、葡萄糖的供能反应),在教材中分别出现在“燃料及其利用”、“化学与生活”2个单元中,体现与“化学与社会发展”模块的综合。笔者结合在江苏书人教育集团面向化学特长生的教学实践,谈一谈在九年级化学教学中建构能量观的建议。
3.1吸热还是放热
判断一个化学反应吸热还是放热,逐步建构能量观的最简单方法就是请学生去感受实验中的温度变化。生石灰与水反应,让学生用手触摸试管,温度的变化给予学生最直接的体验,而且请同学在不同时间段感受温度逐步升高的趋势;锌粒与稀硫酸反应制备氢气,别只局限于实验原理和装置,也让学生摸摸试管——也是烫的;酸碱中和时,不要局限于指示剂的变色这种明显的现象,也让学生触摸试管——热的。几次摸试管就可以引发学生对化学反应的热量从哪里来的疑问和思考,通过温度变化的体验潜移默化地建构化学能量观。
观念建构教学的问题还应有一定开放性和挑战性,使学生能从多个角度、多个方面进行思考,不同能力水平的学生可以得到层次、范围不同的结论。
例如,在九年级的化学教学中有很多放热反应的典型案例,但是人教版教材对吸热反应只提及一句话:炭和二氧化碳的反应是吸热反应。学生没有感性认识,理解起来比较困难,建议在这里补充另一个吸热反应的实验:氢氧化钡固体和氯化铵固体在烧杯中研磨,实验前,在烧杯底部放一片硬塑料片,在硬塑料片上滴2滴水,再将固体混合物研磨,过一会儿硬塑料片就和烧杯粘在一起。
由这个补充实验想到:判断一个变化(无论是物理变化还是化学变化)吸热还是放热,是否只有各种教辅书上提及的温度计的方法?以浓硫酸溶于水放热为例,我们可以引导学生思考放热除了对温度有影响,还会引起气体压强、空间体积、物质溶解度、物质状态等的变化。结合学生的思维我们得出如下几种可能的角度:①温度的变化,除了使用温度计外,用手去触摸感受最直接但是无法定量比较,基于目前化学实验教学的现代化,还可以向学生介绍数字化实验在监测温度变化中的应用——温度传感器可以即时反映温度的改变趋势和变化幅度,是作为研究化学反应能量变化的重要手段;②气压的变化,我们可以采用如图1的实验装置,由于溶解放热会引起气体压强增大,所以通过观察液面a、b的变化进行判断;③可以通过一个体积可变但压强恒定的容器(例如带活塞的气缸),观察活塞的运动,了解体积的变化;④如图2所示,将烧杯置于涂有石蜡的木块上,再将浓硫酸和水混合,通过观察石蜡状态的变化,判断反应是放热还是吸热;⑤如图3所示,将浓硫酸和水混合后的试管放在盛有饱和澄清石灰水的烧杯中,观察固体的析出情况。
通过实验表征观察、分析能量变化,是重要的化学学科方法,也是建构能量观的重要途径。
3.2拓展对燃料的认识
九年级化学的“化石燃料的利用”、“能源的利用与开发”教学常常陷入科普化怪圈,如何让这部分内容化学味道浓厚一些?例如以下这些问题就不拘泥于一般的考试题目,但引导学生对化学学科问题深入思考,能充分调动学生思维和积极性:
(1)燃烧能为我们做什么?
(2)是不是所有可燃物都可以充当燃料?充当燃料必须具备怎样的特征?
(3)联系国内现状,如何综合分析国内大众使用三大化石燃料的利弊?
(4)给出煤气、液化石油气、天然气的价格和热值,从定量的角度分析家庭使用哪种气体燃料最经济?
如果与其他单元联系,则可以有更有意义的问题衍生出来。观念建构的问题本身应该潜在地体现与学习者原有知识经验的联系,同时它又蕴含着新的关系和规律,这种联系不只是针对问题的表面特征,更主要的是针对问题中的深层关系和结构,即在观念层面上有联系。例如与科学探究模块中加热这一操作融合,可以提问:
(1)实验室里有多少种加热的手段为化学反应提供条件?
(2)如何在实验中节省能源?
在复习课的教学中燃料话题可以联系社会与科技发展,既有利于强化能量观,也体现考试的热点。例如秸秆的不完全燃烧造成了烟霾的污染,而充分利用秸秆,是改变条件促使其充分燃烧呢?还是将秸秆转化为其他可燃气体来完成生物质能一化学能一热能的转变呢?
3.3放热反应与反应类型
中考化学复习需要知识的系统化归纳,需要针对大量的化学反应进行分类并分析其中规律。从能量变化角度分类是一种体现能量观建构的新颖角度。在“物质的化学变化”模块复习中,可以提问:四大基本反应类型中各有哪些放热反应的典型实例?再举出2例不属于四大基本反应类型的放热反应。
初中化学 课程标准 能量观 微粒观
《义务教育化学课程标准(2011年版)》(以下简称课标)明确指出,“义务教育阶段的化学教育,要激发学生学习化学的好奇心,引导学生认识物质世界的变化规律,形成化学的基本观念……”化学能量观是化学观念中的核心观念,需要经过螺旋式递进。2012年修订的三个版本[1-3]的化学教材在不同阶段都有安排,充分体现了学习的阶段性和层次性。要求教师把握好知识深广度,既要符合学生的认识规律和心理特征,又要层层递进,从定性到定量、事实到科学概念来认识并建立化学反应与能量之间的双向关系,引导学生建构适应层次的能量观[4-6]:(1)物质具有能量,不同物质或同种物质的不同状态所具有的能量不同。(2)化学反应过程中,不仅有物质变化,而且有能量变化,伴随化学反应的能量变化有不同的形式;化学能是能量的一种存在形式;能量是影响化学反应的重要因素,化学能与其他能量的相互转化以化学反应为基础和前提,能量不会创生和消亡,只是在转化的过程中有能量转化的效率问题,使能量有所损耗。(3)能源是社会发展的基础,能源的开发和利用离不开化学。(4)微观世界也存在着能量关系,表现为分子间、原子(离子)间、电子与原子核间的相互作用。
一、基于课标的视角,比较、分析三个版本教材能量观的呈现方式
课标中,每个二级主题都从“标准”和“活动与探究建议”两个维度,对化学学习内容进行了说明,还有可供选择的情境素材。其中,在“化学变化的基本特征”二级主题中明确指出:“知道物质发生化学变化时发生着能量的变化,认识通过化学反应实现能量转化的重要性”。笔者尝试基于课标,分析三个版本教材能量观呈现的基本视角(见表1)。
教材还以蜡烛燃烧为素材研究物质的性质和变化,能量观渗透在火焰温度的测定之中,若能在描述“发光、发热、火焰”等具体现象的基础上再提出更为深刻的问题――“为什么化学变化伴随有能量转化?”实验就不再局限于蜡烛燃烧的具体现象和产物的检验上了。使学生了解该反应是持续发生的自发反应,先反应释放的能量可引发后续反应,从而将化学的基本观念与化学过程的方法教育有机地联系起来[7]。
物质的化学变化包括了质的变化、量的变化与能量转化,从能量观的角度理解物质结构及其转化是化学的基本视角。教学过程中,要联系燃料的燃烧、中和反应、葡萄糖在体内氧化释放能量、生石灰与水反应放出的热量能“煮熟”鸡蛋、化学电池等日常现象作为情境素材,通过创设真实的问题情境和建构性的学习,帮助学生理解化学变化和能量变化的密切关系,培养学生学习化学的兴趣和能力。
二、初中化学能量观建构的基本策略
研究化学反应中的能量变化与研究化学反应合成物质同样重要。因此,教师要重视引导学生建构不同知识之间、理论与事实之间、新旧经验之间的有意义联系,在关注情境的选取与创设、问题的构思与引导、内容的组织与呈现、活动的设计与安排的交互过程中经过螺旋式递进,使学生初步认识化学反应中有能量变化,在燃烧和燃料的学习中得以强化,了解如何应用化学变化实现能量的转化和物质、资源的合理利用,形成和发展能量观。
1.借助实验表征建构能量观
借助实验表征,引导学生理解吸、放热除了对温度有影响,还会引起气体压强、体积、溶解度、物质状态等的变化。在不使用温度计的情况下,让学生用手感知,或通过合适的实验装置(如图1、2),借助实验现象,加深学生对化学能量观的理解。
还可以借助铁丝、镁条、氢气的燃烧、干电池和充电电池等实验探究,使学生宏观感知、理解化学体系是一种储能体系,化学反应伴随有能量变化,常见形式是化学能转化为热能、光能、电能,且电能与化学能可以相互转化。借助高锰酸钾加热制取氧气,水的电解,观察二氧化锰、硫酸铜溶液对过氧化氢分解反应的影响等实验,使学生了解有些化学反应需点燃、加热、高温、通电、催化剂等条件,如果没有这个条件反应就不能发生。从而有效调节和控制能量的储存和释放过程,促进或抑制化学反应,使化学反应向着有利的方向发展,明白反应条件对化学反应的重要作用,帮助学生建构能量观。
2.深化对燃料和燃烧的认识,发展能量观
教材中通过大量的事实证明:人类利用燃烧的主要目的是为了获取能源。煤、石油和天然气等化石燃料是当今世界上最重要的能源,资源的浪费主要表现在化石燃料的不充分燃烧上。因此,关于能源问题,一要让学生了解燃料燃烧反应释放能量,帮助学生研究怎样才能使燃料完全燃烧,提高燃烧的效率;二要让学生考虑燃烧的安全问题,学习怎样运用化学知识防火、灭火;三要讲燃料燃烧对环境的影响,怎样减少燃料燃烧时有害气体和烟尘的排放,减少对环境的污染;四要讲燃料的选择与清洁能源的开发利用,讲化学科学为开发清洁、高效的能源能做些什么[8]。利用核心概念的文字表达方式揭示有关燃料问题的化学学科本质(如图3):
图3 燃料燃烧的文字表达式
设置问题组:(1)燃烧能为我们做什么?(2)选择燃料时应综合考虑的因素有哪些?(3)为什么有些物质可以作为燃料,有些则不能?(4)燃烧生成物为什么会对环境产生影响,有哪些对策?(5)物质在化学反应中的能量变化有什么规律?(6)化学反应中的能量变化对我们学习物质的物理性质和化学性质、物质的制备和选择反应条件有什么启示?怎样利用化学反应中的能量?
通过问题组的解决,借助可燃物与氧气发生的剧烈氧化反应,从化学反应热现象认识到通过化学反应可以获得能量,通过对燃烧概念的发展性理解,使学生了解燃烧是强化物质转化伴随有能量变化认识的重要内容,形成对化学反应中的能量变化初步的感性认识;通过对燃烧、缓慢氧化和爆炸发生条件的认识,初步感知可以通过改变反应发生的条件来影响化学反应。了解人类的一切活动都离不开能源,能源居于首位,能源的开发和利用离不开化学,认识化学在提高燃料的燃烧效率中的重要作用,从自我做起,节约能源,引导学生建构能量观。
3.借助微粒观,了解能量观的内涵
微观层面认识能量观,这部分内容既基于物理学习,又与微观世界联系,抽象程度很高,鲁教版以水为例,创设连续性问题情境:在水的状态变化时水分子的能量、运动速率、间隔怎样变化?在水天然循环的各个环节上水分子的能量如何变化?是怎样运动的?以分子或原子不断做无规则运动为切入点,推论出构成物质的微粒具有热能。溶解现象并非单纯的物理现象,其伴随的能量变化涉及微粒的运动和相互间的作用力。物质溶解于水的过程中发生了两种能量变化:溶质的分子(或离子)向水中扩散的吸收热量过程;溶质的分子(或离子)和水分子形成水合分子(或水合离子)的放出热量过程。溶质不同,这两种过程吸收或放出的热量不同,使溶液的温度发生不同的变化。
核外电子运动也是一种能量的反映。元素得失电子的能力取决于原子中电子的能量,元素原子的最外层电子处于较高能量状态,不稳定,原子间通过得失电子或共用电子对的方式成键,使体系能量降低,形成相对稳定的结构。学生形成核外电子运动的能量思维方式,从能量的角度研究物质及其转化的思维方法等[4]。因此,可把物质转化过程看作是诸存在物质内部的能量(化学能)转化为热能、光能等释放出来,或者是热能、光能等转化为物质内部能量(化学能)被储存起来的过程。在水的电解教学中,若能从微观视角解释为什么水需要通电,引导学生认识分子、原子在化学变化中的行为,深入了解原子的内部结构以及原子核外电子的分布及其在化学变化中的表现,那么学生对化学反应条件对化学反应的重要作用的认识会达到更高的水平[9]。
初中学生的能量观建构是一个不断深化、有机联系、螺旋式上升的结构化内容,随着对能量观认识的不断丰富和发展,将从微观表征对化学和能量关系本质加以构建,形成更合理、完整的能量观。因此,学生能量观的建构应该注重认识和理解的完整性,使学生对学科知识的理解更加本质化,自身的观念更加清晰化,实施以观念建构为本的课堂教学。
参考文献
[1] 王晶,郑长龙主编.全日制义务教育化学九年级上、下册.北京:人民教育出版社,2012.
[2] 王祖浩,王磊主编.全日制义务教育化学九年级上、下册.上海:上海教育出版社,2012.
[3] 毕华林,卢巍主编.全日制义务教育化学九年级上、下册.济南:山东教育出版社,2012.
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[6] 徐敏.中学化学“能量观”的构成要素及内涵.中学化学教学参考,2013(7).
[7] 魏锐,如何由实验观察提出科学问题――以蜡烛燃烧为例,化学教育,2012(1).
关键词:化学反应速率;化学平衡;调查研究
文章编号:1005C6629(2017)3C0021C05 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
化学反应原理是中学化学中逻辑性最为缜密的一个部分,而最令学生头痛的则是其中的化学平衡部分。化学平衡还包括下位的弱电解质的电离平衡、盐类的水解平衡、沉淀溶解平衡等内容。化学平衡的基本原理是上述所有理论的基础,学生只有真正掌握了化学平衡,才能认知其他特殊条件下的各类平衡问题。
1 “速率”和“平衡”的教学误区
1.1 尽管课标“隔离”了“速率”和“平衡”,但教学中往往混为一谈
化学反应动力学和热力学的基础内容是高中化学反应原理模块的重要组成部分。课程标准要求学生对动力学的认识主要有:(1)知道化学反应速率的定量表示方法,通过实验测定某些化学反应的速率;(2)知道活化能的涵义及其对化学反应速率的影响;(3)通过实验探究温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响,认识其一般规律。而对热力学的要求包括以下两个方面:(1)能用焓变和熵变说明化学反应的方向;(2)描述化学平衡建立的过程,知道化学平衡常数的涵义,能利用化学平衡常数计算反应物的转化率[1]。
很明显,课标对动力学和热力学这两个理论作了明确的“隔离”,即内容上分开来阐述,强调了速率相关内容的过程性以及平衡相关内容的状态性。例如课标要求用焓变和熵变两个状态函数去判断反应进行的方向,要求利用化学平衡常数去计算反应物的转化率等等。动力学和热力学有着不同的研究对象,前者关注的是反应的过程,后者只关涉体系的状态。两者有着本质的差异,而教材往往通过速率来建立平衡,且通过速率的改变来讨论平衡的移动,从而教师往往将两个理论混为一谈,时而“速率”,时而“平衡”,导致学生误以为速率的改变是平衡移动的原因,事实上焓和熵才是影响平衡的关键因素。
在教学实践中,教师往往这样总结:“在一定的条件下,当一个可逆反应的正逆反应速率相等且不等于零时,该反应就达到了动态的化学平衡状态。这种状态的建立需要一定的条件,当条件改变时,导致正逆反应速率改变,从而平衡状态被打破。如果正反应速率大于逆反应速率,那么反应向正方向移动,最终达到一个新的平衡。”这样的表述乍看起来很正确,有条理。但仔细分析其逻辑关系时会发现存在很多问题。比如这样的表述认为速率不变导致了平衡建立,速率的改变引起了平衡的移动,即化学反应速率是化学平衡的原因。这种将热力学和动力学归结为简单的因果关系的错误做法,势必导致学生思维紊乱,因此从源头上区分动力学和热力学才能消除这种认识误区。
1.2 相P研究“隔靴搔痒”,没有涉及教学中如何有效“分离”动力学和热力学
很遗憾的是,相关教学研究并没有关注到教学实践中如何从源头上消除这种混淆,而主要集中在以下三个方面:一是学科本体知识的推导。主要是从学科本体知识层面出发去辨析和论证化学反应速率、化学平衡状态、化学平衡移动等核心概念的内涵和实质,探讨各概念间的联系和区别。该讨论建立在大学物理化学的纯理论知识之上,没有涉及到具体的教和学,缺乏操作性。
二是教学策略与方法的探讨。这类研究一般都起源于教师在实际授课过程中遇到的困惑或者问题,针对某一节课或者某一单元的内容,通过尝试新的教学理念或者改进教学设计和方法来提高教学的实效性,然后分析比较改进后的成果和不足,为其他教师提供参考。但以上研究极少触及学生在本部分产生认知障碍的本质原因:即将混淆了的热力学和动力学作为建构知识的基础。
三是学生学习障碍点的分析。这部分研究主要从教学重难点出发,调查分析学生存在的认知障碍和迷思概念以及形成原因,旨在探讨如何避免学生在认知建构中出现矛盾。但这类研究的关注点集中在教学过程中的策略和方法是否恰当,很少触及到学科本体知识框架的科学性。
1.3 教学误区的实践表征:“以其昏昏,使人昭昭”
在真实的教学情境中主要存在两个方面的问题:一是教师本身理论知识紊乱、逻辑不清,不清楚化学反应速率和化学平衡之间的联系和区别。因此在教学实践中也就无法将这个问题有层次、结构化地呈现给学生。导致学生在认知建构的起始阶段就存在误区,失之毫厘谬以千里,最后无法认清动力学和热力学的本质。
二是学生在学习这一块内容时只考虑速率和平衡的关系,错误地使用速率去推断一切平衡问题,混淆了两个理论不同的适用范围,不能区分过程性问题和状态性问题,导致问题解决时思维混乱,甚至出现分别从“速率”和“平衡”的角度去分析同一个问题,居然得到截然相反答案的情形。如有学生学完速率和平衡之后提出一个问题,“有固体做反应物的可逆反应达到平衡状态后,将固体由块状粉碎成粉末状后,正反应速率增大,逆反应速率没有变化,为何平衡没有移动呢?”学生这种问题出现的根本原因在于学生没有理解化学平衡移动的能量本质。
2 “速率”和“平衡”教学的实证研究
本研究对北京市一所普通学校的高二学生进行调查研究,发放问卷240份,回收有效问卷194份,有效回收率为80.8%。
研究工具分为问卷和访谈两部分。(1)问卷测试。问卷包括对速率及其影响因素的理解、对平衡及其影响因素的理解、对平衡和速率关系的理解三个维度。每个维度均包括两个判断题,每个问题后均要求学生写出判断的原因。(2)半结构性访谈。对6位教师进行深度的半结构性访谈,主要从教师的角度关注教学实践中速率和平衡问题的处理。测试总体结果如图1所示。
学生对于化学平衡的表征、速率表征及速率与平衡的关系掌握较好,正确率在80%以上。但在平衡与状态的关系、速率与平衡的移动等方面表现一般,正确率50%左右。由于相应的理论知识掌握不扎实,导致绝大多数学生在实际问题解决时束手无策,得分率非常低,仅有26%的学生能够很好地解释工业合成氨中的相关问题。图1充分说明了以下几个问题:一是大部分学生能从较低层次理解速率和平衡及二者关系,但未能上升到速率微观变化机理的高度,孤立地考虑速率的各影响因素,没有形成系统;二是接近一半的学生对于化学平衡状态的实质认识有欠缺,不能理解平衡状态只与系统的各状态函数(焓、熵、温度等)有关而与达到平衡的途径无关;三是绝大多数学生对平衡和速率的关系极少能从本质上区分,几乎都停留在各种规律的机械记忆上,化学平衡常数仅仅被作为计算的工具,没有意识到平衡的热力学实质(K与Q的关系)。
2.1 对平衡及其影响因素的理解:半数学生不清楚“平衡只与体系的状态有关,与建立的途径无关”
数据分析结果表明,87%的学生能够正确判断“化学平衡发生移动,但化学平衡常数不一定改变”,其中62%的学生能够指出化学平衡常数仅与温度有关,仅16%的学生能够同时指出化学平衡受多种因素(浓度、温度、压强等)的影响。学生总体的25.7% 在解释这一判断时出现了错误。主要的错误解释有三类,每类约占1/3,具体数据见表1。
有54%的学生能够正确判断“平衡只与体系的状态有关,与建立的途径无关”,其中39.5%的学生能够答出“在等温等压下,固定容积时,1mol N2和3mol H2达到的平衡状态与2mol NH3达到的平衡状态是等同的”或者“以上两种情况是等效平衡”。学生总体中有51.4%在解释原因时出现了错误,没有从热力学的研究角度去看待平衡状态,仍然试图从变化过程推断平衡结果,将动力学套用到热力学问题的解决中,从而导致科学性错误。主要也是三类,具体情况见表1。
2.2 对速率及其影响因素的理解:大部分学生忽视速率的定量特征
数据分析结果表明,82.9%的学生能够正确判断“速率大,现象并不一定越明显”,其中58.6%的学生认为“无明显现象的化学反应即使速率大现象也不显著”。学生总体的24.3%在解释判断原因时出现了错误,主要错误有两种,一是认为速率是物质的量的变化,没有考虑单位时间。数据表明大部分学生对于化学反应速率的意义认识比较清晰,但绝大多数学生仅基于化学反应的某种现象来考虑化学反应速率的大小,忽视速率的定量特征。有研究者指出,“化学反应速率”的广义定义可以表_为“参与反应的物质的‘量’(如质量、物质的量、物质的量浓度等)随时间的变化量”,这一定义是“化学反应速率”普遍的表达方式[3];二是学生错误地认为只有观测到宏观实验现象才能讨论速率,如果没有气泡或者颜色变化等则无法测量速率。事实上,眼见不一定为实,有时现象明显可能速率并一定大。
2.3 对速率和平衡关系的理解:几乎没有学生理解“速率所属的动力学及平衡所属的热力学虽然两者相关,但并不互为因果关系”
有81.4%的学生正确判断“反应速率变化,平衡并不一定移动”,其中68.4%的学生能够举出反例如“催化剂可以改变化学反应速率,但并不能使平衡移动”来证伪该命题,3.5%的学生想到了“对于反应前后气体的物质的量相等的反应压强的改变同等程度地改变反应速率,平衡不移动”;学生总体的38.6%不能正确清楚地表述原因。判断错误的学生原因主要有两点:其一是化学反应速率决定平衡;其二是认为加热等会使速率增大,但平衡有可能不移动。50%的学生能正确判断“平衡正向移动,正反应速率可能变大、变小或者不变”,其中34.3%的学生表示“正反应速率和逆反应速率有可能同时增大或减小,但只要正反应速率大于逆反应速率,平衡即向正反应方向移动”。判断错误的学生主要认为“只有正反应速率增大,且逆反应速率减小,平衡才能正向移动”。
速率是动力学概念,平衡是热力学的概念,属于不同的范畴,两者相关,但并不互为因果关系。因此,应基于能量的视角来理解化学平衡的本质,热力学中的平衡状态是一种体系中所包含的能做功的热量(焓)和分子功(熵)之间的特殊稳定状态。这种状态的存在用平衡常数K和Q的相对大小来衡量,而正逆反应速率相等是化学平衡建立后的一种外在表现形式,使用正逆反应速率的大小变化去推论平衡的相关问题存在科学性错误。
化学热力学认为对任意的封闭系统,当系统有微小变化时,
总之,通过上述讨论,无论是平衡的建立过程还是平衡的移动过程,热力学基础上建立的关于化学反应问题的结论,与反应速率之间没有任何的联系。
3 澄清“速率”和“平衡”教学误区的建议3.1 教师要深刻把握热力学、动力学的联系与差异
化学反应动力学与化学反应热力学是综合研究化学反应规律的两个不可缺少的重要组成部分。由于二者各自的研究任务不同、研究的侧重点不同,因而化学反应动力学与化学反应热力学既有显著的区别又互有联系。因此,教师要从源头上对它们作本质的区分。
化学反应热力学,特别是平衡态热力学,是从静态的角度出发研究过程的始态和终态,利用状态函数探讨化学反应从始态到终态的可能性及变化过程的方向和限度,而不涉及变化过程所经历的途径和中间步骤。所以化学反应热力学只回答反应的可能性问题,不考虑时间因素,不能回答反应的速率和历程。热力学方法不依赖于物质的结构和过程的细节,旨在预示和指出途径而不是解释,因此它只能处理平衡问题而不能说明这种平衡状态是怎么达到的,只需要知道体系的最初和最终状态就能得到可靠的结果[7]。
一般来说化学反应动力学的研究对象包括以下三个方面:化学反应进行的条件(温度、压强、浓度及介质等)对化学反应速率的影响;化学反应的历程(又称机理);物质的结构与化学反应能力之间的关系。化学动力学最重要的是研究化学反应的内因(反应物的结构和状态等)与外因(催化剂、辐射及反应器等存在与否)是如何影响化学反应的速率及过程;揭示化学反应机理;建立总包反应与基元反应的定量理论等[8]。
在对化学反应进行动力学研究时总是从动态的观点出发,由宏观的研究进而到微观的分子水平的研究,因而将化学反应动力学区分为宏观动力学和微观动力学两个领域,但二者并非互不相关,而是相辅相成的。平衡是对过程结果的描述,速率变化则是对反应过程的描述。它们的解机制是两个不同学科的不同问题,既非化学平衡移动决定反应速率的变化,也非反应速率的变化导致了化学平衡的移动,它们属于各自独立的学科体系问题。
3.2 教学顺序可以尝试调整,按照大学顺序先平衡后速率,有利于中学与大学衔接
我们发现,传统教学基本按照人教版教材顺序安排,先讲“化学反应速率”部分,然后通过速率的讨论来研究平衡的建立问题。笔者通过教师访谈发现,他们认为“速率”较为贴近学生的生活经验,且已有认知中的物理概念“速度”易于迁移,所以没有觉得这种教学顺序存在问题。但由于速率的影响因素和平衡的影响因素非常相似,这种教学安排导致前者对后者的学习产生了干扰,学生在后期平衡移动的判断过程中把正逆速率的改变看成平衡移动的本质原因。
教师应当对学生的认知障碍有一定的判断,认识到速率部分的学习对学生认知同化造成矛盾,因此合理调整教学顺序,选择比较合适的教学素材,可以克服这一困境。例如可以采取鲁科版《化学反应原理》中的编排顺序,将化学反应方向和限度放在化学反应速率之前教学。笔者对鲁科版教材编写专家进行访谈,发现该版本教材之所以将“平衡”置于“速率”之前,就是为了避免以往教学中先讲速率的弊端,让学生分清热力学和动力学这两个不同的问题。这样的教学顺序也符合大学化学中的授课顺序,有利于中学到大学的教学衔接。
3.3 引导学生厘清平衡和速率,从热力学的角度解决平衡问题
为了使学生能从本质上理解反应速率的影响因素,教师要使学生将速率的宏观影响因素(浓度、温度、催化剂)和微观机理(碰撞理论和活化能理论)结合起来,只有让学生能从能量角度(活化分子数和活化分子百分数的改变)推理出浓度、温度、催化剂对速率的影响,学生才能不浮于表面的死记硬背。针对化学平衡移动这一学生认知困难的部分,教师应当深刻把握平衡的本质,即将平衡的影响因素归于化学平衡常数K与浓度商Q的不相等,温度改变了平衡常数K的数值,而压强或浓度改变的则是浓度商Q的数值,平衡会向使浓度商Q趋近于平衡常数K的方向移动。
参考文献:
[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准(实验)[S].北京:人民教育出版社,2003.
[2][5][6][7]傅献彩等.物理化学(第五版)(上册)[M].北京:高等教育出版社,2006:343~347,348~349,362~365,64