1、學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)原理的目的

1)化學(xué)研究的核心問題是：化學(xué)反應(yīng)

2)化學(xué)中最具有創(chuàng)造性的工作是：設(shè)計和創(chuàng)造新的分子

3)如何實現(xiàn)這個過程？

通常是利用已發(fā)現(xiàn)的原理來進行設(shè)計并實現(xiàn)這個過程，所以我們必須對什么要清楚才能做到，對化學(xué)反應(yīng)的原理的理解要清楚，我們才能知道化學(xué)反應(yīng)是怎樣發(fā)生的，為什么有的反應(yīng)快、有的反應(yīng)慢，它遵循怎樣的規(guī)律，如何控制化學(xué)反應(yīng)才能為人所用！這就是學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)原理的目的。

3、有效碰撞、活化分子、活化能、催化劑

2、化學(xué)反應(yīng)原理所研究的范圍

　　建議課前以小組為單位活動，對下列內(nèi)容進行查閱和討論。

　　活動設(shè)計1：認識化學(xué)反應(yīng)原理

　　可供討論的問題和教學(xué)設(shè)計意圖如下：

　　活動設(shè)計2：簡化后的有效碰撞模型、活化分子和活化能

　　要求學(xué)生簡要回答下列問題：

　　活動設(shè)計3：化學(xué)反應(yīng)原理的重要領(lǐng)域--關(guān)于催化劑的研究

　　要求學(xué)生填寫下表：

教學(xué)資源

1. 化學(xué)反應(yīng)的活化能 　　實驗證明，只有發(fā)生碰撞的分子的能量等于或超過一定的能量Ec(可稱為臨界能)時，才可能發(fā)生有效碰撞。具有能量大于或等于E_c的分子稱為活化分子。 　　在一定溫度下，將具有一定能量的分子百分數(shù)對分子能量作圖，如圖1所示。從圖中可以看出，理論上來說，反應(yīng)物分子的能量可以從0到∞，但是具有很低能量和很高能量的分子都很少，具有平均能量E的分子相當多。這種具有不同能量的分子百分數(shù)和能量的對應(yīng)關(guān)系圖，叫做一定溫度下分子能量分布曲線圖。

圖1　 等溫下的分子能量分布曲線

　　圖1中，E表示分子的平均能量，E_c是活化分子具有的最低能量，能量等于或高于E_c的分子可能產(chǎn)生有效碰撞�；罨�分子具有的最低能量E_c與分子的平均能量E之差叫活化能。

　　不同的反應(yīng)具有不同的活化能。反應(yīng)的活化能越低，則在指定溫度下活化分子數(shù)越多，反應(yīng)就越快。

圖2　 不同溫度下分子能量分布曲線

　　不同溫度下分子能量分布是不同的。圖2是不同溫度下分子的能量分布示意圖。當溫度升高時，氣體分子的運動速度增大，不僅使氣體分子在單位時間內(nèi)碰撞的次數(shù)增加，更重要的是由于氣體分子能量增加，使活化分子百分數(shù)增大。圖2中曲線t₁表示在t₁ 溫度下的分子能量分布，曲線t₂表示在t₂溫度下的分子能量分布(t₂>t₁)。溫度為t₁時活化分子的多少可由面積A₁反映出來；溫度為t₂時，活化分子的多少可由面積A₁+A₂反映出來。從圖中可以看到，升高溫度，可以使活化分子百分數(shù)增大，從而使反應(yīng)速率增大。 　　一個化學(xué)反應(yīng)體系的活化能E_a，通常是通過溫度對反應(yīng)速率常數(shù)的影響來測定的，其關(guān)系式為阿累尼烏斯方程，即：

3. 模型研究的意義

　　應(yīng)該說學(xué)生根據(jù)自身的生活經(jīng)驗，對于簡化后的有效碰撞模型接受起來并不難，由于缺乏相關(guān)的知識，要達到真正領(lǐng)會該模型的要點是不現(xiàn)實的。這也是教科書采取最簡化處理方法的原因。為了便于學(xué)生理解模型研究的方法和意義，教師還可以利用學(xué)生已有的可燃物燃燒條件的知識，建立下列模型：

　　可燃物必須有氧氣參與并達到著火點才能燃燒，產(chǎn)生新物質(zhì)的同時有能量的釋放；不同的可燃物，其著火點不同；同樣道理，反應(yīng)物分子獲得足夠的能量(活化能)并具有合理的取向才能發(fā)生有效碰撞，產(chǎn)生新物質(zhì)并伴隨有能量的變化。

　　總結(jié)時教師強調(diào)：同其他科學(xué)研究一樣，當我們研究某個問題的時候，需要提取本質(zhì)的內(nèi)容而控制其他干擾因素來進行。概念模型是一種比較抽象的模型，需要有意識地忽略事物的某些特征，抽象出關(guān)鍵的因素，使各因素之間的關(guān)系更清晰，更利于研究對象的把握，以減少可能引起的偏差。概念模型法是科學(xué)認識史上重要的方法之一，學(xué)生們通過本課的學(xué)習(xí)應(yīng)獲得一定的認識。

2. 研究化學(xué)反應(yīng)原理的思路與方法--概念模型法。

　　教科書介紹了合理簡化的概念模型以及如何運用概念模型學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)原理。對該段內(nèi)容的處理可分三步進行：

　　(1)建立簡化的有效碰撞模型的設(shè)想：為了突出化學(xué)反應(yīng)最重要的內(nèi)涵，忽略其他因素的干擾作用，選擇氣相反應(yīng)體系作為研究有效碰撞的基礎(chǔ)模型。其優(yōu)點是：氣體分子運動空間遠大于自身體積所占有的空間，環(huán)境影響因素相對較少。該概念模型最重要的內(nèi)涵也更加突出，更容易掌握。如在水溶液中的反應(yīng)，水是較大量的，研究水溶液中的化學(xué)反應(yīng)就不能忽略水分子的作用。

　　(2)模型的基本構(gòu)架

　　模型的建構(gòu)：在一潔凈的容器中，使氫氣與氧氣按體積比2∶1的比例混合，氣體分子因自由運動而不斷發(fā)生碰撞(互相接觸)--這是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的必要條件。

　　假設(shè)與事實：研究結(jié)果表明，從分子的熱運動來看，分子發(fā)生碰撞的機會很多。如在常溫常壓下每個氫分子、氧分子自身或它們之間的碰撞幾率為2.355×10¹⁰次/秒。假如每次碰撞都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則化學(xué)變化瞬間即可完成，但事實并非如此。

　　立論：并不是每次分子間的碰撞都會引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，只有其中部分的氣體分子碰撞是有效的，即有效碰撞--這是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的充分條件。

　　(3)活化分子和活化能

　　對該模型的進一步認識可結(jié)合教科書上的圖示(圖1)。具有足夠能量(活化能)的分子--活化分子的碰撞是有效碰撞的必要條件，但不充分。只有當活化分子采取適合的取向進行碰撞時才能反應(yīng)。

　　活化分子--具有較高能量，能夠發(fā)生有效碰撞的分子。

　　活化能--活化分子高出反應(yīng)物分子平均能量部分

　　教科書以活化能為0的反應(yīng)從另一個側(cè)面說明有效碰撞模型的合理性。進一步說明了活化能的大小與化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系。

　　結(jié)論：某一化學(xué)反應(yīng)的速率大小與單位時間內(nèi)有效碰撞次數(shù)有關(guān)；而有效碰撞次數(shù)的多少與單位體積內(nèi)反應(yīng)物中活化分子的多少有關(guān)；活化分子的多少又與該反應(yīng)的活化能的大小有關(guān)�；罨�能的大小是由反應(yīng)物分子的性質(zhì)決定的，而反應(yīng)物分子的性質(zhì)又與分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可以說，反應(yīng)物分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定化學(xué)反應(yīng)速率的內(nèi)因。那么，對于一個特定反應(yīng)，人類如何使用和控制，還需要研究外部條件對它的影響。這將在后面的學(xué)習(xí)中繼續(xù)討論。

　　最后教科書特別指出：化學(xué)反應(yīng)的活化能可以用實驗方法測定，當實驗條件不同時，會得出不同的結(jié)果，催化劑的應(yīng)用就是實例之一。人們尚未掌握化學(xué)反應(yīng)活化能的有效的理論推算方法，這種留有缺憾的教學(xué)觀點值得關(guān)注，既有利于學(xué)生客觀地認識科學(xué)規(guī)律，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。 關(guān)于催化劑，在化學(xué)2中已有介紹，這里著重說明催化劑的作用、意義，在第二章中進一步從由于催化劑的參與改變了活化能，從而改變了反應(yīng)速率來認識催化劑的作用。

　　教學(xué)重點：了解化學(xué)反應(yīng)原理的基本學(xué)習(xí)方法--概念模型法。

　　教學(xué)難點：“有效碰撞”和“活化分子與活化能”的概念模型。

　　教學(xué)建議：

　　根據(jù)緒言內(nèi)容特點，本課可設(shè)計成下述教學(xué)模式：課前自學(xué)→查閱資料→課上交流討論→師生共同研究。教師在課前布置學(xué)生自學(xué)，然后將學(xué)生分成若干個小組，要求他們通過查閱資料、小組整理資料、先行討論形成共識，再通過課堂上的匯報、講解、交流和評價，完成對本課內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

　　新課引入首先教師指出，化學(xué)研究的核心問題是化學(xué)反應(yīng)�；瘜W(xué)中最有創(chuàng)造性的工作是設(shè)計和創(chuàng)造新的分子�；瘜W(xué)家們通常是利用已發(fā)現(xiàn)的原理來進行設(shè)計并實現(xiàn)這個過程，如果對化學(xué)原理的理解不夠清楚則無法做到�；瘜W(xué)反應(yīng)是怎樣發(fā)生的？為什么有的反應(yīng)快、有的反應(yīng)慢？它遵循怎樣的規(guī)律？如何控制化學(xué)反應(yīng)為人所用？這是我們學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)原理的宗旨�；瘜W(xué)反應(yīng)原理所包含的內(nèi)容及學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)原理的方法正是本書要探討的問題。

　　教學(xué)中的主要過程可以結(jié)合學(xué)生匯報交流自學(xué)與討論的成果，圍繞下列問題展開：

1. 化學(xué)反應(yīng)原理研究的內(nèi)容可列舉學(xué)生熟悉的化學(xué)反應(yīng)進行分析。

　　情景1：

　　說明：同樣都與H₂反應(yīng)，由于O₂、CuO 、N₂的性質(zhì)不同，反應(yīng)的難易程度不同。物質(zhì)之間能否發(fā)生反應(yīng)，是由物質(zhì)本身的性質(zhì)決定的，對于能夠發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，影響化學(xué)反應(yīng)速率的根本原因也是反應(yīng)物本身的性質(zhì)，我們稱之為“內(nèi)因”。

　　情景2：將H₂+O₂混合，在室溫條件下可以穩(wěn)定存在數(shù)百年，但點燃后卻會發(fā)生劇烈的爆炸反應(yīng)，而且只要配比相當，可以完全轉(zhuǎn)化成生成物。

　　說明：外界條件可以促使其反應(yīng)發(fā)生。而且在一定的條件下，反應(yīng)進行得比較“徹底”。物質(zhì)之間反應(yīng)的“內(nèi)因”已經(jīng)具備，“外因”則是變化的條件。不同的外界條件都能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率。

　　情景3：H₂+N₂即使在高溫、高壓、有催化劑的條件下反應(yīng)，也不能完全轉(zhuǎn)化成生成物。

　　說明：該反應(yīng)是有一定限度的。

　　總結(jié)：化學(xué)反應(yīng)速率、方向及限度正是“化學(xué)反應(yīng)原理”要研究的問題。此時有必要指出：在不同物質(zhì)體系、不同的環(huán)境中，化學(xué)反應(yīng)所遵循的規(guī)律是不同的，如在第三單元將介紹水溶液中的離子反應(yīng)；在第一單元和第四單元將分別介紹化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)與能量之間的定量關(guān)系以及電化學(xué)的最基礎(chǔ)知識等等，這些都是“化學(xué)反應(yīng)原理”研究的范圍。這些基本原理與我們身邊經(jīng)常發(fā)生的化學(xué)現(xiàn)象密切相關(guān)，只要我們注意觀察、研究，大自然將成為無所不在的大課堂。

　　建議用1課時。

教學(xué)建議

4. 內(nèi)容特點

　　緒言中概括地介紹了課程的主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法與思路，同時還簡介了“有效碰撞理論”和“活化分子與活化能”兩個概念模型，對全書起著提綱挈領(lǐng)、畫龍點睛的作用。