新课引入首先教师指出,化学研究的核心问题是化学反应 。化学中最有创造性的工作是设计和创造新的分子 。化学家们通常是利用已发现的原理来进行设计并实现这个过程,如果对化学原理的理解不够清楚则无法做到 。化学反应是怎样发生的?为什么有的反应快、有的反应慢?它遵循怎样的规律?如何控制化学反应为人所用?这是我们学习化学反应原理的宗旨 。化学反应原理所包含的内容及学习化学反应原理的方法正是本书要探讨的问题 。教学中的主要过程可以结合学生汇报交流自学与讨论的成果,围绕下列问题展开:
1. 化学反应原理研究的内容可列举学生熟悉的化学反应进行分析 。
情景1:
说明:同样都与H2反应,由于O2、CuO 、N2的性质不同,反应的难易程度不同 。物质之间能否发生反应,是由物质本身的性质决定的,对于能够发生的化学反应,影响化学反应速率的根本原因也是反应物本身的性质,我们称之为“内因” 。
情景2:将H2+O2混合,在室温条件下可以稳定存在数百年,但点燃后却会发生剧烈的爆炸反应,而且只要配比相当,可以完全转化成生成物 。
说明:外界条件可以促使其反应发生 。而且在一定的条件下,反应进行得比较“彻底” 。物质之间反应的“内因”已经具备,“外因”则是变化的条件 。不同的外界条件都能够改变化学反应的速率 。
情景3:H2+N2即使在高温、高压、有催化剂的条件下反应,也不能完全转化成生成物 。说明:该反应是有一定限度的 。
总结:化学反应速率、方向及限度正是“化学反应原理”要研究的问题 。此时有必要指出:在不同物质体系、不同的环境中,化学反应所遵循的规律是不同的,如在第三单元将介绍水溶液中的离子反应;在第一单元和第四单元将分别介绍化学反应中物质与能量之间的定量关系以及电化学的最基础知识等等,这些都是“化学反应原理”研究的范围 。这些基本原理与我们身边经常发生的化学现象密切相关,只要我们注意观察、研究,大自然将成为无所不在的大课堂 。
2. 研究化学反应原理的思路与方法——概念模型法 。
教科书介绍了合理简化的概念模型以及如何运用概念模型学习化学反应原理 。对该段内容的处理可分三步进行:
(1)建立简化的有效碰撞模型的设想:为了突出化学反应最重要的内涵,忽略其他因素的干扰作用,选择气相反应体系作为研究有效碰撞的基础模型 。其优点是:气体分子运动空间远大于自身体积所占有的空间,环境影响因素相对较少 。该概念模型最重要的内涵也更加突出,更容易掌握 。如在水溶液中的反应,水是较大量的,研究水溶液中的化学反应就不能忽略水分子的作用 。
(2)模型的基本构架
模型的建构:在一洁净的容器中,使氢气与氧气按体积比2∶1的比例混合,气体分子因自由运动而不断发生碰撞(互相接触)——这是发生化学反应的必要条件 。
假设与事实:研究结果表明,从分子的热运动来看,分子发生碰撞的机会很多 。如在常
10温常压下每个氢分子、氧分子自身或它们之间的碰撞几率为2.355×10次/秒 。假如每次碰
撞都能发生化学反应,则化学变化瞬间即可完成,但事实并非如此 。
立论:并不是每次分子间的碰撞都会引发化学反应,只有其中部分的气体分子碰撞是有效的,即有效碰撞——这是发生化学反应的充分条件 。
(3)活化分子和活化能
对该模型的进一步认识可结合教科书上的图示(图1) 。具有足够能量(活化能)的分子——活化分子的碰撞是有效碰撞的必要条件,但不充分 。只有当活化分子采取适合的取向进行碰撞时才能反应 。
活化分子——具有较高能量,能够发生有效碰撞的分子 。
活化能——活化分子高出反应物分子平均能量部分
教科书以活化能为0的反应从另一个侧面说明有效碰撞模型的合理性 。进一步说明了活化能的大小与化学反应速率的关系 。
结论:某一化学反应的速率大小与单位时间内有效碰撞次数有关;而有效碰撞次数的多少与单位体积内反应物中活化分子的多少有关;活化分子的多少又与该反应的活化能的大小有关 。活化能的大小是由反应物分子的性质决定的,而反应物分子的性质又与分子的内部结构密切相关,可以说,反应物分子的内部结构是决定化学反应速率的内因 。那么,对于一个特定反应,人类如何使用和控制,还需要研究外部条件对它的影响 。这将在后面的学习中继续讨论 。
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