初中化学计算复习的微项目化实践——以“奥运火炬里的碳中和”为例

张 静

（苏州市第一初级中学校 江苏 苏州 215000）

一、项目确立

化学计算是化学基本技能的重要组成部分。初中化学涉及的计算，大体可分为三类：①化学式的相关计算；②化学方程式的相关计算；③溶液的相关计算。以上知识点分散于教材不同章节，学生往往将它们视作一个个孤立的知识点，无法将它们看作一个整体。项目式教学在实现学生学科知识、认识思路、学科观念结构化方面具有独特价值［1］。为了在复习时将这些内容组成一个有机整体，笔者设计了“奥运火炬里的碳中和”这个微项目，期望在有效复习化学计算的同时，使学生深刻体会碳中和的必要性和紧迫性。

二、项目规划

本微项目的主要内容分为三部分：火炬燃料知多少、身体力行碳中和、大力发展新能源。通过学习和讨论，帮助学生复习并牢固掌握常见的三类化学计算，体会理论与实际相结合的重要性，让学生学会有效运用相关数据，开展方案探讨，提高解决实际问题的能力。具体教学流程如图1。

图1 教学流程图

三、项目实施

任务1：火炬燃料知多少

【视频引入】火炬小剧场——奥运火炬的燃料变迁

【教师提问】从视频中，可以知道有哪些物质曾用作火炬的燃料？

【学生回答】曾用作火炬燃料的有：金属镁、天然树脂、液化石油气、橄榄油、丙烷混合气、绿氢。

【教师提问】金属镁用作火炬燃料的次数很少，同学们认为主要是什么原因？

【学生回答】金属镁燃烧时生成氧化物会形成白烟，空气污染严重。

【教师介绍】1976年奥运会火炬燃料是橄榄油，其中含有一定量的角鲨烯（C30H50）。

【活动1】请根据角鲨烯的化学式C30H50，计算⑴角鲨烯中碳、氢元素的质量比为多少？

（2）41 g角鲨烯与多少克水中所含氢元素的质量相等？（已知：C-12，H-1）

【学生反馈】角鲨烯中碳氢元素质量比为36：5；41 g角鲨烯与45 g水所含氢元素质量相等。

【教师提问】从1984年奥运会开始，奥运火炬基本都是采用以丙烷为主的混合气，它和镁相比有何优点？

【学生回答】丙烷完全燃烧时只生成二氧化碳和水，二氧化碳本身是空气组成成分，因此对空气的影响与镁燃烧相比小多了。

【教师讲述】同学们回答得非常正确。这是2008年北京夏季奥运会火炬——祥云。祥云火炬采用的燃料正是以丙烷为主的混合气体。这是丙烷分子的微观模型（给出图片）。

【教师提问】那么一支祥云火炬完全燃烧，最多会产生多少二氧化碳气体呢？请同学们猜一猜。

【学生回答】估计几十克吧，最多不会超过一百克。

【教师讲述】同学们的猜测到底准确不准确呢？我们就来具体计算一下。

【活动2】查阅资料可知：一支祥云火炬中装有约0.21 kg丙烷，平均燃烧时长为15 min。试计算其完全燃烧时，最多会产生多少克二氧化碳？

【学生反馈】真没想到一支火炬完全燃烧会产生630 g二氧化碳，比预想的要多得多。

【教师讲述】没有调查就没有发言权。同学们通过计算，发现产生的二氧化碳比想象的要多很多。

【教师提问】那么大量的二氧化碳排放，对环境会不会产生不利影响呢？

【学生回答】会产生“温室效应”，使得气温升高，南北极冰川融化……

【教师讲述】正如同学们所说，大量的二氧化碳排放会对地球环境产生很多不利影响，因此包括中国在内的世界各国都在大力推进“碳中和”。所谓“碳中和”，就是指在一定时间内，二氧化碳的产生量与吸收量基本相当。

任务2：身体力行碳中和

【教师提问】请同学们想一想，我们可以采用哪些方法来吸收二氧化碳呢？

【学生回答】可以像实验室一样，采用氢氧化钠等碱性溶液来吸收二氧化碳。

【方案探讨一】若用氢氧化钠溶液吸收二氧化碳，实际效果怎么样呢？

【活动1】请同学们通过计算药品用量，自己动手配置50 g溶质质量分数为10%的氢氧化钠溶液。

【活动2】刚才配制的氢氧化钠溶液最多可以吸收多少克二氧化碳？

【学生反馈】只能吸收2.75 g二氧化碳，太少了。

1.7.5 抑瘤率测定实验 荷瘤小鼠给药30 d后，停药24 h颈椎脱臼处死，固定于手术蜡板上，将小鼠右前肢腋下肿瘤剖出，称量肿瘤重量并计算肿瘤抑制率，计算公式为：

【教师提问】同学们都觉得吸收的二氧化碳太少了，那有什么办法能让溶液吸收更多二氧化碳呢？

【学生回答】可以增大溶质质量分数，甚至配制成饱和溶液。

【活动3】若要配制室温（20℃）时的氢氧化钠饱和溶液，还需向其中加入多少克固体氢氧化钠，并使其完全溶解？该饱和溶液溶质质量分数为多少？（已知：20℃时，S（NaOH）=109 g）

【学生反馈】还需加入44.05 g氢氧化钠固体，该饱和溶液的溶质质量分数约为52.2%。

【活动4】若要完全吸收一支祥云火炬燃烧产生的二氧化碳，至少需要室温时的饱和氢氧化钠溶液多少克？

【学生反馈】没想到完全吸收一支祥云火炬产生的二氧化碳，竟然需要2 194.4 g饱和氢氧化钠溶液。

【教师讲述】根据同学们的计算，吸收630 g 二氧化碳需要将近2 200 g 饱和氢氧化钠溶液，其中溶质氢氧化钠需要将近1 100 g。相关资料显示，2022年全球氢氧化钠产量达到8 070万吨，而2021年全球二氧化碳排放量达到363亿吨，同学们从这组数据中能够发现什么？

【学生回答】二氧化碳排放量远大于氢氧化钠产量，靠大量氢氧化钠溶液吸收二氧化碳是行不通的。

【学生回答】可以通过植树造林，依靠绿色植物的光合作用来吸收二氧化碳。

【方案探讨二】依靠绿色植物的光合作用吸收二氧化碳，实际效果又如何呢？

【活动5】已知：绿色植物在晴天时，通常每天每平方米叶片约能够吸收5 g 二氧化碳来进行光合作用。

若一颗树上有约105片表面积为1.6 cm2的叶片，则该树一天最多可吸收多少克二氧化碳？一支祥云火炬燃烧产生的二氧化碳至少需要几个晴天才能被这棵树完全吸收呢？

【学生反馈】该树一天可吸收80 g二氧化碳，完全吸收一支祥云火炬产生的二氧化碳要8个晴天。

通过绿色植物光合作用吸收二氧化碳的效率比想象中的要低很多。

【教师补充】通过简单计算我们发现，植树造林能够解决一部分问题，仅仅通过植树造林的方式吸收二氧化碳，效率也是低下的。

【教师提问】通过以上分析，我们得出结论：单纯依靠吸收二氧化碳来实现碳中和，几乎是不可能的，必须转换思路。那还能从哪方面想办法呢？

【学生回答】必须从减少排放上想办法，比如采用新能源替代传统的化石能源。

任务3：大力发展新能源

【教师提问】同学们知道哪些属于新能源？

【学生回答】主要有太阳能、地热能、氢能……

【教师提问】刚才同学们提到了氢能。这次北京冬奥会的火炬飞扬，就是采用的绿氢作燃料。采用氢气作燃料，有什么优点呢？

【学生回答】氢气燃烧生成物只有水，没有二氧化碳。

【教师补充】氢气是一种理想能源，但无法从自然界直接大量获取。传统的制取氢气方法是电解水，可是如果消耗的电能是通过烧煤等方法得来的，那么又会产生大量的二氧化碳。

【活动1】已知：目前采用电解水制氢时，每制取1 kg氢气要消耗56 kW·h 的电。全国平均供电煤耗是330 g/kW·h。求：若某火力发电厂每天使用褐煤（假设平均含碳量为60%）进行发电，则通过电解水制得1 kg氢气，发电厂至少会向空气中排放多少千克二氧化碳?

【学生反馈】如果采用传统烧煤发电，为了获得1 kg氢气，需要排放40.7 kg二氧化碳，有点得不偿失。

【教师补充】如果是通过化石燃料燃烧制得氢气，那么在制取过程中会有二氧化碳排放，这样的氢气称之为“灰氢”。如果通过可再生能源制得氢气，例如通过可再生能源发电进行电解水制氢，在此过程中完全没有碳排放，这样得到的氢气称之为“绿氢”。北京冬奥会火炬飞扬，采用的燃料就是绿氢。绿氢才是一种真正意义上的理想能源。

【教师提问】在生活中，我们每个人可以为实现碳中和做些什么力所能及的事情呢？

【学生讨论】少开车，多坐公交地铁，甚至骑车出行；夏天空调温度调高一度；随手关灯、关电源……

【教师总结】希望我们每一个人都从身边小事做起，为实现碳中和贡献自己的力量。

四、项目效果评价

评价设计是微项目实践过程中不可或缺的一个环节。为了更好地关注学生的整个学习过程，笔者在本微项目中设计了如下评价表，便于学生在学习过程中进行自评和互评，为今后的教学积累经验。

表1 评价表

五、项目教学反思

1.理论与实践结合，提升学生成就感

《义务教育化学课程标准》（2022年版）注重学生核心素养的培养，核心素养是在问题情境中借助问题解决的实践培育起来的［2］。本次项目式教学，从奥运会火炬燃料的变迁引出碳中和，再由碳中和引出新能源，三者之间是层层递进的关系，在这个过程中，学生通过动手实践，解决了一个又一个问题，获得的成就感远比单纯的笔头练习要多。

2.联系生活实际，让计算更有意义

化学是一门实践性很强的学科，而常规教学偏重理论知识点的讲授，学生习惯从理论上推断方案的可行性，颇有“纸上谈兵”的味道。在本次微项目教学中，学生通过具体计算来论证方案的实际可行性以及实际效果，既复习了化学计算相关内容，又能体会理论计算对实践的指导作用。