基于“科工整合”的“速率和平衡”大单元复习教学

王换荣 陈进前

摘要： 工程思维是在“科学实践活动中凝练出科学思维”的基础上建立的一种可操作性的高阶思维。依据工程活动“设计与决策、研发、实施、实现”四个层次，以“利用工业废气中的CO2为碳源催化加氢合成甲醇”为例展开五步教学，基于“科工整合”实施“速率和平衡”大单元复习，引导学生站在“全过程”的视域高度形成“利用化学反应规律调控化学反应”的新认识，构建“设计化学反应解决化工问题”的一般思路。

关键词： 科工整合； CO2催化加氢； 大单元复习； 科学思维； 工程思维

文章编号： 10056629（2024）01005207

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

实际生产和生活中，人们需要建立科学思维来分辨各种事物的相同和相异，辨析复杂体系中多因素之间的相互关联，并能剖析多因素形成的多维立体网络，最终实现不断的创新和创造［1］。科学思维重视科学探究的过程和方法，而工程实践过程中往往伴随着科学探究过程。

化学与生产生活紧密相联，化学教学中的科学思维与工程思维密不可分。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）规定的五大核心素养中的“变化观念与平衡思想”和“证据推理与模型认知”是从学科思维方式视角对化学科学思维的描述。而工程思維正是以某真实问题为驱动框架、具体情境为探究载体，让学生在任务的驱动下通过合作、交流等方式解决问题。可见，将化学学科知识运用于化工生产需要工程思维，在化学教学中有必要贯穿工程思维［2］。

1 思维的概述

1.1 思维及科学思维的概念界定

思维是在社会实践中产生的人类所特有的思想和精神活动，具体指在各种现象、各类概念的基础上进行分析和综合、判断和推理等认识活动的过程［3］。通常，工程思维、科学思维和艺术思维是三种不同的思维方式［4］。

科学思维是指为正确而严谨地认识客观事物，人脑借助信息符号加工处理感性材料的思辨途径和认识方法。科学思维形成并作用于科学认识活动，是连接实践与理论的桥梁［5］。《义务教育化学课程标准（2022年版）》指出：“化学科学思维是从化学视角对客观现象独立思考、判断、质疑与批判，并提出创造性见解的能力；研究物质及其变化规律的思路与方法；建立宏观、微观、符号、图像四重表征的认识方式。［6］”具体的科学思维方法和化学科学思维方法见表1。化学科学自身独特的思维方法体系，可以破解学生学习过程中“繁、难、乱”等困扰［7］。

1.2 工程思维的内涵及特征

工程活动是实践活动，工程思维则是实践性思维。工程思维的目的是“建造技术人工物，即创造工程活动的产品”，非但包括实物，还包括各种“信息和服务产品”。工程思维的过程可看作“设计出一个恰当的实现工程目标的操作路径的过程”［9］。可见，工程思维具有逻辑性、灵活性、深刻性等思维的一般特征，也具有创新性、情境性、系统性等显著特点［10］。换言之，工程思维具备可行性和操作性。

2013年美国颁布的《新一代科学教育标准》，首次将科学与工程实践整合进了基础教育阶段，着力发展学生的创新思维。我国《义务教育科学课程标准（2022年版）》和化学、生物、技术等学科的普通高中课程标准（2017年版2020年修订）

也首次融进了工程技术，提出工程技术的核心是设计，目的是解决实际问题和制造产品。工程思维属于高阶思维，对提升学生的核心素养意义深远［11］。

化学教学中的工程思维异于工程领域中的工程思维［12］，它是立足于科学思维的培养，将学习化学知识和技能的过程沉浸于相应的工业情境中，并能解释、解决真实境域中的问题［13］，并不断修正学生运用统筹性思维权衡解决问题的思维方式。

2 主题及教学目标的确立

科学和工程相互交叉、关联。因此，“科工整合”是化学教学中工程思维培养的有效路径。设计一个化学反应用于实际化工生产时，必然遇到选择适宜反应条件的问题。新课标要

求教学中要创设化工生产路线的选择等真实情境，组织学生开展基于能量利用需求、综合优化反应条件及能量转化路径、装置等活动，形成合理利用能量的意识和思路，提升“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”的核心素养。基于上述分析，将研究主题确定为“基于科工整合的速率和平衡大单元复习教学——以催化加氢让二氧化碳变废为宝为例”。

预设以下教学目标：通过设计并选择“利用工业废气中CO2合成甲醇”的反应及对反应条件的综合优化，体会反应的焓变、熵变、速率和平衡相关知识的应用价值，形成从物质转化及反应的方向、快慢、限度等多个角度综合分析、解决工业问题的基本思路；树立绿色化学理念，认识到利用化学反应将无用物转化为有用物是解决环境问题的重要途径；知道开发低温下具有高活性和高选择性的催化剂对促进化工发展的重大意义。

3 教学实践过程

3.1 创设情境，运用工程思维确定探究任务

［教师介绍课题背景］当今世界面对的两大技术难题都围绕“燃料”展开，一是化石燃料趋于耗尽，二是CO2排放量超标。

［提出问题］你能以工程师的角色，运用化学反应原理，设法利用CO2来合成新的能源变废为宝，改变能源结构吗？观看“化石能源趋于耗尽”的视频，进行小组讨论。

3.2 搭建桥梁，运用工程思维分解任务

把全班同学分成8个小组，6人一组。确定从5个任务展开探索，师生共同规划确定研究方案。

3.2.1 任务1 设计化学反应——以CO2为碳源，选择氢源来合成甲醇

［信息支持］甲醇易传输，可以单独或者与汽油混合作为汽车燃料，将成为21世纪最有竞争力的清洁燃料之一。随着能源日渐减少，人们正在积极寻找新的碳源来合成甲醇。目前，最有希望开展大规模应用的是CO2加氢生成甲醇的反应。

［过渡］基于此，确定本节课的主题是“利用工业废气中的CO2来合成甲醇”。

［问题］你能以CO2为碳源，从化合价的角度选择氢源合成甲醇，并写出方程式吗？

［学生］CO2中的碳从+4价降低到甲醇中的-2价，选择常用的含氢还原剂H2，方程式是CO2+3H2CH3OH+H2O。

［问题］你能从“原料来源广泛、廉价易得”这个角度来选择氢源吗？

［学生］水！方程式是2CO2+4H2O2CH3OH+3O2。

［总结］我们可以遵循元素观、守恒观和价态观来设计化学反应。

3.2.2 任务2 选择化学反应——依据

ΔG=ΔH－TΔS＜0，判断反应的自发性

［过渡］我们设计的这两个反应不一定可行。

［信息支持］给出298K、 100kPa条件下焓变和熵变的数据，假设反应ΔH、 ΔS不随温度的改变而变化。

Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）

ΔH1=-48.97kJ·mol-1

ΔS1=-177.16J·mol-1·K-1

Ⅱ：CO2（g）+2H2O（g）CH3OH（g）+3/2O2（g）

ΔH2=+676.48kJ·mol-1

ΔS2=-43.87J·mol-1·K-1

［问题］如何分析这两个反应的可行性？

［学生］根据吉布斯自由能变ΔG=ΔH-TΔS＜0，反应能自发。反应Ⅰ的ΔH＜0， ΔS＜0，低温能自发。反应Ⅱ的ΔH＞0， ΔS＜0，在任何温度下均不自发。

［总结］ΔG＜0只能用于判断等温、等压及只做体积功条件下，反应正向自发进行的趋势，但反应能否实际发生还涉及速率问题。

3.2.3 任务3 微观分析化学反应——结合能垒图，解释反应过程

［信息支持］给出恒容密闭容器中，加入CO2、 H2和催化剂PST、 500℃时反应历程和能垒图1。TS表示过渡态，*表示吸附在催化剂表面的物种。

［过渡］已知TS为过渡态，图1中共3个过渡态，第3个过渡态使用了催化剂。

［问题］你能结合反应历程分析使用催化剂PST时的两个基元反应吗？

［学生］第1个是CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g），第2个是CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）。

［问题］这两个基元反应中，哪个是决速步骤？

［学生］慢反应是决速步骤，根据活化能大的为慢反应，图1中显示第1个基元反应是慢反应，第2个则是快反应。

［问题］你能画出反应历程和能量变化图吗？

［学生］第1个基元反应吸热，第2个放热，且第1个的活化能大于第2个。

［过渡］投影并指出图2中的细节，强调要标出具体的反应物和生成物及各物质的状态和计量数。

［问题］结合反应历程分析，科研人员在调试反应条件的过程中，监测到了除甲醇之外的什么物质，为什么？

［学生］CO。说明在发生主反应的过程中存在副反应：CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）。

［问题］在生产中，要尽可能地促进主反应而抑制副反应的发生，可以采取什么措施？

［学生］选择合适的催化剂，提高主产物甲醇的选择性。

［问题］你能结合歷程图，分析此温度下催化剂PST如何较好地提高甲醇的选择性吗？

［学生］生成过渡态1和2的主、副反应历程都相同，不同的是生成过渡态3的这一步。如果没有催化剂，CO2和H2就会发生副反应。催化剂的存在使得活化能降低生成甲醇。

［教师补充］反应历程中，决定催化剂选择性较高的步骤是生成过渡态3的这一步。

［问题］你能书写生成过渡态3的方程式吗？

［学生］CO*（g）+H2O（g）+2H2（g）CO（g）+H2O（g）+2H2（g）或CO*（g）CO（g）。

3.2.4 任务4 选择反应条件——依据实验参数，多角度考虑因素。

［过渡］微观上副反应的发生导致了甲醇的选择性较低。工业中主要依据实验数据，从催化剂的角度来选择反应条件，提高甲醇的选择性。

［信息支持］给出温度553K、总压4MPa下，n（H2）∶n（CO2）=3∶1时，不同催化剂组成对甲醇产率、选择性及副产物CO选择性的影响，见表2。

［问题］你认为工业生产中应选择第几组催化剂？依据是什么？

［学生］若从甲醇纯度的角度来看，选择第3组催化剂。若从甲醇产率的角度来看，选择第4组催化剂。即3、 4组均可，只是催化剂组分的比例不同。

［过渡］我们还能从浓度的角度来选择反应条件。

［信息支持］给出总压2MPa、温度553K下，催化剂为CuOZnOAl2O3时，随着H2和CO2物质的量之比增大，得到CO2的转化率α和甲醇产率的值，见表3。

［问题］总压恒定，增大H2与CO2的投料比，二者的浓度如何变化？CO2的转化率和CH3OH的产率如何变化？

［学生］压强不变，随着H2比例的增多，H2的浓度增大，CO2的浓度减小，CO2的转化率增大，甲醇的产率也增大。

［问题］H2与CO2选择怎样的比例比较好？

［学生］3∶1。因为3∶1时CO2的转化率比较大，甲醇的产率也比较大，且继续增大H2的比例，成本增大，但CO2的转化率和甲醇的产率增大幅度均不大。

［过渡］好，选择3∶1。现将H2与CO2比例不同对CO2转化率和甲醇产率的影响转化成折线图3。

［问题］选择CuO/ZnO/Al2O3这组催化剂时，不论H2和CO2的比例多大，副产物CO的产率终归在甲醇之上，为什么？

［学生］依据信息支持4中第1组，当催化剂是CuO/ZnO/Al2O3时，CH3OH选择性只有40%，CO选择性是60%。因此，催化剂的选择至关重要。

［过渡］我们还能从温度的角度来选择条件。

［信息支持］给出总压为5MPa， n（H2）∶n（CO2）=3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维。在不同温度下，反应相同时间的甲醇产率，见图4。

［问题］为什么温度在480到520K范围内甲醇产率升高？

［学生］温度升高，速率加快。且在催化剂的活性温度范围内，温度越高，催化剂活性越大。

［问题］520K之后产率为什么降低？

［学生］可能温度升高，主反应逆向移动。还有可能温度高于520K，促进了副反应的进行，或催化剂的活性降低。

［总结］今后面对温度对主产物产率的影响时，可以从三个角度来回答。一是主反应的速率和平衡移动的问题，二是副反应，三是催化剂活性。

［信息支持］主反应在不同温度下的平衡常数如表4。

［问题］表格中的平衡常数均较小，也就是主反应难以达到平衡。因此，在实际生产中如何提高甲醇产量？

［学生］提高单位时间内甲醇的产量。也就是说，最高效的提高甲醇产量的方法是选择高效的催化剂。

［问题］在实际工业生产中，分析温度对主产物产率的影响，哪个角度最关键？

［学生］催化剂的活性和选择性在实际生产中起到关键性的作用。故温度的选择常是根据催化剂的活性范围来确定。

［总结］综上，我们结合反应机理和实验参数，可以综合优化催化剂的选择条件，选择第四组催化剂，温度为520K。开发在较低温度下具有优良活性和选择性的催化剂，将会是未来研究的重点。2021年诺贝尔化学奖就是有关“有机小分子的不对称催化”方面的。

3.2.5 任务5 综合优化条件——结合生产实际，建立思维模型

［问题］以上，我们在实现CO2催化加氢合成甲醇的工业生产中，应该从哪些角度来选择反应条件，涉及哪些影响因素呢？

［学生］从动力学（反应速率）和热力学（化学平衡）两个角度考虑，速率从温度、浓度、压强和催化剂这些影响因素分析，平衡从温度、浓度和压强来分析。

［教师补充］当然还要结合实际生产中的成本、工艺、安全性、绿色化学等方面来综合选择条件。

［问题］结合以上影响因素，我们建立选择反应条件的思维模型，你能补充下列思维模型吗？

［学生］口述并完成图5。

［总结］今后在面对复杂的反应条件选择时，可以利用图5中建立的思维模型。

［过渡］利用模型，我们可以选择CO2催化加氢合成甲醇的压强。

［信息支持］给出523K下，n（H2）∶n（CO2）=3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维时，不同总压对甲醇产率的影响如图6。

［问题］图中压强越大，甲醇产率越高。你准备选择多大的压强？

［学生］4到5MPa。压强不宜太大，存在安全隐患。

［问题］压强增大对副反应的平衡有影响吗？

［学生］有影响。尽管副反应前后气体的物质的量之和不变。但这是多平衡体系，增大压强，主反应平衡正移，CO2和H2的浓度减小，对副反应造成影响。

［过渡］现在，我们已经选出CO2催化加氢合成甲醇的条件。在实际生产中，反应生成的水加速了催化剂中Cu活性组分的烧结团聚，使得催化剂活性降低。

［问题］给出恒压、CO2和H2体积比为1∶3，不同温度下，有、无分子筛膜时，甲醇的产率如图7所示。如何将水分离？

［学生］可用分子筛膜选择性地分离出水，也可将气态水液化而分离。

［教师补充］实际生产中，除去分离水，还增加了废气CO2的富集装置和副产物CO的回收装置，并将剩余的CO2与H2重新通入反应器，提高CO2与H2的利用率。

3.3 修改完善，运用工程思维建立模型

［过渡］你们作为工程师，已经完成了主题学习，大家设计的这个反应能投入实际生产吗？下面看这则视频。这是位于河南安阳，世界上规模最大的CO2加氢催化合成甲醇的生产工厂。同学们，变废为宝实现了！

［总结］到此，我们得出图8中5步设计化学反应解决化工问题的一般思路。在实际生产中，开发在较低温度下具有优良活性和选择性的催化剂是首选。

［展望］今后，面對合成新物质时，你准备采用怎样的思路分析其可能性并综合优化条件？比如CO2与氢源合成乙烯、乙醇和二甲醚等化工产品。

4 教学反思

科学活动重在发现和理解客观世界，工程活动指向改造客观世界。将科学思维和工程思维整合，实质是理论性思维和实践性思维的融合。以科工整合思维的视野设置教学内容的丰富性远大于单纯的化学课程，目的是培养创新实践人才。科工整合要从规划、设计、选择、优化、调整、反馈等全盘考虑，师生通过对应的决策、设计、实践和评价等工程活动，培养学生的筹划思维、系统思维和创新思维等。

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