資源簡介

教學設計
課程基本信息
學科 化學 年級 高一 學期 春季
課題 碳達峰和碳中和—《化學與可持續發展》整理與提升
教科書 書 名：化學必修第二冊教材 出版社：人民教育出版社
教學目標
知道控制大氣中二氧化碳含量的重要性，體會到雙碳目標的重要性，意識到可持續發展的重要意義，鞏固金屬冶煉的方法和化石燃料的組成和處理方法，理解化石燃料既是主要能源又是重要的化工原料。 了解我國的能源結構現狀，了解人類對氫能、生物質能和二氧化碳的利用，回顧原子利用率和原子經濟性反應，回顧人類對海水資源的開發利用，感受科學技術的進步使人類更好地從自然資源中獲得能量和物質并使用，體會化學對于可持續發展的重要意義。 3.思考生活中如何助力雙碳目標，懂得到珍惜身邊的材料和各種化學品，回顧如何科學、安全、有效和合理地使用各種化學品，體會化學對生活的重要作用；回顧其他環境問題，加深環境保護的意識。
教學重難點
教學重點： 如何科學、安全、有效和合理地開發利用自然資源。
2. 哪些科學技術手段可以實現雙碳目標。
教學難點：綜合開發利用自然資源。
教學過程
【引課】2020年，我國在可持續發展戰略基礎上提出了碳達峰和碳中和的雙碳目標，力爭在2030年前，二氧化碳的排放不再增長，達到峰值，之后逐步回落，即碳達峰。在2060年前，實現二氧化碳的凈零排放，即碳中和。雙碳目標涉及多學科領域，最核心的問題是物質和能量轉化的化學問題。 【問題線索】1.為何要控制二氧化碳的排放量？2.從科學技術層面，哪些方法有助于實現雙碳目標？3.我們可以為雙碳目標做些什么？ （設計意圖： 以可持續發展目標基礎上的雙碳目標為背景，明確雙碳目標的核心問題是化學的問題。） 問題一 為何要控制二氧化碳的排放量？ 【展示】一千年來大氣中二氧化碳的含量。 【問題】大氣中二氧化碳含量的變化趨勢是怎樣的？為何有這樣的趨勢？ 【總結】十八世紀以前，大氣中二氧化碳含量較為穩定。十八世紀六十年代，世界開始第一次工業革命，大量化石燃料被開發利用，用以供給大規模的工業化生產和交通運輸，但同時釋放了的大量的二氧化碳，大氣中二氧化碳含量急速升高。 【問題】以金屬冶煉工業為例，解釋在工業生產中為何會消耗大量的化石燃料？ 【回顧—金屬礦物的開發利用】 不同的金屬活潑性不同，采用不同的冶煉方式，銀、汞采用熱分解法。銅、鐵、鋅等金屬采用熱還原法。鈉、鎂、鋁等金屬采用電解法。 【總結】熱分解法和熱還原法需要加熱或者高溫的反應條件，需要化石燃料燃燒釋放熱量提供。電解法所需的電能也主要是由化石燃料燃燒釋放的熱能轉化而來的?；剂夏転楣I生產提供能量。熱還原法所需的焦炭、氫氣、一氧化碳，是由化石燃料加工得來的化工原料。 【問題】煤、石油、天然氣加工后都能得到哪些物質？ 【回顧—化石燃料綜合利用】 煤：煤的成分是比較復雜，其組成以碳元素為主，含有少量的氫、硫、氮等元素。處理煤的方法主要有隔絕空氣加強熱，即煤的干餾；將煤轉化為可燃性氣體，即煤的氣化；將煤轉化為液體燃料，即煤的液化。這些都是化學變化。其中煤的液化，分為直接液化和間接液化兩種方式。煤的干餾產品比較復雜，有出爐煤氣、煤焦油、焦炭。煤加工后可獲得燃料和重要的化工原料，這些化工原料用以制取農藥、化肥、炸藥、藥品等。 石油：石油的主要成分是多種烴的混合物，一般要經過分餾的物理變化，得到汽油煤油柴油重油，以及乙烯丙烯等有機物。其中乙烯是有機化學工業中重要的基礎原料。還可以通過裂化的化學變化，將重油變為汽油。也可以進一步裂解，獲得乙烯、丙烯、甲烷等化工原料。或者可以催化重整，獲得苯、甲苯等化工原料。 天然氣：天然氣的成分比較簡單，主要是甲烷，其他雜質很少。且甲烷中的氫碳比比較大，因此天然氣是清潔的燃料。天然氣還用于合成氨、生產甲醇、合成含兩個或多個碳原子的其他有機物。 【轉折】隨著社會生產力的提高，化石燃料的消耗量越來越大，導致大氣中的二氧化碳含量迅速升高。 【問題】二氧化碳含量過高會對環境造成什么影響呢？ 【介紹】二氧化碳是溫室氣體之一，可以維持地球溫度、支持光合作用，大氣中二氧化碳過低不利于植物進行光合作用，影響氧氣的產生，同時地表晝夜溫差可能會增大。而如果二氧化碳過多，則會帶來溫室效應，導致海平面上升、氣候反常、生物滅絕等?？刂拼髿庵卸趸嫉暮渴强沙掷m發展的必然選擇。 （設計意圖：展示近一千年來大氣中二氧化碳的變化和二氧化碳過多導致的環境問題，引導學生意識到雙碳目標對于可持續發展的重要性。通過金屬冶煉工業體會工業生產中化石燃料的重要作用，回顧金屬冶煉知識的同時，學生感受到化石燃料對工業生產的重要作用，初步感受到物質和能量對于人類生產生活的重要性，緊接著復習鞏固化石燃料的綜合利用。） 問題二 從科學技術層面，哪些方法有助于實現雙碳目標？ 【引導】可以從兩方面入手，一是如何減少二氧化碳的排放，即“減碳”。二是，如何處理已經排放的二氧化碳，即“負碳”。 【問題】如何減少二氧化碳的排放？ 【引導】二氧化碳的排放主要來自于以碳為主要組成元素的化石燃料?；剂霞仁侵饕哪茉?，又是重要的化工原料?；剂咸峁┝松鐣l展所需的能量和物質。而我們真正需要的是能量和物質。自然界中能源還有風能、水能、太陽能等。自然界中的碳資源還有生物質資源、廢棄塑料等。 （設計意圖：引導學生思考我們為什么需要化石燃料，學生初步意識到我們真正需要的是物質和能量，而自然界中除了化石燃料以外還有其他能源和碳資源。） 【問題】根據信息回答：當下我國一次能源消費結構的現狀及現狀的成因是什么？未來我國能源發展的趨勢是什么？ 【展示】我國近年和未來展望的一次能源消費占比曲線圖和我國化石燃料人均剩余可采儲量比上世界平均可采儲量的數據。 【總結】目前，我國能源結構中占據主導地位的依然是化石能源，其中煤炭的比例最大。主要是化石燃料獲取容易，具有較高的能量密度、加工技術成熟、加工成本低。新能源技術起步晚、成本高、有待研究和推廣。此外我國煤炭儲量相對豐富，因此呈現出“富煤、貧油、少氣”的能源結構。 【引導】為達到雙碳目標，同時考慮到化石燃料現階段不可替代的現狀，調整能源結構、加快構建化石能源清潔高效開發利用體系、實現能源高效利用是我國能源發展的趨勢。 （設計意圖：展示我國一次能源發展趨勢和化石燃料儲量現狀，學生總結出我國能源結構的現狀，考慮到現狀形成的原因后，得出我國能源發展的趨勢，即不僅要開發新能源，還要考慮到化石燃料目前不可替代，所以要實現高效利用。同時節流也很重要，必須實現能源高效利用。） 【問題】如何調整能源結構？ 【轉折】發展太陽能、風能、地熱能、生物質能、海洋能、核能、氫能等新能源。其中氫能被譽為21 世紀最具發展潛力的能源。 【展示】全球和中國氫源結構對比圖和常見燃料熱值。 【提問】氫能從何而來？氫能的哪種來源最值得研究和發展？氫能的優勢是什么？ 【總結】氫能是二次能源，必須從一次能源轉化而來。氫氣的來源廣泛，制取途徑多樣。加工化石燃料可以得到氫氣，比如煤的干餾、煤的氣化。工業副產品中也有氫氣，比如氯堿工業。但是這樣產生的氫氣會產生碳排放。氫元素主要以化合態形式儲蓄在水中，水的分解可以產生氫氣。初中學習的外加電源使水分解制取氫氣的成本很高。 【介紹】利用太陽能、風能發的電，電解水制氫、或者光催化水分解制氫，這樣的氫被稱為綠氫，是目前研究的重點。 【總結】氫能的優勢有：單位質量氫氣的燃燒釋放的熱能多，并且不產生二氧化碳，只生成水。水又可以作為制取氫氣的原料。氫能，特別是綠氫，是真正意義上的清潔能源。 【擴展】氫氣除了作為作為清潔能源，還是重要的化工原料，有合成氨氣，作冶煉金屬的還原劑等用途。 【回顧—生物質資源】 生物質資源歷史悠久、來源廣泛，既可以轉化為燃料供能，又可以轉化為材料、化工原料、生態化肥等。用可再生的生物質碳資源，替代部分化石碳資源，為我們提供能量和物質。 （設計意圖：通過介紹氫能的來源，鞏固煤的氣化和干餾、氯堿工業。介紹利用太陽能、風能電解水制氫、光催化水分解制氫，學生了解到如何實現真正的零碳排放?；仡櫳镔|資源的利用，學生感受到可再生的生物質碳資源的重要意義） 【轉折】綠色高效利用化石燃料具有重要的戰略意義。我國是煤炭大國，高效清潔利用煤資源是目前研究的熱點。 【引導】從煤炭的組成來看，煤中的氫碳比小于1，燃燒時，會產生較多的二氧化碳。 【展示】部分常見可燃物的熱值。 【提問】在獲得相同或者更多熱量時，怎樣降低單位質量煤炭產生的二氧化碳呢？ 【總結】將煤變成氫碳比更高的燃料。 【鞏固—傳統的煤的氣化和煤的液化】 【擴展】煤加氫氣，氣化制天然氣；煤與氫氣液化制“油”等。 （設計意圖：思考通過如何綠色高效利用煤資源，擴展了煤的氣化和液化，即煤變“氣”，煤變“油”。學生進一步意識到科學技術手段的進步，人們可以更好地利用化石燃料。） 【轉折】除了開源，節流也同樣重要。在工業生產中，如何不降低產量的同時降低能耗呢？【總結】可以改進設備、優化生產路線、尋找更加高效的催化劑、提高原子利用率等。 【回顧—原子利用率 原子經濟性反應】 對比乙烯制環氧乙烷的兩個方法，哪一種更加符合綠色化學思想。 【介紹】對二氧化碳進行捕集、封存與利用 可以將二氧化碳收集，進行驅油封存；也可將其固定、儲存在海洋中?；蛘哂脕砗铣苫瘜W品、燃料、材料等，例如，2021年，我國科學家實現了二氧化碳人工合成淀粉。 【提升】自然資源為人類的活動提供物質和能量，對自然資源的綜合開發利用，是實施可持續發展戰略的重要途徑之一。隨著科學技術的發展，人對自然資源的開發、利用越來越合理、高效。 【回顧—海水資源開發利用】 對與海水資源：從古代的打魚曬鹽；到如今的海水淡化、海水循環冷卻、海水曬鹽和粗鹽提純后的氯堿工業、海水提溴工業、海水提鎂工業；未來進一步發展海水中海洋能、提取核聚變原料、封存二氧化碳技術等。 （設計意圖：通過擴展如何調整能源結構、如何實現高效清潔利用化石能源、如何實現能源的高效利用、對已經排放二氧化碳的處理，學生感受到人類通過科學技術手段，實現各種能量和物質的變化；通過人類利用海水資源的變化，意識到科學技術的進步幫助人類更好地開發自然資源，感受到化學學科對于可持續發展的重要作用。） 問題三 我們可以為雙碳目標做些什么？ 【總結】節約能源、做好垃圾分類、珍惜身邊的化學品和材料等。 【回顧—化學品的合理使用】 使用化學品時要意識到：某些化學品使用不慎可能給環境或人體帶來危害，尤其化肥、農藥、藥品、食品添加劑。比如，部分過量施用的化肥會造成水體富營養化，產生水華等現象；農藥使用不慎，會破壞生態平衡、污染環境；長期大量服用阿司匹林可能會導致胃痛、暈眩等癥狀；過量添加的亞硝酸鈉與食物作用生成致癌物。 在使用化學品時，要充分考慮化學品的性質和使用對象的特點，科學、安全、有效地進行使用。比如施用改性處理后的硝酸銨；使用高效、低毒、低殘留，或來源于自然的農藥；在醫生的指導下或仔細閱讀藥品說明書后謹慎用藥；堅決抵制毒品；合理使用食品添加劑等等。 【升華】作為發展中國家，我國在注重發展經濟的同時，宣布雙碳目標和愿景，體現我國注重環境保護和生態文明建設的大國責任擔當。通過科學技術的進步，尤其是化學領域的進展，雙碳目標不僅沒有成為經濟發展的阻力，反而成為了發展綠色經濟的動力，幫助國家實現經濟高質量發展。 【回顧—其他環境問題】 工農業生產和生活中產生的廢棄物也要注重處理，并盡量減少排放，避免先污染后治理。對于已經產生的污染，要進行治理，比如酸雨、光化學煙霧、水華等。 （設計意圖：第三個問題，落回到生活中普通人如何響應雙碳目標，引出化學品的合理使用。提及其他環境問題，進一步激發學生環境保護的意識。） 【總結】化學對于可持續發展的重要意義；學習化學的重要意義。

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