资源简介

教学设计
课程基本信息
学科 化学 年级 高一 学期 春季
课题 碳达峰和碳中和—《化学与可持续发展》整理与提升
教科书 书 名：化学必修第二册教材 出版社：人民教育出版社
教学目标
知道控制大气中二氧化碳含量的重要性，体会到双碳目标的重要性，意识到可持续发展的重要意义，巩固金属冶炼的方法和化石燃料的组成和处理方法，理解化石燃料既是主要能源又是重要的化工原料。 了解我国的能源结构现状，了解人类对氢能、生物质能和二氧化碳的利用，回顾原子利用率和原子经济性反应，回顾人类对海水资源的开发利用，感受科学技术的进步使人类更好地从自然资源中获得能量和物质并使用，体会化学对于可持续发展的重要意义。 3.思考生活中如何助力双碳目标，懂得到珍惜身边的材料和各种化学品，回顾如何科学、安全、有效和合理地使用各种化学品，体会化学对生活的重要作用；回顾其他环境问题，加深环境保护的意识。
教学重难点
教学重点： 如何科学、安全、有效和合理地开发利用自然资源。
2. 哪些科学技术手段可以实现双碳目标。
教学难点：综合开发利用自然资源。
教学过程
【引课】2020年，我国在可持续发展战略基础上提出了碳达峰和碳中和的双碳目标，力争在2030年前，二氧化碳的排放不再增长，达到峰值，之后逐步回落，即碳达峰。在2060年前，实现二氧化碳的净零排放，即碳中和。双碳目标涉及多学科领域，最核心的问题是物质和能量转化的化学问题。 【问题线索】1.为何要控制二氧化碳的排放量？2.从科学技术层面，哪些方法有助于实现双碳目标？3.我们可以为双碳目标做些什么？ （设计意图： 以可持续发展目标基础上的双碳目标为背景，明确双碳目标的核心问题是化学的问题。） 问题一 为何要控制二氧化碳的排放量？ 【展示】一千年来大气中二氧化碳的含量。 【问题】大气中二氧化碳含量的变化趋势是怎样的？为何有这样的趋势？ 【总结】十八世纪以前，大气中二氧化碳含量较为稳定。十八世纪六十年代，世界开始第一次工业革命，大量化石燃料被开发利用，用以供给大规模的工业化生产和交通运输，但同时释放了的大量的二氧化碳，大气中二氧化碳含量急速升高。 【问题】以金属冶炼工业为例，解释在工业生产中为何会消耗大量的化石燃料？ 【回顾—金属矿物的开发利用】 不同的金属活泼性不同，采用不同的冶炼方式，银、汞采用热分解法。铜、铁、锌等金属采用热还原法。钠、镁、铝等金属采用电解法。 【总结】热分解法和热还原法需要加热或者高温的反应条件，需要化石燃料燃烧释放热量提供。电解法所需的电能也主要是由化石燃料燃烧释放的热能转化而来的。化石燃料能为工业生产提供能量。热还原法所需的焦炭、氢气、一氧化碳，是由化石燃料加工得来的化工原料。 【问题】煤、石油、天然气加工后都能得到哪些物质？ 【回顾—化石燃料综合利用】 煤：煤的成分是比较复杂，其组成以碳元素为主，含有少量的氢、硫、氮等元素。处理煤的方法主要有隔绝空气加强热，即煤的干馏；将煤转化为可燃性气体，即煤的气化；将煤转化为液体燃料，即煤的液化。这些都是化学变化。其中煤的液化，分为直接液化和间接液化两种方式。煤的干馏产品比较复杂，有出炉煤气、煤焦油、焦炭。煤加工后可获得燃料和重要的化工原料，这些化工原料用以制取农药、化肥、炸药、药品等。 石油：石油的主要成分是多种烃的混合物，一般要经过分馏的物理变化，得到汽油煤油柴油重油，以及乙烯丙烯等有机物。其中乙烯是有机化学工业中重要的基础原料。还可以通过裂化的化学变化，将重油变为汽油。也可以进一步裂解，获得乙烯、丙烯、甲烷等化工原料。或者可以催化重整，获得苯、甲苯等化工原料。 天然气：天然气的成分比较简单，主要是甲烷，其他杂质很少。且甲烷中的氢碳比比较大，因此天然气是清洁的燃料。天然气还用于合成氨、生产甲醇、合成含两个或多个碳原子的其他有机物。 【转折】随着社会生产力的提高，化石燃料的消耗量越来越大，导致大气中的二氧化碳含量迅速升高。 【问题】二氧化碳含量过高会对环境造成什么影响呢？ 【介绍】二氧化碳是温室气体之一，可以维持地球温度、支持光合作用，大气中二氧化碳过低不利于植物进行光合作用，影响氧气的产生，同时地表昼夜温差可能会增大。而如果二氧化碳过多，则会带来温室效应，导致海平面上升、气候反常、生物灭绝等。控制大气中二氧化碳的含量是可持续发展的必然选择。 （设计意图：展示近一千年来大气中二氧化碳的变化和二氧化碳过多导致的环境问题，引导学生意识到双碳目标对于可持续发展的重要性。通过金属冶炼工业体会工业生产中化石燃料的重要作用，回顾金属冶炼知识的同时，学生感受到化石燃料对工业生产的重要作用，初步感受到物质和能量对于人类生产生活的重要性，紧接着复习巩固化石燃料的综合利用。） 问题二 从科学技术层面，哪些方法有助于实现双碳目标？ 【引导】可以从两方面入手，一是如何减少二氧化碳的排放，即“减碳”。二是，如何处理已经排放的二氧化碳，即“负碳”。 【问题】如何减少二氧化碳的排放？ 【引导】二氧化碳的排放主要来自于以碳为主要组成元素的化石燃料。化石燃料既是主要的能源，又是重要的化工原料。化石燃料提供了社会发展所需的能量和物质。而我们真正需要的是能量和物质。自然界中能源还有风能、水能、太阳能等。自然界中的碳资源还有生物质资源、废弃塑料等。 （设计意图：引导学生思考我们为什么需要化石燃料，学生初步意识到我们真正需要的是物质和能量，而自然界中除了化石燃料以外还有其他能源和碳资源。） 【问题】根据信息回答：当下我国一次能源消费结构的现状及现状的成因是什么？未来我国能源发展的趋势是什么？ 【展示】我国近年和未来展望的一次能源消费占比曲线图和我国化石燃料人均剩余可采储量比上世界平均可采储量的数据。 【总结】目前，我国能源结构中占据主导地位的依然是化石能源，其中煤炭的比例最大。主要是化石燃料获取容易，具有较高的能量密度、加工技术成熟、加工成本低。新能源技术起步晚、成本高、有待研究和推广。此外我国煤炭储量相对丰富，因此呈现出“富煤、贫油、少气”的能源结构。 【引导】为达到双碳目标，同时考虑到化石燃料现阶段不可替代的现状，调整能源结构、加快构建化石能源清洁高效开发利用体系、实现能源高效利用是我国能源发展的趋势。 （设计意图：展示我国一次能源发展趋势和化石燃料储量现状，学生总结出我国能源结构的现状，考虑到现状形成的原因后，得出我国能源发展的趋势，即不仅要开发新能源，还要考虑到化石燃料目前不可替代，所以要实现高效利用。同时节流也很重要，必须实现能源高效利用。） 【问题】如何调整能源结构？ 【转折】发展太阳能、风能、地热能、生物质能、海洋能、核能、氢能等新能源。其中氢能被誉为21 世纪最具发展潜力的能源。 【展示】全球和中国氢源结构对比图和常见燃料热值。 【提问】氢能从何而来？氢能的哪种来源最值得研究和发展？氢能的优势是什么？ 【总结】氢能是二次能源，必须从一次能源转化而来。氢气的来源广泛，制取途径多样。加工化石燃料可以得到氢气，比如煤的干馏、煤的气化。工业副产品中也有氢气，比如氯碱工业。但是这样产生的氢气会产生碳排放。氢元素主要以化合态形式储蓄在水中，水的分解可以产生氢气。初中学习的外加电源使水分解制取氢气的成本很高。 【介绍】利用太阳能、风能发的电，电解水制氢、或者光催化水分解制氢，这样的氢被称为绿氢，是目前研究的重点。 【总结】氢能的优势有：单位质量氢气的燃烧释放的热能多，并且不产生二氧化碳，只生成水。水又可以作为制取氢气的原料。氢能，特别是绿氢，是真正意义上的清洁能源。 【扩展】氢气除了作为作为清洁能源，还是重要的化工原料，有合成氨气，作冶炼金属的还原剂等用途。 【回顾—生物质资源】 生物质资源历史悠久、来源广泛，既可以转化为燃料供能，又可以转化为材料、化工原料、生态化肥等。用可再生的生物质碳资源，替代部分化石碳资源，为我们提供能量和物质。 （设计意图：通过介绍氢能的来源，巩固煤的气化和干馏、氯碱工业。介绍利用太阳能、风能电解水制氢、光催化水分解制氢，学生了解到如何实现真正的零碳排放。回顾生物质资源的利用，学生感受到可再生的生物质碳资源的重要意义） 【转折】绿色高效利用化石燃料具有重要的战略意义。我国是煤炭大国，高效清洁利用煤资源是目前研究的热点。 【引导】从煤炭的组成来看，煤中的氢碳比小于1，燃烧时，会产生较多的二氧化碳。 【展示】部分常见可燃物的热值。 【提问】在获得相同或者更多热量时，怎样降低单位质量煤炭产生的二氧化碳呢？ 【总结】将煤变成氢碳比更高的燃料。 【巩固—传统的煤的气化和煤的液化】 【扩展】煤加氢气，气化制天然气；煤与氢气液化制“油”等。 （设计意图：思考通过如何绿色高效利用煤资源，扩展了煤的气化和液化，即煤变“气”，煤变“油”。学生进一步意识到科学技术手段的进步，人们可以更好地利用化石燃料。） 【转折】除了开源，节流也同样重要。在工业生产中，如何不降低产量的同时降低能耗呢？【总结】可以改进设备、优化生产路线、寻找更加高效的催化剂、提高原子利用率等。 【回顾—原子利用率 原子经济性反应】 对比乙烯制环氧乙烷的两个方法，哪一种更加符合绿色化学思想。 【介绍】对二氧化碳进行捕集、封存与利用 可以将二氧化碳收集，进行驱油封存；也可将其固定、储存在海洋中。或者用来合成化学品、燃料、材料等，例如，2021年，我国科学家实现了二氧化碳人工合成淀粉。 【提升】自然资源为人类的活动提供物质和能量，对自然资源的综合开发利用，是实施可持续发展战略的重要途径之一。随着科学技术的发展，人对自然资源的开发、利用越来越合理、高效。 【回顾—海水资源开发利用】 对与海水资源：从古代的打鱼晒盐；到如今的海水淡化、海水循环冷却、海水晒盐和粗盐提纯后的氯碱工业、海水提溴工业、海水提镁工业；未来进一步发展海水中海洋能、提取核聚变原料、封存二氧化碳技术等。 （设计意图：通过扩展如何调整能源结构、如何实现高效清洁利用化石能源、如何实现能源的高效利用、对已经排放二氧化碳的处理，学生感受到人类通过科学技术手段，实现各种能量和物质的变化；通过人类利用海水资源的变化，意识到科学技术的进步帮助人类更好地开发自然资源，感受到化学学科对于可持续发展的重要作用。） 问题三 我们可以为双碳目标做些什么？ 【总结】节约能源、做好垃圾分类、珍惜身边的化学品和材料等。 【回顾—化学品的合理使用】 使用化学品时要意识到：某些化学品使用不慎可能给环境或人体带来危害，尤其化肥、农药、药品、食品添加剂。比如，部分过量施用的化肥会造成水体富营养化，产生水华等现象；农药使用不慎，会破坏生态平衡、污染环境；长期大量服用阿司匹林可能会导致胃痛、晕眩等症状；过量添加的亚硝酸钠与食物作用生成致癌物。 在使用化学品时，要充分考虑化学品的性质和使用对象的特点，科学、安全、有效地进行使用。比如施用改性处理后的硝酸铵；使用高效、低毒、低残留，或来源于自然的农药；在医生的指导下或仔细阅读药品说明书后谨慎用药；坚决抵制毒品；合理使用食品添加剂等等。 【升华】作为发展中国家，我国在注重发展经济的同时，宣布双碳目标和愿景，体现我国注重环境保护和生态文明建设的大国责任担当。通过科学技术的进步，尤其是化学领域的进展，双碳目标不仅没有成为经济发展的阻力，反而成为了发展绿色经济的动力，帮助国家实现经济高质量发展。 【回顾—其他环境问题】 工农业生产和生活中产生的废弃物也要注重处理，并尽量减少排放，避免先污染后治理。对于已经产生的污染，要进行治理，比如酸雨、光化学烟雾、水华等。 （设计意图：第三个问题，落回到生活中普通人如何响应双碳目标，引出化学品的合理使用。提及其他环境问题，进一步激发学生环境保护的意识。） 【总结】化学对于可持续发展的重要意义；学习化学的重要意义。

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