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 自然界中的硫循环和氮循环
教科书 书 名：普通高中教科书 化学 必修 第一册教材 出版社：上海科学技术出版社
教学目标
1. 了解自然界中的硫循环和氮循环的基本过程，建立从物质类别、元素价态等角度研究物质性质和实现物质之间转化的思路和方法，构建硫循环和氮循环的模型。 2. 知道人类活动对硫循环和氮循环的影响，了解人类活动对自然界生态平衡的影响，感悟人于自然和谐共生的重要性，体会化学对促进人与自然和谐相处的意义。
教学重难点
教学重点： 1. 硫循环的建构。 2. 氮循环的建构。 3. 含氮物质价-类二维图的构建。 教学难点： 1. 通过文献阅读、数据分析含硫物质转化过程。 2. 含氮物质价-类二维图的建构。
教学过程
环节一：探究含硫物质的存在形式 【新课引入】怀奥塔普（Wai-O-Tapu）的简要介绍。 【情境一】公园景色优美，美中不足的是空气中弥漫着臭鸡蛋气味混杂着酸味。 问题1：这可能是哪些气体造成的呢？ 【回答】是硫化氢和二氧化硫。 问题2：这些气体从何而来呢？ 【回答】原来怀奥塔普处于火山区，这些气体主要来自于火山喷发。 【情境二】在火山口岩壁上，可以观察到五彩斑斓的颜色红色、黄色、橙色、粉色、白色等。 问题1：岩石上一片片黄色的物质可能是什么呢？ 【回答】是硫单质 问题2：除此之外，硫还以什么形式存在于岩石上呢？ 【学生活动】阅读“资料库”中的内容，写出相关的化学方程式，并回答上述问题。 【回答】硫化氢酸化而成水及硫磺，就是说硫化氢会被氧气氧化为水和硫磺 【讲解】初成时，氧气甚多，硫磺可以进一步被氧气氧化为硫酸。 最后与石灰岩起变化，遂生石膏。石灰岩的主要成分是碳酸钙，碳酸钙和硫酸反应，生成硫酸钙，硫酸钙就是石膏。 因此，岩石上硫还以硫酸盐的形式存在。 在还原剂如C的作用下，硫酸钙还可能被还原为硫化钙。 所以，硫还以什么形式存在呢？ 硫还可以以硫化物形式存在于岩石圈中。 除硫化钙外，怀奥塔普火山口岩壁上还有很多其他的硫化物。岩壁上的粉色是朱砂硫化汞的颜色，桔红色的是雄黄As4S4，还有铅灰色的辉锑矿Sb2S3等等。 【情境三】公园内动植物众多。聪明的鸟类会在火山口的岩壁上的洞内筑巢，来自下方的蒸气有助于孵化鸟蛋，并让鸟儿保持温暖。 【讲述】鸟蛋内含有许多种蛋白质。蛋白质的合成需要各类氨基酸。比如，鸟蛋的卵白蛋白中蛋氨酸的含量很高。蛋氨酸是一种含硫氨基酸。 问题1：硫还以什么形式存在呢？ 【回答】硫还可以以有机硫形式存在。硫是动植物体内不可或缺的一种常量元素。 【情境四】课程最开始展现的图片是香槟池的美景。曾有学者在香槟池附近选取了五个采样点，对香槟池附近水源中的溶解氧含量和pH进行全天采样。 【讲述】溶解氧，简称DO，指溶解在水中的空气中的分子态氧。 我们选取了较下游的采样点4处的数据，并进行作图。横坐标表示采样时间，纵坐标表示溶解氧含量或pH值。 【学生活动】观察图表，分析一天内水体中溶解氧含量和pH的变化。 问题1：一天内水体的溶解氧含量有怎样的变化呢？ 【回答】早上水中溶解氧含量很低，接近于零，随后逐渐升高，在中午十二点左右，水中溶解氧含量达到一天内的最大值，接着又逐渐减小，夜间水中溶解氧含量趋近于零。 问题2：为什么白天水中溶解氧含量高，夜间溶解氧含量低呢？ 【回答】水中溶解氧含量与微生物的光合作用释放氧气有关。日间光照充足，光合作用较强，水中溶解氧含量增多。 问题3：一天内水体的pH又有怎样的变化呢？ 【回答】从早晨开始，水体的pH逐渐减小，在下午四点左右达到一天内的最小值，随后又逐渐升高，在夜间几乎趋于不变。 问题4：为什么日间水体的pH会减小呢？这与水中溶解氧含量有何关联呢？ 【回答】原来是日间水体中溶解氧含量较高，硫化氢被氧气氧化成硫单质，硫单质被氧气进一步氧化成硫酸。除此之外，二氧化硫溶解于水体生成的亚硫酸，也可以进一步被氧气氧化成硫酸。从而使得水体的pH减小。 问题5：由此可见，硫还以什么形式存在于水中呢？ 【回答】硫还以硫酸根离子形式存在于水中。 设计意图：在介绍自然界中的硫循环时，应将循环放置于具体的自然界化学演化过程中，因此选择怀奥塔普地热公园作为情境，贯穿于硫循环的教学中。首先在怀奥塔普地热公园探索硫的存在形式，以及部分含硫物质的转化过程。通过文献阅读、数据分析、图像推理获得含硫物质转化关系，为构建硫的循环过程做铺垫，培养学生宏观辨识、微观探析、证据推理等核心素养。 环节二：探究自然界中的硫循环 问题1：经过数万年，为什么大气中的二氧化硫和硫化氢没有全部转化成硫酸根离子形式进入水中，从而消失殆尽呢？ 【回答】这说明大气中的硫，既会被消耗，又会被产生，存在着硫的循环。 【讲述】我们可将地球划分为大气圈、岩石圈、水圈和生物圈。 问题2：硫在这些圈层中如何转化呢？ 【讲述】陆地火山喷发，使地壳和岩浆中的硫以二氧化硫、硫化氢、硫酸盐等形式排入大气；陆地和海洋中的一些动植物腐败后，其机体中的硫经微生物的厌氧活动还原产生硫化氢，并向大气释放；海水中硫酸盐也会随着波浪翻涌进入大气。大气中的二氧化硫、硫化氢被氧化成硫酸根离子，随降水落到陆地和海洋；大气中的二氧化硫、硫酸根离子还可经自然沉降被土壤、植物或海水吸收，或随大气运动参与海陆间循环。 【小结】硫循环是硫元素在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及各种地质系统之间迁移演化的地球化学过程。在硫循环中各种含硫的物质会呈现—2、+4、+6 等不同的价态。 【讲述】自然界中的硫循环使得各类含硫物质的含量在自然界中保持稳定，对地球运动和生命过程有着重要意义。 设计意图：将地球不同圈层间的含硫物质及转化关系串联以来，构成循环模型。建立从物质类别研究物质之间相互转化的思路和方法，认识到自然界中硫循环的重要性。 环节三：探究自然界中的氮循环 问题1：自然界中的氮元素是否也存在类似的循环呢？ 【讲述】氮循环是自然界中又一种重要的物质循环方式，其主要的化学过程如下： 空气中的氮气与氧气在放电条件下反应，使游离态的氮转化为化合态的氮。生成的硝酸根离子是可被植物吸收的一种形态。自然界中，通过这种固氮所形成的含氮化合物很少，大部分是来自生物固氮。生物固氮酶将空气中的氮气还原为氨，氨溶于水后产生铵根离子，被植物吸收。铵根离子经土壤中细菌的作用转化为硝酸根离子，这种氧化过程称为硝化作用。在氧气不足的条件下，土壤中的细菌又将硝酸根转化为氮气，从土壤中释放出来。这是硝酸根在土壤中的细菌作用下被还原的过程，称为反硝化作用。 【学生活动1】绘制氮循环的相关物质“价-类”二维图。 【学生活动2】硝化和反硝化作用是氮循环中很重要的过程，细菌在其中起到举足轻重的作用。请阅读下图的部分转化过程，想一想。 （1）硝化过程属于氮的固定吗？ 氮的固定是游离态氮转化为化合态氮的过程，由图可知硝化过程是铵根离子经土壤中细菌的作用转化为硝酸根离子的过程，因此硝化过程不属于氮的固定。 （2）反硝化过程中，含氮物质发生氧化反应还是还原反应呢？ 反硝化过程中，N元素化合价降低，含氮物质发生还原反应。 （3）除了硝化和反硝化作用外，土壤中的含铁物质也可以与含氮物质发生反应，促进氮的循环。当土壤中的Fe2+和Fe3+接触到水体中的含氮物质，他们会对水体中的氮元素产生什么影响呢？ 由图可知，土壤中的Fe2+和硝态氮转化为氮气，Fe3+和铵态氮也转化为氮气。所以，当土壤中的Fe2+和Fe3+接触到水体中的硝态氮和铵态氮时，会将他们转化为氮气从水体中逸出，从而起到除去水体中氮元素的作用。 【总结归纳】氮循环是大气中的氮气经微生物等作用进入土壤与海洋，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气，如此反复循环，建立起的平衡。氮循环为动植物的生长提供所需的营养物质，对生物和人类活动具有重要意义。 问题2：自然界中的硫循环和氮循环是否彼此独立存在，互不影响呢？ 【讲述】其实不然。自然界中的硫循环和氮循环彼此关联，相辅相成。早在生命起源的早期，就存在着氮循环和硫循环，以及碳等一系列其他元素的循环，在这些循环共同作用之下，生命得以产生以及延续。因此，这些循环十分重要。 设计意图：类比自然界中的硫循环，以相似的探究方式建立自然界中的氮循环。先通过价-类二维图，将含氮物质的循环建立起来，并学习硝化和反硝化作用。接着，呈现另一种氮循环图，运用硝化和反硝化作用原理，进一步认识氮的循环。最后，构建出类似硫元素的氮循环图。虽然，自然界中的硫循环和氮循环是分别介绍的，但自然界的硫循环和氮循环等各类循环实际彼此关联，相辅相成。因此，从地球早期生命起源过程中的物质转化关系图，让学生认识到自然界中的循环是相互作用的，进一步认识自然界中这些循环的重要性。 环节四：人类活动对硫循环和氮循环的影响 【过渡】然而，人类的工农业活动不断改造着硫循环和氮循环。 【讲述】燃烧、冶炼含硫矿物不断增加，排入大气的二氧化硫远高于因风化作用进入大气圈和水圈的硫，硫的循环被破坏，城市和工矿区的大气二氧化硫污染和酸雨灾害引起了各国的普遍关注。 【讲述】石油等燃料的燃烧，工农业领域对氮元素的需求不断增加而对其利用率却普遍不高。大量的人为活化氮流失到大气、水体和土体等环境中去，打破了自然界的氮循环，带来一系列逐级关联的环境和人类健康问题。 【小结】从全球范围来看，保护生态环境迫在眉睫，促进人与自然和谐共生，才能让氮循环和硫循环等各类循环继续健康稳定发挥他们的重要作用。 【讲述】2010年底，我国环保部就曾颁布了《硫酸工业污染物排放标准》，新标准对硫酸生产过程中的废气、废水和废渣的排放做了更加严格的要求。硫酸企业为应对污染物排放新标准，积极采取新技术、新工艺治理“三废”，硫酸行业整体的“三废”治理水平得到迅速提升。为修复自然界硫循环起到积极影响。 【讲述】2004年10月，第三届国际氮素大会在南京举办。来自40多个国家和地区的近400名科学家共同发表了《氮素管理南京宣言》。该宣言旨在呼吁世界各国为了全球的可持续发展，重视氮素循环对生态环境的影响，积极寻求既能增加食物生产和能源消费又能尽量减少活化氮对环境影响的对策。 【总结】过去十年来，中国在生态文明建设和绿色发展领域取得举世瞩目的成就。从成功举办《生物多样性公约》第十五次缔约方大会、《湿地公约》第十四届缔约方大会，到推动建立全球清洁能源合作伙伴关系、启动100个减缓和适应气候变化项目，再到与数十个国家共同发起“一带一路”绿色发展伙伴关系倡议……中国愿同世界各国、国际组织携手合作，共同推进全球生态环境治理。 设计意图：指出人类活动对硫循环和氮循环的影响，认识到人与自然和谐共生十分重要以及保护生态环境迫在眉睫，进而介绍了我国对硫循环和氮循环做出的贡献，带领学生体会化学科学对社会可持续发展的价值，培养学生科学态度与社会责任等核心素养。

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