一、开展“天然气水合物”项目式学习

1.开展“天然气水合物”项目式学习的缘由

随着石油等不可再生资源被大量的开采和消耗，能源危机已成为全球性问题。选修3开放性作业的选题2 要求学生搜索有关“天然气水合物——一种潜在的能源”的资料，写一篇有关可燃冰的小论文。可以此为素材，组织学生进行“天然气水合物——一种潜在的能源”的项目式学习。通过多渠道收集资料、获取信息，进行小组交流合作，探讨有关天然气水合物的组成结构、理化性质、成因分布、勘探开采等方面的知识。旨在引导学生关注与化学有关的社会热点问题，培养学生运用所学化学知识解决有现实意义问题的能力，指导学生形成小论文等可视的学习成果，使学生初步具备一定的对与化学有关问题和方案的研判和决策能力，发展学生“变化观念与平衡思想”、“科学态度与社会责任”等化学核心素养。

2.开展“天然气水合物”项目式学习的知识准备

人教版化学必修二第三章第一节最简单的有机化合物甲烷介绍了甲烷的用途、分布、理化性质，强调了甲烷是一种高效、低耗、污染小的清洁能源，重点介绍了甲烷的正四面体形结构。并且这一节后的习题第9题以城市居民使用的管道气体燃料为素材，让学生比较了天然气、煤气分别作为燃料的优劣。人教版化学必修二第四章第二节资源综合利用环境保护在资料卡片中提到了甲烷水合物，短短不到二百字，简单介绍了甲烷水合物的组成、用途、储量和开发利用的利弊。这一节的习题第11题以能源为素材，引导学生关注能源危机、思考传统和新型替代能源的开发利用问题。人教版化学选修三第二章第二节分子的立体构型详细介绍了甲烷分子的立体构型、原子间的成键情况和中心C原子的杂化类型。人教版化学选修三第三章第二节分子晶体与原子晶体科学视野中详细介绍了天然气水合物——一种潜在的能源，重点介绍了天然气水合物的笼状结构，解释了笼状结构中水分子间、甲烷分子和水分子间的作用力并对理想的甲烷水合物化学式进行了定量的估算。在本册书后的开放性作业选题2中给出了供参考的八个要点，要求学生写一篇有关天然气水合物的科学小论文。此外选修5有机化学基础和选修四化学反应原理中反应与能量、化学平衡等相关内容也为开展“天然气水合物”项目式学习提供了知识准备。

3.开展“天然气水合物”项目式学习的形式和方法

成立研究性学习小组，指导学生利用“百度百科”等搜索引擎收集有关“天然气水合物”的相关资料，进行专业参考书和文献查找并研读、撰写课题研究报告，开展交流研讨、调查探究。指导学生梳理高中化学课本上与甲烷有关的知识，为项目式学习活动提供化学知识准备。提供六到八课时的学习时间，鼓励学生自主学习、合作交流，最终撰写出科学小论文、制作PPT、展板等进行活动成果的交流展示。完成基于“天然气水合物”项目式学习的习题。

二、基于“天然气水合物”项目式学习的习题设计

1. 基于“天然气水合物”项目式学习的习题及说明

20世纪末，科学家发现海底存在大量天然气水合物晶体。这种晶体的主要气体成分甲烷装在几个水分子构成的笼内（如下图），他的外形像冰，在常温常压下会迅速分解释放出可燃的甲烷气体，因而又称“可燃冰”。甲烷水合物形成需满足高压、低温条件，因此其分布严格局限于两极地区和深海。 

（1）水分子的电子式为   ▲   ，水分子间通过   ▲   键构成“笼”。

能对常见物质进行描述和符号表征（水平1），认识构成物质的微粒之间存在相互作用（水平3）。

（2）甲烷分子的空间构型    ▲   。

知道有机化合物分子是有空间结构的。（水平2）

（3）假设天然气水合物的水笼里装的都是甲烷，已知一种

可燃冰的晶体中，平均46个水分子构成8个分子笼，

每个分子笼可容纳1个甲烷分子或水分子，若这8个

分子笼子中有6个容纳的是甲烷分子，另外2个被水

分子填充，这种可燃冰的平均组成可表示为（　　） 

A. CH₄      B. CH₄•8H₂O         C. CH₄•3H₂O      D. 3CH₄•H₂O

能说明重要资源和能源的主要类型、成分和用途等。能结合实际数据、应用物质的量计算物质的组成。（水平1）

全球已探明的可燃冰资源相当于陆地全部燃料资源的两倍，可供人类使用1000年。我国已探明的可燃冰储量居世界首位，其中南海海底的储量相当于700亿吨油。在人类日益为能源所困的今天，天然气水合物成为各国关注的清洁能源，有广阔的开发前景。认识化学在解决能源危机中的重要作用（水平1）

（4）实验测得在25℃、101kPa时，甲烷的的燃烧热ΔH=-890.31kJ/mol。写出其燃烧的热化学方程式：   ▲   。

     体会引入焓变概念的价值，理解热化学方程式书写规则，能定量分析化学变化的热效应。（水平3）

（5）与煤、石油等传统能源相比，可燃冰作为能源的优点有：   ▲   （写出两条即可）。

能从物质及能量变化的角度评价燃料的使用价值，认识化学对于构建清洁低碳、安全高效的能源体系发挥的作用。（水平2）

天然气水合物应用前景广阔，但其开采面临很多技术难点，如：保证海底力学稳定，防止毁坏海底工程设施；布设海底管道，进行高效收集，防止温度压强的变化导致甲烷逸散（甲烷的温室效应为CO₂的20倍）。

（6）请结合上述几段材料，阐述可燃冰开发利用的利与弊：   ▲   。（要求40字左右、语言通顺、观点明晰、言之有理）

能辩证地看待、评估资源使用的利弊及其对环境和社会的影响。（水平3）

（7）你是否赞同在南海大规模开采可燃冰？表明你的观点并阐述理由：   ▲   。（要求40字左右、语言通顺、观点明晰、言之有理）

通过讨论和化学密切相关的有争议的社会性议题，促进学生辩证地看待问题，强化化学应用必须考虑化学过程对自然带来的各种影响的意识，培养学生参与社会决策的意识。（水平4）

2017年5月中国南海海域可燃冰钻井平台“蓝鲸1号”试采成功，整个过程安全、可控、环保。中国成为全球首个海域可燃冰试采获得连续稳定气流的国家。但可燃冰的商业化开发仍需突破很多技术瓶颈，为此科学家们正不断探寻更为理想的开采方法，CO₂置换开采方法就是其中之一。研究证实，将CO₂液化注入海底的甲烷水合物储层，CO₂会将甲烷水合物中的甲烷分子“挤走”，从而将其置换出来。其反应为CH₄·nH₂O＋CO₂ (g)CH₄ (g)＋CO₂·nH₂O （n≥5.75）   

（8）已知：nH₂O＋CO₂ (g)     CO₂·nH₂O    ΔH₁＝-57.98 kJ•mol^﹣1  

           CH₄·nH₂O     CH₄ (g)＋nH₂O    ΔH₂＝54.49 kJ•mol^﹣1

请说明CO₂置换甲烷水合物中甲烷分子反应的自发性：   ▲   

知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关，能从化学的角度分析从资源到产品的转化途径，能对资源的开发利用和能源的使用方案进行评价。（水平3）

随着天然气水合物开采技术的不断成熟，可燃冰必将成为未来的主要能源，除了作为燃料，甲烷也是一种重要的化工原料。

（9）CH₄-CO₂催化重整技术不仅可以得到合成气（CO和H₂），还对温室气体的减排具有重要意义。CH₄-CO₂催化重整反应为：CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g) ΔH=247kJ·mol⁻¹。

有利于提高CH₄平衡转化率的条件是   ▲   （填标号）。

A．高温低压      B．低温高压      C．高温高压     D．低温低压

认识温度、压强对化学平衡的影响，能根据化学平衡原理说明影响化学平衡的因素。（水平3）

利用Aspen plus 化工流程模拟软件，建立天然气重整工艺模型，得到合成气组分在不同温度下的变化曲线，如下图：

（10）则CH₄-CO₂催化重整工艺优选

温度为900℃的理由为：   ▲   。

具备一定的读图、识图能力，能初步

解释化工生产中反应条件的选择问题，

能从速率、转化率、能耗等方面综合

分析反应的条件，提出有效控制反应

条件的措施。（水平4）           合成气组分在不同温度下的变化曲线

（11）某温度下，在体积为2 L的容器中加入2 mol CH₄、1 mol CO₂以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO₂的转化率是50%，则其平衡常数为   ▲   。有关平衡常数的简单计算（水平2）

（12）CH₄-CO₂催化重整得到的合成气可用于哪一种工业生产   ▲   。（写出一种即可）认识化学科学与技术的不断创新和发展是解决人类社会发展中遇到的问题、实现可持续发展的有效途径。树立“绿色化学”的观念，形成资源全面节约、物能循环利用的意识。（水平3）

2. 基于“天然气水合物”项目式学习的习题命题意图

精选教学素材和应用案例，组织开展围绕“天然气水合物——一种潜在能源”的项目式学习，引导学生关注与化学有关的社会热点问题，认识和赞赏化学在人类应对能源危机中的重要贡献。基于该项目式学习的习题设计强调了物质组成、结构、性质、变化等化学视角与真实情境素材之间的联系，引导学生整合和运用有关甲烷水合物的不同方面的知识、方法运用于复杂的开放性问题情境中，帮助学生在知识应用过程中形成有效的问题解决技能，诊断并发展学生“变化观念与平衡思想”、“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养。

3. 基于“天然气水合物”项目式学习的习题命题框架

上述框架表明，该习题设计以化学学科核心素养为导向，在同一个测试目标下，按照天然气水合物发现、探明、开采、利用的顺序创设了不同的真实情境，提出了不同复杂程度和结构合理的实际问题，形成不同难度的测试任务，考查了学生解决问题所运用的化学知识与方法，有利于实现对学生化学核心素养的测试。

          “素养立意”的双向细目表

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京；人民教育出版社，2018（1）

[2] 杨伟明等.天然气二氧化碳重整工艺的模拟研究[J].现代化工,2018,38(4):50-54

[3] 贺凯.CO₂海洋封存联合可燃冰开采技术展望[J].天然气化工,2018,4(43):1-4