运用宏微结合解决社会性科学议题

韩晓 王朝晖 江合佩

摘   要：以含硫物質对雾霾的形成影响这一社会性科学议题为切入点，从宏微结合的角度分析雾霾形成的原因，将内容分为3个环节“认识议题，探究成分”“宏微结合，探究机理”以及“模块融合，揭示机理”，发展学生宏观辨识与微观探析的核心素养以及科学推理的关键能力，通过微观机理的探究为雾霾的形成提供理论依据。

关键词：雾霾；社会性科学议题；机理；宏微结合

1  教学主题

社会性科学议题指与科学领域相关的，具有社会性和复杂性的问题，如气候变化、环境污染等问题。

普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）中要求能较深刻地理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，在必修课程的主题2“常见的无机物及其应用”的学业要求中，要求学生能有意识运用所学的知识或寻求相关证据与社会性议题的讨论，如酸雨和雾霾的防治，体现了高中化学教学中实施社会性科学议题教学的重要性^{[ 1 ]}。

“探究含硫物质对雾霾形成的影响”这一社会性科学议题聚焦环境污染问题，将社会性科学议题转化为学生学习的化学问题，在问题解决的过程中运用化学学科的必备知识，利用化学学科的基础概念和基本原理来解决问题^{[ 2 ]}。本节课设置了“认识议题，探究成分”“宏微结合，探究机理”“模块融合，揭示机理”三个环节，运用宏微结合的思想，探究雾霾形成的机理和本质，将催化剂的表面催化反应机理和质子转移等微观机理融入其中，促进学生宏观辨识与微观探析，科学态度与社会责任等核心素养的发展。

2  教学目标和教学流程

根据课标中相关的内容要求和学业要求，制定教学目标如下：

（1）能根据提供的相关信息，分析雾霾的成因和雾霾的主要成分，能运用化学知识参与讨论雾霾形成这一社会性科学议题。

（2）能从微观层面分析反应过程中含硫物质的转化路径，能运用化学符号描述反应机理，能根据微粒的结构，微粒间作用力解释物质具有相关性质的原因。

（3）能从SO₂、SO₃和甲醇等参与雾霾形成的机理讨论和探究中，认识化学可持续发展的重要意义，发展科学态度与社会责任的核心素养。

教学设计思路如图1所示，教学流程图如图2所示。

3  教学过程

3.1  认识议题 探究成分

【引入课题】  雾霾危害人们的身体健康，雾霾影响了人们的生产和生活。分析雾和霾的区别，以及产生雾和霾的原因。学生思考得出雾霾是雾和霾的混合物，都是分散系，分散剂为空气，分散质不同。雾的分散质是微小的水滴，霾的分散质是悬浮在空气层中微小的烟粒或者粉尘。

【资料】大气颗粒物污染除在生产生活中造成的一次颗粒物污染外，还包括一定温度和湿度下经过光化学反应产生的二次气溶胶污染。我国雾霾的成因，如图3所示；我国某地不同时间段雾霾颗粒物的来源，如图4所示；某地清洁天和雾霾天两种天气条件下颗粒物的特征成分，如表1所示。

表1中的百分比指含有该特征成分的颗粒物占所有颗粒物的百分比，加和并不是100%。

教师根据上述资料提出以下问题：

（1）分析某地清洁天和雾霾天的主要污染物是什么？雾霾天哪些污染物增多？这次污染由什么造成？雾霾成因是什么因素？

（2）分析清洁天和雾霾天哪些离子占比大，属于什么污染物？形成的原因是什么？

（3）大气污染物SO₂、NO_x的来源主要是什么？

学生通过小组讨论和思考交流，分析汇报，推理判断出该地污染主要由汽车尾气排放所致，是雾霾成因中的人文地理因素。在清洁天，Na⁺，Cl^-的浓占比较大；雾霾天，NH4+、NO₃^-的浓占比较大。NH₄⁺、NO₃^-和SO₄^2-是一次大气污染物NH₃，SO₂，NO_x的二次转化，大气中的SO₂来自火山爆发产生的硫化物以及含硫矿物的燃烧，NO_x主要来自化石燃料的燃烧，特别是机动车的尾气排放。

【设计意图】  以雾霾的概念为切入口， 让学生分析某地雾霾的成因以及大气中SO₂对雾霾形成的影响，激发学生参与社会性议题讨论的兴趣，通过图形数据和表格数据分析，让学生体会人类活动对雾霾成因的较大影响，引出核心任务。

3.2  宏微结合 探究机理

【资料】 矿质颗粒物是大气气溶胶的主要成分，它参与了SO₂的迁移转化，在硫酸盐气溶胶的形成过程中起了关键性的作用。具有光催化活性的TiO₂能够利用太阳光催化氧化大气中的SO₂，其反应机理如图5所示。

教师指导学生分析 SO₂在TiO₂表面非均相光化学反应机理，分析得出在太阳光的照射下，TiO₂受到光激发产生光生空穴（h⁺）和光生电子（e^-），光生空穴（h⁺）带正电，缺电子，具有强氧化性，并通过书写水蒸气产生羟基自由基（·OH）的反应式（h⁺+ H2O → ·OH + H⁺），分析羟基自由基具有强氧化性的原因。

根据反应机理的示意图，教师提问：

（1）SO₂在TiO₂颗粒物表面最终形成的物质是什么？

（2）形成该物质有几种途径？

学生通过分析讨论，得出SO₂在TiO₂颗粒物表面最终形成SO42-，有两种途径，一种为光生电子（e^-）被大气中的氧气分子捕获产生氧自由基（·O），·O同大气中的SO₂反应生成SO42-；另一种为光生空穴氧化水蒸气产生的羟基自由基（·OH）同SO₂结合生成HSO₃^-，HSO₃^-同·O反应再转化为SO₄^2-。

教师归纳总结，硫酸盐气溶胶在TiO₂颗粒物表面的形成主要是非均相反应，SO₂在TiO₂催化作用下发生吸附、迁移和转化等物理化学反应。因为TiO₂有光化学活性，昼夜都会对大气中硫酸盐气溶胶的形成产生影响。

【资料】  SO₂在MgO等矿质颗粒物表面的非均相反应受光照影响较小，主要暗反应条件下吸附SO₂。研究表明大气中的NO₂会促进MgO表面对SO₂的非均相反应，如图6和图7所示。

教师提出问题：

（1）物质a为一种双原子气体分子，a是什么？

（2）物质b为一种离子，b是什么？图7中，NO₂的吸附反应位点是什么物质？

（3）高浓度体系中SO₂和NO₂浓度分别为572.0 mg·m^-3和410.7 mg·m^-3，低浓度体系中SO₂和NO₂浓度为分别2.90 mg·m^-3和0.41 mg·m³，图6和图7所示的机理中采用什么浓度体系，原因是什么？

学生在教师的指导下根据图6和图7分析NO₂和SO₂在MgO颗粒表面协同反应的两种机理，得出物质a为NO，b为NO₂，NO₂的吸附反应位点是SO₃^2-。图6采用高浓度体系，图7采用低浓度体系，因为NO₂氣体容易双聚成N2O4，浓度越高，聚合的程度越大，图6的机理中NO₂首先经过阶段1和阶段 2双聚成N2O4，再与SO₂反应，而图7的机理中NO₂直接与SO₂反应。

【设计意图】本环节分析SO₂在不同光学活性的颗粒物表面的反应机理，从宏观的雾霾形成现象，深入到微观机理中，探讨SO₂参与形成雾霾的本质，提升学生科学推理论证、信息有效辨识等能力。

3.3  模块融合 探秘机理

【资料】 SO₃能与水结合形成硫酸，是形成酸雨和大气气溶胶的重要物质。由植物、生物燃烧和工业排放释放的甲醇在某些地区的对流层中含量很高，研究大气污染物SO₃与甲醇或水之间的反应，有利于揭示雾霾的形成原因。

教师指导学生研究反应CH₃OH+ SO₃=CH₃OSO₃H 在无水和有水条件下的反应历程，如图8所示^{[ 3 ]}。其中分子间作用力用“…”表示，分析a、b或c分子间静电作用力的强弱以及水在反应过程中的作用。

学生通过交流和小组讨论得出相关结论，有水存在时的反应历程中，甲醇、H₂O、SO₃三者间通过静电作用，使得相对能量改变， SO₃中S带正电荷，甲醇中的O带负电荷，静电作用力强，使得能量降低最多，因此静电作用力最强。无水存在时甲醇和SO₃反应生成硫酸氢甲酯的最高能垒为20.93 eV；有水存在时，从d到f转化中，最高能垒为6.62 eV，证明了水的催化作用，降低了反应的能垒。

学生分析得出d到f转化过程实质为质子的转移，有水存在的反应历程中，从d到f的转化中，断开SO₃中的硫氧键，H₂O中的质子转移到SO₃中的O上，形成O-H键，甲醇中的O-H键断裂，将质子转移给H₂O，H₂O作为催化剂参与了反应，降低了反应能垒，因此该过程中断裂了甲醇中的氢氧键、水中的氢氧键和三氧化硫中的硫氧键。

【设计意图】  SO₃既能通过人类活动直接释放到大气中，又能通过二氧化硫的氧化得到，在甲醇和水的作用下，更容易转化为硫酸盐。本环节从物质结构及其微观机理角度分析加入催化剂对化学反应历程的改变，从微观研究落地于宏观观测中，再反向推演出合理的大气污染物模型，为提供了理论支撑，也为制定有效的雾霾控制策略提供了理论依据。

4  教学反思

围绕含硫物质对雾霾的形成影响这一社会性科学议题，让学生体会含硫化合物SO₂和SO₃等物质排放到大气中对雾霾形成的影响，以及雾霾对气候和人类健康的影响。让学生参与讨论雾霾形成的原因，分析雾霾的主要成分，理解化学与环境的关系。

通过SO₂和SO₃在微观过程中的机理探究，让学生在真实的社会性科学议题的情境中分析问题，不断地思考和交流，从雾霾形成的宏观原因推演出微观机理，培养学生宏微结合的能力，让物质结构与性质和化学反应原理的知识有效融合。

通过质子转移在SO₃和甲醇作用下对雾霾形成的作用的机理探析，让学生掌握化学学科知识的同时，增强学生对化学科学本质的理解。学生在陌生的情境中应用已有化学知识分析问题，在和同伴不断地讨论和分析中，学生的认知角度发生了改变，推动了学生科学论证与推理等关键能力的落地。

通过含硫物质参与雾霾形成的机理讨论和探究，认识化学对可持续发展的重要意义，发展学生科学态度与社会责任的核心素养。

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 2020 年修订）[S].北京：人民教育出版社，2022.

［2］ 江合佩，刘炯明，张贤金.“发展中的化学科学”项目式教学设计与实施：以“碳氮偶联合成尿素研究”为例[J].化学教学，2021（6）： 42-48.

［3］ Ling Liu et al.Unexpected quenching effect on new particle formation from the atmospheric reaction of methanol with SO₃[J].PNAS，2020（1）：1-6.