基于化工发展史的教学设计——以纯碱工业为例.pdf
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1、将纯碱工业发展史的几个不同阶段的原理及方法进行对比、归纳,挖掘其中蕴含的科学与人文内涵,从化工发展史的角度进行纯碱工业的教学设计,加深学生对纯碱工业的理解及其重要性认识,培养技术观念与创造精神,发展化学学科素养。关键词:纯碱工业;化工发展史;教学设计文章编号:10 0 8-0 5 46(2 0 2 3)12-0 0 5 5-0 5中图分类号:G632.41文献标识码:Bdoi:10.3969/i.issn.1008-0546.2023.12.012一、化工生产原理的演变历程蕴含丰富的化学学科核心素养教育素材基础化工业的化工产品,是化学工业进一步制造、合成各种产品、材料的根基,如无机化工生产中的
2、“三酸两碱”、合成氨、电石、氯气、焦炭等;有机化工生产中的塑料、化学纤维、农药、日用化学品等。基础化工业随着历史的发展形成了非常系统的行业分类和行业标准,在工业生产、国民经济中占有极为重要的比重。近年来,随着国际地缘政治、经济和环境的变化,基础化工作为工业产业链中最重要的一个环节,它的价值再次受到关注重视。基础化工品的生产原理和方法,是化学科学最基本原理的运用,容易被高中生理解和接受,这些原理和方法在社会发展的不同阶段更新演变,蕴含丰富的人文、学科知识和技术思想。如硫酸工业中硫酸的工业制备方法经历了热分解法、硝化法和接触法三个重要阶段;氯碱工业经历了苟化法、立式电解槽法、离子交换膜法三个阶段。
3、这些基础化工品生产原理的演变进程中,大量化学反应原理发生更迭,很多技术和工艺出现了变革,化学学科核心素养在这些化工实际应用变革中有着生动的体现。在这些生产工艺革新的过程中,科学家和技术人员表现的科学探究精神、创新意识,是化学学科教学中最好的精神教育和价值教育素材,它更贴近生活、贴近生产,是生产中的化学史教育,易于在教学中整合、实施,被学生理解和接受。二、纯碱工业教材内容分析及教学设计构思纯碱的生产水平是近代衡量一个国家工业水平的标志之一,因为纯碱是最基础的化工原料,广泛应用于玻璃、治金、食品、医药等制造生产环节,近年来随着新能源产业的发展,锂离子电池生产过程中用到的原材料碳酸锂的提纯需要大量使
4、用纯碱,使纯碱的产量需求又有了新的提高。我国是纯碱的生产和消费大国,自2 0 0 3 年以来我国的纯碱产量一直位列世界第一,体现了我们国家作为制造业大国的特征。纯碱制法是中学化学最重要的化工学习内容之一,现行人教版教材作为重要教学内容在两处出现。第一次是出现在必修第一册的“研究与实践”栏目,明确给出了“了解纯碱生产历史”的主题,提出了具体研究目的、研究任务和讨论要求。其中“研究任务”一栏要求了解路布兰法、索尔维法、侯氏联合制碱法的原理,要求比较后一种制碱法相比前一种的优势,思考侯氏制碱法的意义。第二次是出现在选修课程系列1“实验化学”的第3 个主题“化工生产过程模拟实验”部分,纯碱的制备在提供
5、的参考实验活动中,作为第一个化工生产研究对象出现。纯碱生产方法的历史主要三个阶段,特征显著,56化学教与学教学设计研究脉络清晰,在教学中易于整合,其中包含了很多技术原理及技术思想,侯氏制碱法在化学史的教学中更有着其突出的地位。基于纯碱工业在教材和工业生产中的特殊地位,也是结合现行普通高中化学课程标准要求,“结合人类探索物质及其变化的历史与科学发展趋势,引导学生进一步学习化学的基本原理和方法,形成化学学科的核心观念”。合理地在教学中将纯碱工业的化工发展史加以合,可以更深人地使学生了解学科知识、科学方法,培养技术素养和创造精神,在教学中融人科学态度和社会责任的教育,体现化学学习更高层次的价值追求。
6、三、基于化工发展史的教学设计与实施一纯碱工业1.课前阅读材料准备以“你所不知道的纯碱工业发展史”为题准备一份阅读材料。以三位著名学者的人名命名的三个重要纯碱化工生产方法,代表了纯碱生产的三个不同历史阶段,初中阶段学生对我国科学家侯德榜有所了解,但路布兰和索尔维这两位科学家对纯碱制造的贡献,学生知之甚少,特别是三位科学家的人生历史,有很好的教育意义和可读价值。这份资料从三位科学家的生平、学习经历、研究制碱历程等几个主要方面编写,从文史角度突出可读性和趣味性,相对详细,让学生课前阅读,通过生动的历史素材,激发学生的求知欲望和学习热情,为提升知识认知和情感认知留下伏笔。2.教学重点与难点从纯碱工业发
7、展史的角度学习纯碱的制备,重点在于把握制碱原理,通过对三个历史不同阶段的原理的认识,找到各自的优缺点。难点在于如何将三个不同阶段的制碱方法的历史沿革原因鲜活地加以呈现,使学生在真实的历史背景下深刻理解化学原理的应用、变化和发展,深人感知化学科学和社会、环境之间的关系。3.教学过程【引人】纯碱在我国有悠久的使用历史,最早期利用的大多是天然碱,利用的主要成分就是碳酸钠。本草纲目中曾记载古人以天然碱“浣衣发面”。但随着人口增长和近代纺织、玻璃、造纸工业发展的需要,纯碱的需求量大幅增长,而天然碱质低量少,已远不能满足需要,进人工业化生产势在必行。路布兰是一名法国医生,他发明的路布兰制碱法是较早的用于大
8、规模生产纯碱的方法之一,大家可参阅课前阅读资料,了解历史背景。【投影】路布兰制碱法的主要反应原理。【设问】根据反应原理,请同学们观察思考反应的特点,在实际生产中会面临哪些困难和问题?【引导学生讨论得出】路布兰制碱法的主要缺点:(1)反应都需在较高温度下进行,能耗高;(2)反应多涉及固相反应,难充分反应和连续生产,原料利用率低,产品分离较复杂;(3)过程中用到浓硫酸,成本高,设备腐蚀和污染严重,有废弃物。【总结】客观评价路布兰制碱法:从现在的角度来看有很多不足,但在当时作为主流制碱法,很大程度上提高了制碱的效率和产量,存在了近一个世纪,在当时有着它的合理和独到之处。【过渡】19 世纪中期,随着煤
9、化工的发展,在炼焦的尾气中获取了较多的氨气,有企业家发现溶有氨气的饱和食盐水通人二氧化碳后能产生沉淀碳酸氢钠。【解决问题】给出氯化钠、氯化铵、碳酸氢铵、碳酸氢钠溶解度(如表1所示),提出问题进行分析:表1相关物质的溶解度(2 0)碳酸碳酸物质氯化钠氯化铵碳酸钠氢钠氢铵溶解度/(g/100g水)35.937.221.59.621.7为什么在氯化钠的饱和溶液中通人氨气和二氧化碳能析出碳酸氢钠?已知2 0 氯化钠和碳酸氢铵饱和溶液的密度分别为1.2 0 gmL-、1.10 g mL,试分析,若用两种饱和溶液混合产生碳酸氢钠沉淀最多,两种溶液的最佳体积比约为多少?(分析讨论计算方法,约12:5)。【思
10、考】最早发现这一原理的企业试图用于工业生产都失败了。让同学们思考当时工业生产失败的可能原因。化学教与学2 0 2 3 年第12 期57化学教与3年第12 期化学教与学教学设计研究【讨论后总结】列举几个失败的主要原因:19 世纪初,化学科学尚处于发展的初级阶段,缺少必要的理论指导和数据分析依据;CO,通人饱和食盐水的氨溶液中,会使氨气大量挥发,导致碳酸氢钠产率很低,工艺上缺乏支持;当时路布兰制碱法作为主流技术,已非常成熟,没人愿意做吃力不讨好的事,不敢改变,难以创新。【过渡】这时候,被历史赋予使命的索尔维来了,引出索尔维的制碱故事(如图1所示)。氨盐水(1)索尔维试图用饱和食盐水吸收炼焦产生的尾
11、气中的氨气,结果正好尾气中含CO科学发现有时缘于偶然)(2)将这个方法申报制碳酸氢钠专利,没有通过,因为他没查文献,有人已经申报过该专利。(查资料的重要性)(3)前人尝试用于工业生产,没有成二氧化碳气体功,但索尔维坚定地认为这个方法一定比路布兰制碱法要高明、经碳酸氢钠灵济。坚持因为深人的理解和分析)悬浮液图1索尔维制碱故事图2索尔维塔【讨论后总结】介绍索尔维通过不断努力将氨碱法从理论终于走向工业生产的过程。展示索尔维塔(见图2)的技术原理。强调化学原理的应用必须要有一定的工艺技术支撑,否则,再好的理论也会没有应用价值,只能停留在纸面上。【讲述】图3 是索尔维法的简易流程图。大家根据该图思考索尔
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