基于化工发展史的教学设计——以纯碱工业为例.pdf

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“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。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。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维法涉及的化学反应，并与路布兰法进行优缺点比较。CO（循环使用）沉淀殿烧NaHCO3过滤Na.CO,产品饱和食盐水盐水通NH;洗涤通CO2NH（循环使用）滤液NH.CI、NaClCa(OH)2废液CaCl,NaClCO2缎烧石灰石CaoCa(OH),石灰乳图3索尔维塔流程图【总结】相比路布兰法，索尔维制碱法的优缺点：(1)避免了较多的高温反应，降低了能耗；(2)氨气、二氧化碳可循环使用，大大节约了成本。（3）缺点是氯化钠会浪费，原料利用率不高，仍有废弃物产生。【讲述】索尔维法制造的纯碱质量好，价格低，很快取代了路布兰制碱法，占据了全球的大部分纯碱市场，包括当时正努力发展工业社会制造的中国，纯碱在当时被称作“洋碱”，进口比例最高时占了我国纯碱市场的8 0%。资本为了获得更大的商业利润，一直对制碱法的工艺给予严格保密。大家可参阅下发的阅读材料。【过渡】在2 0 世纪初复杂的国内、国际环境下，当时的爱国实业家范旭东联合侯德榜在天津成立了永利制碱公司，艰苦创业，终于克服了工艺上的困难，破解了索尔维法，19 2 6 年6 月成功生产出了中国自已的质优价廉的纯碱，很快将进口碱的比例缩小到不到40%，并出口到了日本。19 2 8 年侯德榜将近年潜心研制的制碱方法和技术，用英文写成了ManufactureofSoda巨著，公布于世，赢得了国际社会的广泛赞誉。但真正的侯氏制碱法此刻还没到来，有谁从之前发放的阅读资料里读到了，是什么主要原因让侯德榜重新研究，探索出了最终的联合制碱法？【讲述】侯氏制碱法是由于当年的抗日战争，迫使永利制碱厂迁到了四川，而内地缺少食盐且价贵，索尔维法制碱法中食盐利用率又不高，促使当时侯德榜决心改进索尔维法。他先后一共做了5 0 0 多次实验，分析了2 0 0 0 多个样品，才摸清了新方法的工艺条件。【投影】展示联合制碱法流程图（图4），让学生与索尔维法进行对比。【设置问题】（1)索法和联合制碱法两种制法的共同点是什么？（本质上都是氨碱法）。(1)索法和联合制碱法两种制法的共同点是什么？（本质上都是氨碱法）。(2)两种制法的原料和产品有哪些区别？主要由什么因素决定的？（主要在氨气的需求量上不同，其次是索法需要石灰石作为原料，而侯氏法不需要）。（3）侯氏制碱法的优点和缺点有哪些？【讨论后总结】侯氏制碱法的优点与缺点。58化学教与学教学设计研究CO（循环使用）沉淀缎烧NaHCO,过滤Na.CO,产品饱和食盐水氨盐水洗涤加NaCI通NH,通CO2细粉NH.CI产品滤液A通NH;NH.CI、NaCl冷却、过滤NHCO2洗涤、干燥饱和食盐水（循环使用）合成氨工厂图4联合制碱法流程（1)将原材料N、水、煤（转化为水煤气，为氨厂供氢气，为碱厂供CO）、食盐中所有元素均转化为产品NazCO,和NH.Cl，原子利用率极大提高（理论上是100%);（2）不必再用石灰石提供熟石灰，省去了石灰窑等辅助设备的投人；(3)与合成氨厂巧妙联合生产副产品氯化铵，制碱不再产生废液、废渣（CaCl2），同时也使合成氨的废气二氧化碳转化为碳酸钠，减少了排放。【过渡】纯碱工业发展的三个历史时期以发明人名命名，凸显了三位科学家对人类社会发展做出的重要贡献，三种制碱方法的对比如表2 所示。表2三种制碱方法的比较制碱方法历史时期和生产背景主要反应优缺点18世纪，纯碱生产完全来源于天然能大规模生产，产量大幅提2NaCI+H,SO4=Na2SO4+2HCI路布兰碱。但天然碱产量低，含杂质多，提纯高温高。固态加热反应多，不易连Na2SO4+2C!Na2S+2CO21一制碱法方法差。法国医生尼古拉路布兰首续生产，成本高，产品杂质多，Na,S+CaCO,CaS+Na.CO;先提出用NaSO.大规模制取纯碱。难分离，能耗大，污染多。CO2+NH,+H,O NH.HCO,19世纪，煤化工的发展使氨气的产量NH.HCO,+NaCI NaHCO,+NH.Cl可大规模连续生产，工艺流程索尔维制有了很大提高，18 6 2 年，比利时人索尔简单，产品易分离、纯度高，成碱法维在一次偶然实验中，用饱和食盐水2NaHCO3Na,CO,+H,O+CO,高温本大幅降低。原料利用率不(氨碱法）吸收煤炼焦产生的废气时，在溶液中CaCO,CaO+CO,1高，有废弃物，环保压力大。制得了碳酸氢钠。2NH,Cl+Ca(OH),CaCl,+2NH,+2H,0高温20世纪3 0 年代，因战争原因，我国永C+H,0CO+H（生成水煤气）对氨碱法的优化改造，创造性高温利制碱公司由天津迁至四川，内地缺CO+H,OCO2+H2结合合成氨联合制碱，简化了侯氏联合乏食盐，为了提高食盐的利用率，侯德N2+3H2催化剂2NH3制碱工艺流程，降低了能耗和制碱法高温高压榜先生结合成氨工业改进索尔维法，CO,+NH,+H,O=NH.HCO;成本，原材料利用率大大提发明了联合制碱法。高，基本无废弃物。NH.HCO,+NaCI NaHCO,+NH.Cl【投影介绍】当前纯碱的主要应用和不同地域纯碱制备的主要路径，客观分析不同国家和地区选择不同方法的原因（如图5 所示）。（1)2 0 0 3 年以来我国的纯碱产量至今一直位于世界第一，除自给外还有部分对外出口，早已告别了那个“洋碱的年代。(2)纯碱的制法目前主要有天然碱法、氨碱法、联碱法三种，2 0 2 1年全球制碱三种方法的产量占比分别为3 5%、45%、2 0%。我们国家的比例是5%、49%、45%(见图6)。（1)天然碱法是曾经最古老的纯碱制法，现在重新采用是由于现代分离提纯技术的提高带来了较低的生产成本。(2)氨碱法仍为工业制纯碱的主流是由于氨碱法生产相对灵活，不需要建造大规模的合成氨工厂。（3)侯氏联碱法受合成氨价格和需求量影响，成本波动较大，是我国相对使用较多的制备方法。图5当代不同制碱方法的选择化学教与学2 0 2 3 年第12 期59化2023年第1 2 期上接第5 4页）+.+化学教与学教学设计研究2021年全球氨碱法工艺占比45%氨碱法联碱法天然碱法其他5%30%45%20%资料来源：GoncsisFenrty，华创证券2021年我国氨碱法工艺占比约49%氨碱法联碱法天然碱法5%49%45%资料来源：百川盈字，华创证券图62021全球及我国不同制碱工艺占比（3)纯碱的消耗主要是玻璃、食品、医药、纺织等几个主要行业，近年来光伏行业对玻璃的需求量大幅提升，电池行业提纯碳酸锂也要大量使用纯碱。【布置作业】（1）查阅资料，编写一份我国纯碱目前产能现状和未来发展趋势的调查报告。（2）查阅资料，分析天然碱法制纯碱的分离原理电解质的沉淀溶解平衡实验，设计成开放性实验，有助于学生从反应物和生成物共存以及平衡移动的角度构建沉淀溶解平衡；模拟水垢处理实验，学生能从宏观角度认识物质之间的转化，帮助学生建立水溶液中离子反应和平衡的基本架构,培养学生的创新思维能力。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（2 0 1 7 年和市场情况。四、教学反思基于纯碱化工发展史的教学设计，将涉及反应原理和流程方法在具体的历史生产背景下去解读，在真实的化工生产环境中进行综合考虑和分析，可以使化学知识显得更为生动，学生能更好地理解与资源、能源与环境等可持续发展密切相关的问题在化学中的具体应用，理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，认识化学对社会的重大贡献。纯碱的化工发展史涉及较多的历史材料和文字数据，实施教学时要在课前做好充分整合，以便在课堂上呈现时提高效率、展开讨论。本设计力图较翔实地对一些细节加以呈现，既是为了展示科学研究的真实性和复杂性，也是为了展示科学发展的故事性和趣味性，让学生感受科学并不枯燥，站得更近、看得更清、学得更有趣。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（2 0 1 7 年版2 0 2 0 修订)S.北京：人民教育出版社，2 0 2 0.2陈歆文.中国近代化学工业史M.北京：化学工业出版社,2 0 0 6.3刘怀乐.对“侯氏制碱法”史料的补充及研究J.中学化学教学参考,2 0 1 1(9)：3 6-3 8.4杨晖冯昱祺.纯碱，焕发新生，行业景气持续上行N.华创证券,2 0 2 2-0 6-0 4.版2 0 2 0 年修订）.北京：人民教育出版社，2 0 2 0.2曾阔，蒋小钢.以化学观念建构为顶层设计的教学实践与思考一以“沉淀溶解平衡”的教学为例J.化学教与学,2 0 1 7(4):48-5 1.3陈魁，向兰.硫酸钙溶解行为初探J.盐业与化工，2 0 0 736(2):1-3.4王磊.普通高中教科书（化学选择性必修1)M.济南：山东科学技术出版社，2 0 1 7.5王磊.普通高中教科书（化学选择性必修1）教师用书M.济南：山东科学技术出版社，2 0 1 9.