探究氯碱工业原理 构建化工物质制备模型.pdf

112美眉 2023.06 下教研与美育教学研究探究氯碱工业原理构建化工物质制备模型李金萍（江西省萍乡市萍乡中学，江西萍乡337000）摘要：以“电解饱和食盐水”为主线，氯碱工业为情境线，通过“回顾电解饱和食盐水反应原理及其现象”“分析教材装置在实际应用中的不足”“设计电解装置模拟工业电解”“建立化工物质从实验室制备到化工制备的一般模型”4 个任务，深化电解原理的相关知识，并在真实问题解决中发展“科学探究与创新意识”素养，同时通过引导学生建立化工物质制备的认知模型，加深对氯碱工业的理解和离子交换膜在电解中的应用，提升学生“科学精神与社会责任”素养。关键词：氯碱工业；电解饱和食盐水；真实问题；化工物质制备；认知模型一、教学内容主题分析普通高中化学课程标准（2017 年版 2020 年修订）提到，以发展化学学科核心素养为主旨，重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的结构化设计，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。课程标准提倡综合使用多种方式开展选修课程的教学，如实验探究、专题调查、参观访问、科普宣传、专家讲座、专题论坛、文献研讨、读书报告等，鼓励开展主题性实践活动和项目式学习活动。其中，“科学探究与创新意识”是高中化学学科核心素养的重要内容，要求教师在实施教学过程中，帮助学生逐步建立和发展“实验是科学探究的基本过程和方法”的化学核心观念。其中，“模型认知”为化学学科核心素养的一个重要维度，并将其表述为：知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。因此，在化学实验教学中，教师应该不断挖掘核心素养的内涵，创设真实情境，解决实际问题，并将其融入于实验教学的组织过程中，注重培养学生建构化学模型并不断理解、应用模型的能力，以此来逐步促进学生核心素养的发展。真正实现学习方式的改变，要靠问题化学习。我们从教授中心的课堂转变为学习中心的课堂，中间有一个桥梁，这个桥梁就是问题化学习。因为问题化学习让我们所有的教学必须以学生为主线去设计，依据学生的问题展开，让学生真是的学习过程得以发生。江合佩老师建议，要将课堂主动性交给学生，多设计质疑型、讨论型、探究型活动，让学生在真实的问题解决过程中，获得解决问题的体验，获得解决问题的方法及程序，获得形成解决问题的思路及角度，形成和发展学生的化学学科素养。化学是一门以实验为基础的学科，化学实验可以给学生最直观的认识，是激发学生兴趣最有效的方式。重视和加强实验，改进和创新实验教学，将实验融入化学的实际教学当中，以学生为主体，改变学生学习态度，使学生从一般兴趣发展到极大兴趣，逐步形成对化学的乐趣，是提高化学课堂有效性的有力措施，最终促进学生化学核心素养的发展，促进学生全面发展。电解饱和食盐水是高中化学人教版选修 4 的重要内容，也是一项重要的化工产业，称为“氯碱工业”，在工业生产、实际生活中都有广泛应用，以该反应为基础可以制备出一系列的化工产品，如盐酸和漂白液等。因此“电解饱和食盐水”实验不仅能巩固电解原理知识，还可让学生体会到科技进步对工业发展的巨大推动力。本文基于真实问题情境的创设，通过电解饱和食盐水实验的改进与创新，将工业生产工艺缩113美眉 2023.06 下教研与美育教学研究小到课堂，模拟氯碱工业生产，让学生探究工业生产与实验室之间的不同，在实验探究的过程中，引导学生初步建立化工物质制备的一般认知模型。二、教学目标设计及教学流程（一）教学目标1.通过对电解氯化钠溶液的实验观察，加深对电解原理的认识，提升宏观辨识与微观探析意识，提升证据推理能力；2.通过电解饱和食盐水实验装置的改进，体验科学探究的过程，培养学生创新思维能力，并建立从实验室到工业制备的认知模型；3.加深对氯碱工业的理解和离子交换膜在电解中的应用，提升学生科学精神与社会责任的化学学科核心素养。（二）教学重、难点重点：电解饱和食盐水实验的改进与创新。难点：化工物质制备认知一般模型的建立。（三）教学模式采用基于真实问题解决的教学模式，如图 1 所示：图 1教学模式该模式通过设计有深度思考的真实问题，应用知识、规律和方法解决真实问题，发展学生的新认识，拓展学生的认识角度及认识深度，达到巩固学生的基础知识的目的。（四）教学流程（图 2）从氯碱工业出发，围绕电解 NaCl 溶液，以获得纯度更高、产率更高的三大化工产品为目标设计核心问题，以此促进学生创新意识和认知模型的形成，用图 2 表示教学流程。图 2教学流程图（五）核心探究活动的教学过程【真实情境引入】问题：我们非常熟悉的氯碱工业相关的化工产品有哪些？工业上如何同时制备这三种产品？【教师支持】展示氯碱工业三大产品NaOH、氢气、氯气、附加产品 84 消毒液和盐酸的图片。【设计意图】将电解基础知识与工业生产实际关联。将真实问题转化为化学问题的能力。【学生活动】回顾电解饱和食盐水原理，根据电解原理书写电解饱和食盐水的电极反应式和总反应式。根据电极反应来描述实验现象。【教师支持】提供微型装置、湿润的淀粉 KI 试纸和酚酞溶液。图 3电解 NaCl 溶液微型装置【学生实验】电解饱和食盐水微型实验，并验证产物。记录实验现象，若有异常，分析原因。.【设计意图】提升学生实验现象观察能力和分析评价能力。同时提升学生对异常现象的处理能力。【任务一】分析教材装置在实际应用中的不足【学生活动】思考：用教材装置进行工业生产可能会出现什么问题呢？学生讨论，发表看法。任务一：从“安全性、产率、纯度”三个角度来考虑，完成以下分析。分析方向：安全性、产率、产品纯度；可能出现的问题：；问题出现的原因：；解决办法：；【教师支持】鼓励学生发表看法，给予思考方向，从产物之间的相互反应来考虑。展示小组的表格，学生点评，补充，完善，教师点评。【设计意图】鼓励学生思考表达自己的想法，提升学生分析问题和解决问题的能力。【追问】怎样将阴极产物与阳极产物分开？阴极区选用何种电解质溶液？有没有什么工艺设备或技术可以实现呢？【追问】选择阳离子交换膜的理由是什么？【追问】为得到较纯的 NaOH 溶液，阴极区应使用什么溶液呢？【教师支持】鼓励学生发表看法。给予思考方向。展示小组的表格，学生点评，补充，完善，教师点评。【设计意图】追问，使学生思维外显，认识阳离子交换膜的在装置中的作用及其在实际工业生产中的用途。【任务二】设计电解装置模拟工业电解饱和食盐水【学生活动】根据电解原理，结合改进措施，模拟工业电解饱和食盐水，制备 NaOH、H2和 Cl2，小组设计一个最优化的装置，画出装置图。【教师支持】手机投屏，展示学生的装置图。【设计意图】提高学生实验创新能力，提高学生的表达能力。【教师支持】展示介绍教师制作的创新装置，并提出问题。114美眉 2023.06 下教研与美育教学研究图 4模拟工业电解 NaCl 溶液创新装置【实验验证】借助阳离子交换膜，是否达到预期目标？问题：如何进行实验验证呢？阴极产物 NaOH 如何检测？阳极产物 Cl2如何检测？如何知道 NaOH 是否纯净？【设计意图】引导学生熟悉对物质的一般检验步骤和方法。【教师支持】手机投屏，进行实验验证，引导学生观察现象。【学生活动】学生观察实验现象并回答。学生观察电极现象，阴极区的 pH 变化，氯气的检验，两极液面变化，阴极区 Cl-的检验等。【回顾课本】离子交换膜法制烧碱的工作原理图。【学生活动】观看教材选修 4 课本 80 页氯碱车间的图片，了解离子交换膜法制烧碱的工作原理。【教师支持】展示离子交换膜法制烧碱的工作原理图，讲解工作原理，鼓励有条件的同学去参观真正的氯碱工业生产车间。介绍国内膜技术的现状及其存在问题。【设计意图】让学生体会离子交换膜的作用，感悟科技对工业发展的巨大影响，树立为国家做贡献的目标，提升学生科学态度与社会责任素养。【任务三】建立化工物质制备的认知模型思考：回顾堂课所学习的内容，进行课堂小结，并思考回答化工产品从实验室制备放大到工业制备的研究过程是怎样的呢？【学生活动】建立化工物质制备的认知模型。【设计意图】提高学生认知模型能力。【课堂练习】1.利用惰性电极电解 Na2SO4溶液，画出装置图，并完成下列填空。（1）在电解过程中，与电源正极相连的电极上所发生反应的电极反应式为，与电源负极相连的电极附近，溶液pH值（选填：不变、升高或下降）。（2）在使用离子交换膜法电解 Na2SO4时，电解槽被分隔为阳极区和阴极区。若使用阳离子交换膜，在阴极区可获得产品，结合电极反应式和文字解释。若要获得产品硫酸，请画出该电解装置图并说明理由。若使用离子交换膜法电解 Na2SO4联合生产硫酸和NaOH 溶液，请画出该电解装置图。【设计意图】提升学生理解、应用模型的能力，提高学生对离子交换膜在电化学中的解题能力。三、板书设计探究氯碱工业原理 构建化工物质制备模型以“电解饱和食盐水”为例（一）电解饱和食盐水1.原理：阳极 2Cl-2e-=Cl2 阴极 2H2O+2e-=H2+2OH-电解总反应 2NaCl+2H2O=2NaOH+H2 Cl22.问题：污染，爆炸 NaOH 不纯（如 NaCl、NaClO）3.解决办法：阳离子交换膜阴极区用稀 NaOH 溶液4.设计装置模拟工业电解饱和食盐水（二）建立化工物质制备认知模型四、结语本文从熟悉的氯碱工业的三大直接产品出发，围绕电解饱和食盐水这个课题，引导学生在实验中发现教材装置存在的缺点，然后从实际工业生产的三个角度（安全性、产率、纯度）对装置进行实验改进，通过学生自制创新装置代替普通电解池，将工业生产工艺缩小到课堂，加深了学生对氯碱工业的理解和交换膜在电解中的应用，促进学生对电解的深度学习，同时体验到化学理论与工业实际生产之间的差别，培养了学生的科学探究与创新意识，并初步建立了化工物质制备的认知模型；通过膜技术的简单介绍，让学生感悟到科技对工业发展的巨大影响，培养了学生的科学精神与社会责任，提升了学生的化学学科核心素养。【本文系江西省教育科学“十四五”规划 2022 年度课题项目式教学促进学生化学实验深度学习的研究与实践（项目编号：22PTZD038）研究成果。】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)M.北京:人民教育出版社,2018.2 宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学(化学反应原理)(第三版)M.北京:人民教育出版社,2007:79-82.3 莘赞梅.基于真实问题解决的高三复习课以电解NaCl 溶液的深入学习为例 J.化学教育,2019,40(11):36-40.