工業(yè)生產(chǎn)情境在元素化合物教學(xué)中的應(yīng)用

唐李銘 沙莎

摘要：在化學(xué)教學(xué)中注重情境的應(yīng)用，改變以化學(xué)知識為主線的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，形成以情境引入、引導(dǎo)探究、生成學(xué)科知識、解決實際問題的互動生成教學(xué)模式。將工業(yè)生產(chǎn)情境，尤其是將化學(xué)史實應(yīng)用于教學(xué)，可以使教學(xué)不再局限于現(xiàn)有知識和已有結(jié)論，不僅可以體現(xiàn)化學(xué)知識的價值、挖掘知識的內(nèi)涵，還可以追溯到知識的演變過程，可以讓學(xué)生體會到人們對事物認識的螺旋式上升，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：化學(xué)教學(xué);鎂的提取與應(yīng)用;教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-0546（2021）05-0061-04中圖分類號：G632.41文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.016

元素化合物知識是高中化學(xué)知識的重要組成部分，在知識分類上屬于陳述性知識，具有龐雜瑣碎的特點，學(xué)生記憶難度大，容易發(fā)生混淆。對此，以發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)為理念的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》建議“結(jié)合真實情境中的應(yīng)用實例或通過實驗探究，了解元素化合物主要性質(zhì)”⑴。工業(yè)生產(chǎn)是化學(xué)學(xué)科對社會發(fā)展貢獻的重要體現(xiàn)，也是學(xué)科知識在真實世界中的實踐運用，在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，涉及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和分離提純的思路等，有利于促進學(xué)生理解和進行知識的結(jié)構(gòu)化，可以作為課堂教學(xué)的情境來源。

以下從素材分析、目標(biāo)確立、活動設(shè)計等角度，以“鎂的提取與應(yīng)用”為例，介紹如何將工業(yè)生產(chǎn)情境應(yīng)用于元素化合物的教學(xué)。

一、“鎂的冶煉”教學(xué)素材分析

對工業(yè)生產(chǎn)過程的認識可以從歷史發(fā)展角度、物質(zhì)變化角度以及反應(yīng)原理角度展開，其中前兩項是進行元素化合物教學(xué)時涉及的主要方面。歷史發(fā)展角度關(guān)注同一生產(chǎn)過程中原理、技術(shù)的優(yōu)化過程;物質(zhì)的轉(zhuǎn)化則是工業(yè)生產(chǎn)的核心，在設(shè)計轉(zhuǎn)化路線時除了考慮理論可行性外，還需要注意原料成本、所需反應(yīng)條件等⑵。因此，以鎂的冶煉歷史作為教學(xué)的主線，關(guān)注不同時期冶煉方式所涉及的主要化學(xué)反應(yīng)，了解采用這些反應(yīng)其背后的推動要素，如生產(chǎn)成本、技術(shù)手段等，對每一種冶煉方式則可以涉及的化學(xué)反應(yīng)為中心，從原料的選擇、化學(xué)反應(yīng)的微觀探析、反應(yīng)原理的應(yīng)用、物質(zhì)的分離提純等角度展開教學(xué)。

第一個確認鎂元素存在的是英國科學(xué)家約瑟夫·布萊克，他在1755年發(fā)現(xiàn)菱鎂礦（主要成分MgCO3）加熱分解得到的苦土中含Mg0o 1792年安東·魯普雷特首次制取出單質(zhì)鎂，他加熱苦土和木炭的混合物獲得少量不純的鎂單質(zhì)。1831年法國科學(xué)家布魯圖斯·巴斯用氯化鎂與鉀反應(yīng)，終于制得大量的高純度鎂，由此，科學(xué)界開啟了鎂特性的研究之旅。1808年，英國化學(xué)家戴維采用電解MgO （熔點2800℃）的方法分離出單質(zhì)鎂。現(xiàn)代電解法煉鎂的原理則是在高溫下電解熔融的無水氯化鎂（熔點712℃）生產(chǎn)金屬鎂和氯氣，這種方法對氯化鎂產(chǎn)品質(zhì)量要求高，生產(chǎn)這種氯化鎂需要大量高濃度的海水，在國外應(yīng)用廣泛，而我國鎂礦資源豐富，現(xiàn)代工業(yè)多采用皮江法煉鎂：在真空還原罐內(nèi)用硅作還原劑在1200%：條件下將氧化鎂還原成金屬鎂。金屬鎂的冶煉發(fā)展進程如表1所示。

在教學(xué)時，對每一生產(chǎn)方法，以其對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)為中心，可以從原料的選擇與處理、反應(yīng)的微觀原理、生成物的分離提純等角度展開分析，通過這一套提取流程，在真實的情境中將知識結(jié)構(gòu)化地組織起來。從原料處理的角度看，海水提取氯化鎂的流程和實驗室中分離除雜的思路一致;反應(yīng)的微觀原理則涉及氧化還原理論和堿土金屬的特殊性質(zhì)等內(nèi)容;皮江法制取鎂則是在真空條件下使鎂蒸汽冷凝，這是因為鎂可以和空氣中的氮氣反應(yīng)。

二、“鎂的提取與應(yīng)用”教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》規(guī)定了每個課程模塊的學(xué)業(yè)要求，其中與鎂有關(guān)的包括：能從物質(zhì)的類別、元素化合價的角度，依據(jù)氧化還原反應(yīng)的原理、預(yù)測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和變化，設(shè)計實驗進行初步驗證，并能分析、解釋有關(guān)實驗現(xiàn)象。能利用典型代表物的性質(zhì)和反應(yīng)，設(shè)計常見物質(zhì)的制備、分離、提純、檢驗等簡單任務(wù)的方案。能根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)說明妥善保存和合理使用化學(xué)品的常見辦法⑶。

“鎂的提取與應(yīng)用”是蘇教版《化學(xué)1》專題3“從海水中獲得的化學(xué)物質(zhì)”第三單元教學(xué)內(nèi)容的一部分， 學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)了解了常見氧化還原反應(yīng)、海水提氯等基本思路，具備了一定的原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識以及根據(jù)原子結(jié)構(gòu)對物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)進行推理的能力⑷。

因此，根據(jù)課標(biāo)要求和學(xué)生認知情況，從核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力出發(fā)，將本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)置為：（1）通過金屬鎂發(fā)現(xiàn)的化學(xué)史，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的觀念，建立物質(zhì)制備的常見模型。（2）通過對金屬鎂的性質(zhì)及冶煉方法的分析，學(xué)習(xí)基于證據(jù)推理的思維方法。（3）通過對鎂的冶煉的研究，形成化學(xué)反應(yīng)是有條件的、實驗是研究物質(zhì)的重要方法等觀念。

三、“鎂的提取與應(yīng)用”活動設(shè)計

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，在引導(dǎo)學(xué)生對每一生產(chǎn)方式涉及的化學(xué)反應(yīng)進行認識時，可以設(shè)計理論推理和實驗探究等活動。對于原料的選擇可以從經(jīng)濟成本、技術(shù)難度等角度進行理論論證，如鉀作為生產(chǎn)原料成本太高、MgO的熔點高導(dǎo)致耗能大等，對于原料的處理則可以根據(jù)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，先從理論上進行相應(yīng)的程序設(shè)計，然后再以實驗的方式對關(guān)鍵步驟的可行性進行驗證⑸。在探究反應(yīng)的微觀原理時可以實驗探究的方式進行，即根據(jù)原始資料對反應(yīng)情況進行假設(shè)，再通過觀察和實驗獲得新的數(shù)據(jù)（證據(jù)），基于證據(jù)進行推理，對假設(shè)進行修正（證實或證偽），最終得到正確結(jié)論。生成物的分離提純過程與原料的處理有一定相似性，因此活動設(shè)計可以參照對生產(chǎn)原料的處理，先從理論上進行分離提純的程序設(shè)計，然后再以實驗的方式對關(guān)鍵步驟的可行性進行驗證，對于有一定難度的處理方式，可以只要求學(xué)生從化學(xué)性質(zhì)的角度對此進行解釋。教學(xué)活動的設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。

四、“鎂的提取與應(yīng)用”教學(xué)過程設(shè)計

從教學(xué)目標(biāo)和活動設(shè)計的思路出發(fā)，將本節(jié)課的學(xué)習(xí)過程設(shè)計成三個環(huán)節(jié)：通過化學(xué)史探究金屬鎂的冶煉、探索從海水中提取金屬鎂的流程、認識金屬鎂的其他冶煉方法，每個環(huán)節(jié)中設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)活動。

1.通過化學(xué)史探究金屬鎂的冶煉

（1）鎂的發(fā)現(xiàn)

【資料介紹】

第一個確認鎂元素存在的是英國科學(xué)家約瑟夫·布萊克，他在1755年發(fā)現(xiàn)菱鎂礦（主要成分MgCO3）加熱分解得到的苦土中含Mg0o 1792年安東·魯普雷特首次制取出單質(zhì)鎂，他加熱苦土和木炭的混合物獲得少量不純的鎂單質(zhì)。1831年法國科學(xué)家布魯圖斯·巴斯用氯化鎂與鉀反應(yīng)，終于制得大量的高純度鎂。由此，科學(xué)界開啟了鎂特性的研究之旅。

【理論推理】

從化合價變化角度分析由鎂的化合物得到鎂單質(zhì)屬于什么反應(yīng)？鎂是自然界中分布最廣的十種元素之一，請從鎂的原子結(jié)構(gòu)角度分析鎂單質(zhì)遲遲未被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的原因。

（2）還原法之苦土煉鎂（探究微觀反應(yīng)原理）

【理論猜想】

寫出加熱苦土和木炭的混合物獲得鎂的可能的化學(xué)方程式。指出反應(yīng)中氧化劑是什么？還原劑是什么？

【實驗探究】

將點燃的鎂條伸入二氧化碳氣體中，觀察實驗現(xiàn)象，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。思考你寫出的（1）中反應(yīng)的方程式是否正確？

（3）還原法之鉀的置換（探究微觀反應(yīng)原理、考慮原料的選擇）

【理論猜想】鉀是一種比鈉更活潑的金屬，用MgCl2與K制取Mg的反應(yīng)可能是水溶液中進行的離子反應(yīng)嗎？請說明判斷依據(jù)。

【實驗探究】將打磨過的鎂條放入熱水中，向其中滴加幾滴酚猷試液，觀察現(xiàn)象。并寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式。

【理論推理】1831年布魯圖斯·巴斯用氯化鎂與鉀制得鎂可能是在什么條件下？根據(jù)表2中近期幾種金屬的市場價格，判斷工業(yè)上用該方法制取金屬鎂是否可行？

2.探索從海水提取金屬鎂的流程

【資料介紹】

資料一：1808年，英國化學(xué)家戴維采用電解MgO （熔點2800°C）的方法分離出元素鎂?，F(xiàn)代電解法煉鎂的原理是在高溫下電解熔融的無水氯化鎂（熔點712Y）生產(chǎn)金屬鎂和氯氣。

資料二：每千克海水約含NaCl 27.2g、MgCL25.11g、CaCL2l.llg、KCl 0.72go

資料三：25℃時部分鎂的化合物溶解度（g/lOOg水），見表3。

【理論推理】（原料選擇）

寫出電解熔融的無水氯化鎂制取金屬鎂的化學(xué)方程式?，F(xiàn)代電解法冶煉鎂為什么使用氯化鎂作原料而不是氧化鎂？為什么電解熔融的無水氯化鎂而不是氯化鎂溶液？

【理論猜想】（探究微觀反應(yīng)原理）

如何將海水中的Mg元素分離出來，得到較純凈的MgCL溶液？寫出過程中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式。

【實驗探究】（原料選擇）

分別向裝有0.05mol/L及2.3mol/L MgCL溶液的試管中滴加澄清石灰水，觀察實驗現(xiàn)象。思考工業(yè)生產(chǎn)中常用海水曬鹽所得鹵水作原料的原因是什么？

【理論推理】（原料處理）

由氯化鎂溶液獲得氯化鎂固體一般通過以下流程：

由氯化鎂溶液結(jié)晶獲取MgCl2-6H2O晶體的步驟 I具體操作是什么？

3.認識金屬鎂的其它冶煉方法

【資料介紹】

皮江法煉鎂也是現(xiàn)代工業(yè)常用方法，它是在真空還原罐內(nèi)用硅作還原劑在1200°C條件下將氧化鎂還原成金屬鎂。相關(guān)物質(zhì)的熔沸點如表4：

【理論猜想】（探究微觀反應(yīng)原理）寫出皮江法煉鎂反應(yīng)的化學(xué)方程式。

【理論猜想】（生成物分離提純的程序設(shè)計）

生成的鎂如何與其它物質(zhì)分離？

【理論猜想】（生成物分離提純的原理分析）

皮江法煉鎂為什么要在真空條件下進行？鎂蒸氣能否在氮氣中進行冷凝結(jié)晶？

【實驗探究】（生成物的分離提純原理探究）

將鎂條在空氣中燃燒后的產(chǎn)物放在表面皿上并滴加幾滴水，將溫潤的pH試紙黏在另一個表面皿上并將這個表面皿倒扣在盛有產(chǎn)物的表面皿上，將兩個表面皿放在裝有沸水的小燒杯上加熱一段時間后，用標(biāo)準(zhǔn)比色卡與pH試紙進行比對。結(jié)論有堿性氣體（NH3）生成，證實鎂在空氣中燃燒有氮化物生成。

【理論推理】（化學(xué)品事故的安全處理）

如果金屬鎂著火了，處理時應(yīng)該注意什么問題？五、結(jié)語

工業(yè)生產(chǎn)素材承載著化學(xué)學(xué)科的知識內(nèi)容、思想方法，其工藝流程和歷史發(fā)展脈絡(luò)更是飽含著人類的科學(xué)智慧，體現(xiàn)科學(xué)家堅持不懈的探究精神。將它作為教學(xué)情境不僅有利于學(xué)生對元素化合物知識和方法的結(jié)構(gòu)化掌握，而且可以深刻地體會到學(xué)科知識與生產(chǎn)實踐之間的緊密聯(lián)系，理解學(xué)科知識是如何在真實的世界中發(fā)揮作用的，進而樹立運用學(xué)科知識解決真實問題的信心，培養(yǎng)精益求精的科學(xué)精神。

參考文獻

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