核心素養(yǎng)視域下的高中化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)
——以“模擬侯氏制堿法制備純堿及產(chǎn)品含量測(cè)定”為例

張 晶 王長(zhǎng)艷

（北京中學(xué) 北京 100018）

一、項(xiàng)目的提出

元素化合物知識(shí)是中學(xué)化學(xué)重要的基礎(chǔ)知識(shí)，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》中，關(guān)于金屬及其化合物性質(zhì)的學(xué)習(xí)要求是：結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，了解鈉、鐵及其化合物的主要性質(zhì)，了解這些物質(zhì)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。［1］有研究表明，將學(xué)習(xí)內(nèi)容主題化，設(shè)置真實(shí)情境和挑戰(zhàn)性問(wèn)題任務(wù)，可以促使知識(shí)結(jié)構(gòu)化、功能化、素養(yǎng)化，有利于學(xué)生建構(gòu)認(rèn)識(shí)模型，使核心素養(yǎng)的發(fā)展具體化、整合化。［2］

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以真實(shí)情境將學(xué)生帶入學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生可以圍繞某個(gè)具體學(xué)習(xí)項(xiàng)目，參與真實(shí)問(wèn)題的解決，并在學(xué)習(xí)過(guò)程中內(nèi)化核心知識(shí)、養(yǎng)成學(xué)科思想方法、發(fā)展核心素養(yǎng)。

“模擬侯氏制堿法制備純堿及產(chǎn)品含量測(cè)定”一課，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式，以模擬純堿的制備及其含量測(cè)定作為學(xué)習(xí)任務(wù)。首先，查閱資料，了解純堿的制備歷史；其次，自主設(shè)計(jì)模擬侯氏制堿法的實(shí)驗(yàn)，遷移應(yīng)用碳酸鈉與碳酸氫鈉性質(zhì)，進(jìn)一步掌握物質(zhì)制備及分離提純的方法；最后，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定樣品中碳酸鈉的含量，建立定量測(cè)定混合物中物質(zhì)含量的思維模型。

二、項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)施過(guò)程

1.查閱文獻(xiàn)，了解純堿的制備歷史

學(xué)生通過(guò)查閱資料，了解工業(yè)生產(chǎn)純堿的發(fā)展歷史以及侯德榜先生的生平。工業(yè)制堿法大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 純堿制備發(fā)展歷史及主要實(shí)驗(yàn)原理

學(xué)生發(fā)現(xiàn)歷史上純堿的制備是一個(gè)漫長(zhǎng)的探索過(guò)程。在了解歷史上各種制備純堿的方法時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，這種制堿方法的原理是什么？?jī)?yōu)點(diǎn)是什么，有無(wú)缺點(diǎn)？可以如何改進(jìn)？

路布蘭制堿法的生產(chǎn)過(guò)程在固相進(jìn)行，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，不僅需要高溫，還需要硫酸作為原料，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，原料沒(méi)有充分利用，副產(chǎn)品多，產(chǎn)品質(zhì)量不高。引導(dǎo)學(xué)生思考：是否應(yīng)該發(fā)展可以在液相進(jìn)行的反應(yīng)？科學(xué)家也是這樣想的，就出現(xiàn)了索爾維制堿法。這種制堿方法無(wú)需高溫，產(chǎn)品純度高達(dá)99%，工藝簡(jiǎn)單，原料便宜，適合大規(guī)模生產(chǎn)，但是該工藝被英、法、德、美等國(guó)壟斷，設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)對(duì)外嚴(yán)格保密；侯德榜先生對(duì)索爾維制堿法進(jìn)行了重新審視，并且將氨堿法和合成氨工業(yè)聯(lián)合起來(lái)，可同時(shí)生產(chǎn)純堿（Na2CO3）和氮肥（NH4Cl），并且將索爾維制堿法中原先廢棄的CaCl2變?yōu)榱薔H4Cl，成功解決了排放CaCl2污染土壤的問(wèn)題。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生沿著純堿制備的發(fā)展歷史，通過(guò)尋找核心反應(yīng)，了解如何控制反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)純堿的制備，不僅為后續(xù)設(shè)計(jì)模擬制備純堿方案提供理論指導(dǎo)，并且可以學(xué)習(xí)侯德榜先生敢于創(chuàng)新、不斷進(jìn)取的科學(xué)態(tài)度。侯德榜先生將制堿法的原理分享給了全世界，這種無(wú)私的精神，更值得贊揚(yáng)，在這個(gè)過(guò)程中不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的民族自信，也發(fā)展了學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的核心素養(yǎng)。

2.設(shè)計(jì)方案，模擬實(shí)驗(yàn)室制備純堿

依據(jù)侯德榜制堿法的反應(yīng)原理及物質(zhì)間轉(zhuǎn)化關(guān)系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，引導(dǎo)學(xué)生找到可以利用NH4HCO3作為NH3和CO2的替代反應(yīng)物，從而在實(shí)驗(yàn)室中可以制備N(xiāo)aHCO3。反應(yīng)方程式為

再將NaHCO3灼燒得到Na2CO3。

其次，確定實(shí)驗(yàn)室制備N(xiāo)aHCO3的反應(yīng)條件。

制備N(xiāo)aHCO3的反應(yīng)為液相反應(yīng)，因此，影響該反應(yīng)的因素主要為溫度和反應(yīng)物濃度。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)反應(yīng)物的濃度和反應(yīng)的溫度進(jìn)行思考：要保證Na+和HCO在溶液中達(dá)到飽和才會(huì)析出NaHCO3固體，為了促進(jìn)碳酸氫鈉沉淀的析出，就需要促進(jìn)平衡向生成沉淀的方向移動(dòng)，設(shè)法增大Na+和HCO的濃度，可以選擇飽和氯化鈉溶液作為反應(yīng)物，再依據(jù)化學(xué)方程式的定量關(guān)系確定所加碳酸氫銨的質(zhì)量。通過(guò)降溫可使溶解度減小，但溫度過(guò)低，又會(huì)使碳酸氫銨等析出，溫度過(guò)高，反應(yīng)物NH4HCO3會(huì)受熱分解，因此，需要選擇合適的溫度。從表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，NH4HCO3在40 ℃就已經(jīng)分解，所以反應(yīng)溫度不能高于40 ℃，實(shí)際上35 ℃就已經(jīng)分解，那么溫度低一些好不好呢？溫度低，反應(yīng)物溶解度小，導(dǎo)致反應(yīng)物的濃度減小，也不利于碳酸氫鈉的析出。在實(shí)際情境中，要考慮溫度和濃度對(duì)反應(yīng)的影響。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，最后確定反應(yīng)溫度為30～35 ℃。

表1 NaCl、NaHCO3、NH4HCO3、NH4Cl四種鹽在不同溫度下的溶解度

最終確定模擬侯氏制堿法的實(shí)驗(yàn)流程及操作如下：

實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2 模擬侯氏制堿法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖

①稱量8.5 g NH4HCO3置于50 mL 燒杯中，加入20 mL 水進(jìn)行初步溶解，將燒杯在30 ℃水浴中加熱2 min，使固體充分溶解。

②另取20 mL飽和NaCl 溶液，置于小燒杯中，在30 ℃的水浴中加熱。

③待溫度恒定后，將NH4HCO3溶液緩慢加至飽和NaCl 溶液中，控制水浴溫度為30～35 ℃，NH4HCO3溶液全部加完后，在該溫度下不斷攪拌約10 min，然后從水浴中取出燒杯，慢慢攪拌一段時(shí)間后靜置。

④將靜置后的燒杯中的溶液及固體進(jìn)行抽濾。

⑤將抽濾后所得固體轉(zhuǎn)入到蒸發(fā)皿中，小火烘干，再將固體移入坩堝，用玻璃棒輕輕攪拌，加熱30 min，冷卻至室溫，稱重。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)原料的選擇、試劑用量的選擇、溫度的選擇以及制備過(guò)程中的操作細(xì)節(jié)等實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室模擬，從實(shí)驗(yàn)原理到實(shí)際操作的過(guò)渡和轉(zhuǎn)化，體會(huì)了侯氏制堿法的產(chǎn)生過(guò)程，不僅加深了對(duì)侯氏制堿法原理層面的認(rèn)識(shí)，更親歷了如何從一個(gè)實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，尋找實(shí)驗(yàn)原理，確定反應(yīng)條件，選擇實(shí)驗(yàn)裝置的探究過(guò)程，發(fā)展了科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的核心素養(yǎng)，并在真實(shí)任務(wù)情境中建構(gòu)了進(jìn)行物質(zhì)制備與分離提純的一般思維模型。

3.定性分析產(chǎn)品成分，定量測(cè)定各成分的含量

產(chǎn)品中碳酸鈉的含量是多少呢？教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生確定定量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方案。

定性分析：首先引導(dǎo)學(xué)生分析所制得樣品的主要成分，從反應(yīng)原理來(lái)看，產(chǎn)品中可能存在的雜質(zhì)為NH4HCO3、NaHCO3、NaCl、NH4Cl。但由于銨鹽受熱易分解，雜質(zhì)可能為NaHCO3與NaCl。若取少量樣品加水溶解，再向其中加入足量稀HNO3酸化的AgNO3溶液，出現(xiàn)白色沉淀，就可判定反應(yīng)后的產(chǎn)物中含有NaCl，進(jìn)而可確定所制得的樣品中可能存在的物質(zhì)為：Na2CO3、NaHCO3、NaCl。

定量測(cè)定：測(cè)定樣品中Na2CO3、NaHCO3、NaCl 的含量。碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng)為兩步反應(yīng)：

若樣品中含有碳酸鈉，則用鹽酸滴定樣品時(shí)，記錄第一階段所用鹽酸體積為V1，將所用鹽酸的濃度與體積V1代入方程式Na2CO3+HCl==NaHCO3+NaCl 中進(jìn)行計(jì)算，就可以得出樣品中Na2CO3的含量，計(jì)算公式為ω（Na2CO3）=c（HCl）×M（Na2CO3）×V1/m；第二階段參與反應(yīng)的NaHCO3有原樣品中灼燒未完全轉(zhuǎn)化的NaHCO3，也有與Na2CO3反應(yīng)新生成的NaHCO3，記錄第二階段消耗的鹽酸體積為V2，將所用鹽酸的濃度與體積V2-V1代入方程式NaHCO3+HCl==NaCl+H2O+CO2↑進(jìn)行計(jì)算，就可以得出樣品中NaHCO3的含量，計(jì)算公式為ω（NaHCO3）=c（HCl）×M（NaHCO3）×（V2-V1）/m。滴定過(guò)程中，第一階段選擇的指示劑為酚酞，滴定終點(diǎn)現(xiàn)象為溶液由紅色變?yōu)榉奂t色，且半分鐘不變色；第二階段選擇的指示劑為甲基橙，滴定終點(diǎn)現(xiàn)象為溶液由黃色變?yōu)槌壬野敕昼姴蛔兩?，所采用的鹽酸濃度均為0.2 mol/L，樣品質(zhì)量為1 g。最終測(cè)定結(jié)果為，樣品中Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.2%，NaHCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.3%，NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.5%。其中一組同學(xué)的三次平行實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 某小組同學(xué)所測(cè)定的純堿樣品中Na2CO3與NaHCO3含量

在定性分析成分與定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)師生、生生互動(dòng)討論，展示思維過(guò)程，不僅遷移應(yīng)用了Na2CO3、NaHCO3與酸反應(yīng)的性質(zhì)，更進(jìn)一步建立了在利用滴定法測(cè)定組分含量的實(shí)驗(yàn)中，如何選擇恰當(dāng)指示劑的思維模型。在運(yùn)用此模型解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，發(fā)展了學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

三、反思與總結(jié)

在本項(xiàng)目學(xué)習(xí)完成后，各小組同學(xué)進(jìn)行了班級(jí)交流與匯報(bào)，與其他同學(xué)分享了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自己的收獲、反思及啟發(fā)。學(xué)生在一個(gè)真實(shí)任務(wù)的引領(lǐng)下，進(jìn)行查找資料、設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)探究、小組合作、班級(jí)交流等工作；教師及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)學(xué)習(xí)過(guò)程中的得失，指導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)視角出發(fā)，在真實(shí)情境中尋找解決問(wèn)題的方法。項(xiàng)目任務(wù)和化學(xué)核心知識(shí)相互結(jié)合、相互支撐，學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)習(xí)了化學(xué)學(xué)科核心知識(shí)，落實(shí)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。