基于化工發(fā)展史的教學設計

駱燕波 王建軍

摘要：將純堿工業(yè)發(fā)展史的幾個不同階段的原理及方法進行對比、歸納，挖掘其中蘊含的科學與人文內涵，從化工發(fā)展史的角度進行純堿工業(yè)的教學設計，加深學生對純堿工業(yè)的理解及其重要性認識，培養(yǎng)技術觀念與創(chuàng)造精神，發(fā)展化學學科素養(yǎng)。

關鍵詞：純堿工業(yè)；化工發(fā)展史；教學設計

文章編號：1008-0546（2023）12-0055-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.012

一、化工生產原理的演變歷程蘊含豐富的化學學科核心素養(yǎng)教育素材

基礎化工業(yè)的化工產品，是化學工業(yè)進一步制造、合成各種產品、材料的根基，如無機化工生產中的“三酸兩堿”、合成氨、電石、氯氣、焦炭等；有機化工生產中的塑料、化學纖維、農藥、日用化學品等?；A化工業(yè)隨著歷史的發(fā)展形成了非常系統(tǒng)的行業(yè)分類和行業(yè)標準，在工業(yè)生產、國民經濟中占有極為重要的比重。近年來，隨著國際地緣政治、經濟和環(huán)境的變化，基礎化工作為工業(yè)產業(yè)鏈中最重要的一個環(huán)節(jié)，它的價值再次受到關注重視。

基礎化工品的生產原理和方法，是化學科學最基本原理的運用，容易被高中生理解和接受，這些原理和方法在社會發(fā)展的不同階段更新演變，蘊含豐富的人文、學科知識和技術思想。如硫酸工業(yè)中硫酸的工業(yè)制備方法經歷了熱分解法、硝化法和接觸法三個重要階段；氯堿工業(yè)經歷了苛化法、立式電解槽法、離子交換膜法三個階段。這些基礎化工品生產原理的演變進程中，大量化學反應原理發(fā)生更迭，很多技術和工藝出現(xiàn)了變革，化學學科核心素養(yǎng)在這些化工實際應用變革中有著生動的體現(xiàn)。在這些生產工藝革新的過程中，科學家和技術人員表現(xiàn)的科學探究精神、創(chuàng)新意識，是化學學科教學中最好的精神教育和價值教育素材，它更貼近生活、貼近生產，是生產中的化學史教育，易于在教學中整合、實施，被學生理解和接受。

二、純堿工業(yè)教材內容分析及教學設計構思

純堿的生產水平是近代衡量一個國家工業(yè)水平的標志之一，因為純堿是最基礎的化工原料，廣泛應用于玻璃、冶金、食品、醫(yī)藥等制造生產環(huán)節(jié)，近年來隨著新能源產業(yè)的發(fā)展，鋰離子電池生產過程中用到的原材料碳酸鋰的提純需要大量使用純堿，使純堿的產量需求又有了新的提高。

我國是純堿的生產和消費大國，自2003年以來我國的純堿產量一直位列世界第一，體現(xiàn)了我們國家作為制造業(yè)大國的特征。純堿制法是中學化學最重要的化工學習內容之一，現(xiàn)行人教版教材作為重要教學內容在兩處出現(xiàn)。第一次是出現(xiàn)在必修第一冊的“研究與實踐”欄目，明確給出了“了解純堿生產歷史”的主題，提出了具體研究目的、研究任務和討論要求。其中“研究任務”一欄要求了解路布蘭法、索爾維法、侯氏聯(lián)合制堿法的原理，要求比較后一種制堿法相比前一種的優(yōu)勢，思考侯氏制堿法的意義。第二次是出現(xiàn)在選修課程系列1“實驗化學”的第3個主題“化工生產過程模擬實驗”部分，純堿的制備在提供的參考實驗活動中，作為第一個化工生產研究對象出現(xiàn)。

純堿生產方法的歷史主要三個階段，特征顯著，脈絡清晰，在教學中易于整合，其中包含了很多技術原理及技術思想，侯氏制堿法在化學史的教學中更有著其突出的地位。基于純堿工業(yè)在教材和工業(yè)生產中的特殊地位，也是結合現(xiàn)行普通高中化學課程標準要求，“結合人類探索物質及其變化的歷史與科學發(fā)展趨勢，引導學生進一步學習化學的基本原理和方法，形成化學學科的核心觀念”。合理地在教學中將純堿工業(yè)的化工發(fā)展史加以糅合，可以更深入地使學生了解學科知識、科學方法，培養(yǎng)技術素養(yǎng)和創(chuàng)造精神，在教學中融入科學態(tài)度和社會責任的教育，體現(xiàn)化學學習更高層次的價值追求。

三、基于化工發(fā)展史的教學設計與實施——純堿工業(yè)

1.課前閱讀材料準備

以“你所不知道的純堿工業(yè)發(fā)展史”為題準備一份閱讀材料。以三位著名學者的人名命名的三個重要純堿化工生產方法，代表了純堿生產的三個不同歷史階段，初中階段學生對我國科學家侯德榜有所了解，但路布蘭和索爾維這兩位科學家對純堿制造的貢獻，學生知之甚少，特別是三位科學家的人生歷史，有很好的教育意義和可讀價值。這份資料從三位科學家的生平、學習經歷、研究制堿歷程等幾個主要方面編寫，從文史角度突出可讀性和趣味性，相對詳細，讓學生課前閱讀，通過生動的歷史素材，激發(fā)學生的求知欲望和學習熱情，為提升知識認知和情感認知留下伏筆。

2.教學重點與難點

從純堿工業(yè)發(fā)展史的角度學習純堿的制備，重點在于把握制堿原理，通過對三個歷史不同階段的原理的認識，找到各自的優(yōu)缺點。難點在于如何將三個不同階段的制堿方法的歷史沿革原因鮮活地加以呈現(xiàn)，使學生在真實的歷史背景下深刻理解化學原理的應用、變化和發(fā)展，深入感知化學科學和社會、環(huán)境之間的關系。

3.教學過程

【引入】純堿在我國有悠久的使用歷史，最早期利用的大多是天然堿，利用的主要成分就是碳酸鈉?！侗静菥V目》中曾記載古人以天然堿“浣衣發(fā)面”。但隨著人口增長和近代紡織、玻璃、造紙工業(yè)發(fā)展的需要，純堿的需求量大幅增長，而天然堿質低量少，已遠不能滿足需要，進入工業(yè)化生產勢在必行。

路布蘭是一名法國醫(yī)生，他發(fā)明的路布蘭制堿法是較早的用于大規(guī)模生產純堿的方法之一，大家可參閱課前閱讀資料，了解歷史背景。

【投影】路布蘭制堿法的主要反應原理。

【設問】根據反應原理，請同學們觀察思考反應的特點，在實際生產中會面臨哪些困難和問題？

【引導學生討論得出】路布蘭制堿法的主要缺點：

（1）反應都需在較高溫度下進行，能耗高；

（2）反應多涉及固相反應，難充分反應和連續(xù)生產，原料利用率低，產品分離較復雜；

（3）過程中用到濃硫酸，成本高，設備腐蝕和污染嚴重，有廢棄物。

【總結】客觀評價路布蘭制堿法：從現(xiàn)在的角度來看有很多不足，但在當時作為主流制堿法，很大程度上提高了制堿的效率和產量，存在了近一個世紀，在當時有著它的合理和獨到之處。

【過渡】19世紀中期，隨著煤化工的發(fā)展，在煉焦的尾氣中獲取了較多的氨氣，有企業(yè)家發(fā)現(xiàn)溶有氨氣的飽和食鹽水通入二氧化碳后能產生沉淀碳酸氫鈉。

【解決問題】給出氯化鈉、氯化銨、碳酸氫銨、碳酸氫鈉溶解度（如表1所示），提出問題進行分析：

①為什么在氯化鈉的飽和溶液中通入氨氣和二氧化碳能析出碳酸氫鈉？

②已知20℃氯化鈉和碳酸氫銨飽和溶液的密度分別為1.20 g · mL-1、1.10 g · mL-1，試分析，若用兩種飽和溶液混合產生碳酸氫鈉沉淀最多，兩種溶液的最佳體積比約為多少？（分析討論計算方法，約12∶5）。

【思考】最早發(fā)現(xiàn)這一原理的企業(yè)試圖用于工業(yè)生產都失敗了。讓同學們思考當時工業(yè)生產失敗的可能原因。

【討論后總結】列舉幾個失敗的主要原因：19世紀初，化學科學尚處于發(fā)展的初級階段，缺少必要的理論指導和數據分析依據；CO2通入飽和食鹽水的氨溶液中，會使氨氣大量揮發(fā)，導致碳酸氫鈉產率很低，工藝上缺乏支持；當時路布蘭制堿法作為主流技術，已非常成熟，沒人愿意做吃力不討好的事，不敢改變，難以創(chuàng)新。

【過渡】這時候，被歷史賦予使命的索爾維來了，引出索爾維的制堿故事（如圖1所示）。

【討論后總結】介紹索爾維通過不斷努力將氨堿法從理論終于走向工業(yè)生產的過程。展示索爾維塔（見圖2）的技術原理。強調化學原理的應用必須要有一定的工藝技術支撐，否則，再好的理論也會沒有應用價值，只能停留在紙面上。

【講述】圖3是索爾維法的簡易流程圖。大家根據該圖思考索爾維法涉及的化學反應，并與路布蘭法進行優(yōu)缺點比較。

【總結】相比路布蘭法，索爾維制堿法的優(yōu)缺點：

（1）避免了較多的高溫反應，降低了能耗；

（2）氨氣、二氧化碳可循環(huán)使用，大大節(jié)約了成本。

（3）缺點是氯化鈉會浪費，原料利用率不高，仍有廢棄物產生。

【講述】索爾維法制造的純堿質量好，價格低，很快取代了路布蘭制堿法，占據了全球的大部分純堿市場，包括當時正努力發(fā)展工業(yè)社會制造的中國，純堿在當時被稱作“洋堿”，進口比例最高時占了我國純堿市場的80%。資本為了獲得更大的商業(yè)利潤，一直對制堿法的工藝給予嚴格保密。大家可參閱下發(fā)的閱讀材料。

【過渡】在20世紀初復雜的國內、國際環(huán)境下，當時的愛國實業(yè)家范旭東聯(lián)合侯德榜在天津成立了永利制堿公司，艱苦創(chuàng)業(yè)，終于克服了工藝上的困難，破解了索爾維法，1926年6月成功生產出了中國自己的質優(yōu)價廉的純堿，很快將進口堿的比例縮小到不到40%，并出口到了日本。1928年侯德榜將近年潛心研制的制堿方法和技術，用英文寫成了《Manufacture of Soda》巨著，公布于世，贏得了國際社會的廣泛贊譽。

但真正的侯氏制堿法此刻還沒到來，有誰從之前發(fā)放的閱讀資料里讀到了，是什么主要原因讓侯德榜重新研究，探索出了最終的聯(lián)合制堿法？

【講述】侯氏制堿法是由于當年的抗日戰(zhàn)爭，迫使永利制堿廠遷到了四川，而內地缺少食鹽且價貴，索爾維法制堿法中食鹽利用率又不高，促使當時侯德榜決心改進索爾維法。他先后一共做了500多次實驗，分析了2000多個樣品，才摸清了新方法的工藝條件。

【投影】展示聯(lián)合制堿法流程圖（圖4），讓學生與索爾維法進行對比。

【設置問題】

（1）索法和聯(lián)合制堿法兩種制法的共同點是什么？（本質上都是氨堿法）。

（2）兩種制法的原料和產品有哪些區(qū)別？主要由什么因素決定的？（主要在氨氣的需求量上不同，其次是索法需要石灰石作為原料，而侯氏法不需要）。

（3）侯氏制堿法的優(yōu)點和缺點有哪些？

【討論后總結】侯氏制堿法的優(yōu)點與缺點。

（1）將原材料N2、水、煤（轉化為水煤氣，為氨廠供氫氣，為堿廠供 CO2）、食鹽中所有元素均轉化為產品Na2CO3和 NH4Cl，原子利用率極大提高（理論上是100%）；

（2）不必再用石灰石提供熟石灰，省去了石灰窯等輔助設備的投入；

（3）與合成氨廠巧妙聯(lián)合生產副產品氯化銨，制堿不再產生廢液、廢渣（CaCl2），同時也使合成氨的廢氣二氧化碳轉化為碳酸鈉，減少了排放。

【過渡】純堿工業(yè)發(fā)展的三個歷史時期以發(fā)明人名命名，凸顯了三位科學家對人類社會發(fā)展做出的重要貢獻，三種制堿方法的對比如表2所示。

【投影介紹】當前純堿的主要應用和不同地域純堿制備的主要路徑，客觀分析不同國家和地區(qū)選擇不同方法的原因（如圖5所示）。

（1）2003年以來我國的純堿產量至今一直位于世界第一，除自給外還有部分對外出口，早已告別了那個“洋堿”的年代。

（2）純堿的制法目前主要有天然堿法、氨堿法、聯(lián)堿法三種，2021年全球制堿三種方法的產量占比分別為35%、45%、20%。我們國家的比例是5%、49%、45%（見圖6）。

（3）純堿的消耗主要是玻璃、食品、醫(yī)藥、紡織等幾個主要行業(yè)，近年來光伏行業(yè)對玻璃的需求量大幅提升，電池行業(yè)提純碳酸鋰也要大量使用純堿。

【布置作業(yè)】

（1）查閱資料，編寫一份我國純堿目前產能現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢的調查報告。

（2）查閱資料，分析天然堿法制純堿的分離原理和市場情況。

四、教學反思

基于純堿化工發(fā)展史的教學設計，將涉及反應原理和流程方法在具體的歷史生產背景下去解讀，在真實的化工生產環(huán)境中進行綜合考慮和分析，可以使化學知識顯得更為生動，學生能更好地理解與資源、能源與環(huán)境等可持續(xù)發(fā)展密切相關的問題在化學中的具體應用，理解化學、技術、社會和環(huán)境之間的相互關系，認識化學對社會的重大貢獻。

純堿的化工發(fā)展史涉及較多的歷史材料和文字數據，實施教學時要在課前做好充分整合，以便在課堂上呈現(xiàn)時提高效率、展開討論。本設計力圖較翔實地對一些細節(jié)加以呈現(xiàn)，既是為了展示科學研究的真實性和復雜性，也是為了展示科學發(fā)展的故事性和趣味性，讓學生感受科學并不枯燥，站得更近、看得更清、學得更有趣。

參考文獻

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