項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐研究

摘" "要：在候氏制堿法這個(gè)真實(shí)情境中，利用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐并探究，在解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，構(gòu)建項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模板。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；候氏制堿法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1" 候氏制堿法項(xiàng)目式學(xué)習(xí)背景

純堿是重要的基礎(chǔ)化工原料，其產(chǎn)量和消費(fèi)量通常作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。純堿在工業(yè)、食品方面都有廣泛的應(yīng)用，我國(guó)對(duì)純堿的需求量大，因此，學(xué)習(xí)如何制備純堿對(duì)高中學(xué)生而言是十分必需且重要的知識(shí)與技能。索爾維制堿法和候氏制堿法是歷史上最突出的兩大制堿法，而候氏制堿法是中華民族的驕傲，它承載著弘揚(yáng)民族自信、進(jìn)行愛(ài)國(guó)主義教育的育人價(jià)值。我校的高中學(xué)生選用的是蘇教版的教材，候氏制堿法作為教學(xué)素材出現(xiàn)在必修第一冊(cè)（2019年）P37“科學(xué)史話”中，學(xué)生沒(méi)有進(jìn)行全面系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，對(duì)候氏制堿法一知半解，在高考一輪復(fù)習(xí)的前期，該項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是對(duì)學(xué)生知識(shí)的補(bǔ)充與拓展，也是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要載體。

2" 候氏制堿法項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)

2.1" 宣講歷史背景，引出項(xiàng)目主題

純堿的產(chǎn)量對(duì)于一個(gè)國(guó)家的化工生產(chǎn)至關(guān)重要，但在第一次世界大戰(zhàn)后，中國(guó)進(jìn)口純堿的道路被封鎖。侯德榜先生帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)索爾維制堿法進(jìn)行深入研究，不僅摸索出了索爾維制堿法的各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)出中國(guó)本土的“紅三角”牌純堿，還發(fā)明了候氏制堿法（聯(lián)合制堿法），開(kāi)創(chuàng)了世界制堿工業(yè)的新紀(jì)元。侯德榜先生于1953年7月獲得中國(guó)工商行政管理局頒發(fā)的中國(guó)第一號(hào)發(fā)明證書(shū)，發(fā)明項(xiàng)目是候氏制堿法。假如現(xiàn)在你也是國(guó)家化工生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)中的一員，要如何為國(guó)家制備出高品質(zhì)的純堿呢？讓我們一起跟著侯德榜先生的足跡，探密候氏制堿法的發(fā)明歷程。

2.2" 追溯研究歷程，析解項(xiàng)目流程

要制備純堿首先要解決原料問(wèn)題，純堿是由Na+和CO32-構(gòu)成，Na+ 可由較廉價(jià)的NaCl提供，CO32- 可來(lái)自于碳酸鹽、碳酸氫鹽、CO2等。在這些原料中較經(jīng)濟(jì)的是石灰石，石灰石難溶于水，其中的CO32- 沒(méi)辦法直接與Na+ 結(jié)合，可先與酸反應(yīng)制得CO2，再將CO2與堿反應(yīng)制成CO32-加以利用。原料的大致方向有了，要怎樣才能高效又經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品呢？侯德榜先生帶領(lǐng)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的思索與研究，成百上千次的實(shí)驗(yàn)，終于成功將制堿工業(yè)與合成氨廠聯(lián)合起來(lái)，主要原料NH3和CO2由合成氨工業(yè)提供、過(guò)程中生成的CO2可循環(huán)使用，制堿的生產(chǎn)成本降低；不生成無(wú)用的CaCl2而是生成可作氮肥的NH4Cl，食鹽利用率提高了，可高達(dá)96%，完全克服了索爾維制堿法的缺點(diǎn)，得出了完善的可用于實(shí)際生產(chǎn)的工藝流程（如圖1）。

2.3" 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，復(fù)刻項(xiàng)目主反應(yīng)

走一走侯德榜團(tuán)隊(duì)走過(guò)的路，也讓學(xué)生親身經(jīng)歷制堿的不易與艱辛，筆者帶著學(xué)生一起在實(shí)驗(yàn)室復(fù)刻候氏制堿法的主反應(yīng)NaCl + CO2 + H2O + NH3 NaHCO3↓+ NH4Cl。候氏制堿法的主要原料是NaCl、NH3和CO2，為了得到更多的產(chǎn)品，這三者的濃度都要盡量大，學(xué)生最初的想法（方案一）是：往飽和食鹽水中同時(shí)通入NH3和CO2。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果用NH4Cl和Ca（OH）2固體制備NH3，因?yàn)榧尤敕磻?yīng)器中固體的量不能太多，制備出NH3的量十分有限，沒(méi)辦法較長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)通入NH3；后改用加熱濃氨水制NH3，可通過(guò)分液漏斗往反應(yīng)器中不斷添加濃氨水，制備出NH3的量可以較多，但NH3和CO2兩種氣體的流速較難控制基本一樣。有學(xué)生對(duì)氨氣的使用提出了自己的看法：加熱濃氨水產(chǎn)生NH3，再把NH3通入飽和食鹽水，是否可以直接往濃氨水中加入食鹽？于是就有了方案二：先配制濃氨水的飽和食鹽溶液，再持續(xù)通入CO2氣體。相比于方案一，操作更簡(jiǎn)便了，但還是沒(méi)能成功制備出NaHCO3沉淀，是因?yàn)榉磻?yīng)失敗了？還是通入CO2氣體的量還不夠？因?yàn)樵摲磻?yīng)沒(méi)有明顯現(xiàn)象而無(wú)法準(zhǔn)確判斷，怎樣才能讓反應(yīng)進(jìn)程外顯出來(lái)呢？大家討論之后提出了方案三：在濃氨水的飽和食鹽溶液中加入酚酞，再持續(xù)通入CO2氣體。在通入CO2氣體的過(guò)程中，溶液顏色由紅色慢慢變淺至完全褪色，溶液顏色基本褪去時(shí)有少量固體物質(zhì)生成，量很少。要怎樣才能得到更多的NaHCO3沉淀？學(xué)生都知道，NaHCO3的溶解度隨溫度升高而增大，要從溶液中析出更多的固體，可適當(dāng)降低溫度。這樣就有了方案四，也是最后得出的較為成功的實(shí)驗(yàn)方案：取10 mL濃氨水（購(gòu)買(mǎi)的）于大試管中，加入食鹽固體溶解至飽和，滴入酚酞以便觀察反應(yīng)的進(jìn)程，并將反應(yīng)裝置置于冰水浴中，再連續(xù)不斷地通入CO2氣體。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果見(jiàn)圖2。

保持CO2氣體流速適中，連續(xù)不斷通入CO2氣體3 h左右，溶液的紅色逐漸變淺至完全褪去。溶液褪色時(shí)有些許渾濁，再連續(xù)不斷通入CO2氣體1.5 h左右，試管底部沉積出的固體逐漸增多，當(dāng)固體的體積大約與飽和食鹽濃氨水的體積相近時(shí)，固體的量不再增多，停止實(shí)驗(yàn)。

2.4" 深入探索學(xué)習(xí)，解讀項(xiàng)目原理

為了讓學(xué)生更深入學(xué)習(xí)候氏制堿法的原理，領(lǐng)會(huì)其中的精髓與奧秘所在，筆者提出了以下問(wèn)題與學(xué)生一起解決。

2.4.1" 本實(shí)驗(yàn)中生成的沉淀都有哪些成分？如何檢驗(yàn)？

學(xué)生先提出猜想（理論分析）：溶液中的成分有NaCl、NH3·H2O、H2O，隨著CO2氣體的通入NH3·H2O發(fā)生反應(yīng)生成（NH4）2CO3、NH4HCO3，溶液中存在的主要離子有Cl-、Na+、NH4+、CO32-、HCO3-，得到的沉淀可能是NaCl、Na2CO3、NaHCO3、NH4Cl、（NH4）2CO3、NH4HCO3等。再設(shè)計(jì)方案分別檢驗(yàn)Na+、NH4+、Cl-、CO32-、HCO3- 來(lái)判斷沉淀的成分。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有CO32-幾乎沒(méi)有，再結(jié)合這幾種物質(zhì)的溶解性表，判斷沉淀的主要成分是NaHCO3，還有少量的NH4Cl。

2.4.2" 候氏制堿法是怎樣將NaHCO3和NH4Cl這兩種物質(zhì)分開(kāi)生產(chǎn)的？

學(xué)生認(rèn)真對(duì)照候氏制堿法的流程與上述實(shí)驗(yàn)室的復(fù)刻實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了其中的不同點(diǎn)：候氏制堿法是在常溫下，飽和食鹽水吸氨和碳酸化之后就將沉淀過(guò)濾出來(lái)，常溫（20 ℃）下NaHCO3和NH4Cl的溶解度分別是9.6 g、37.2 g，差別較大，析出的沉淀基本上是NaHCO3。過(guò)濾出NaHCO3后，再將過(guò)濾液（母液I）吸氨、降溫冷析，得到NH4Cl固體，不同于實(shí)驗(yàn)室將反應(yīng)和降溫一起進(jìn)行。

還有，NaHCO3可溶于水，為什么能得到NaHCO3沉淀？候氏制堿法為什么不直接制得Na2CO3沉淀而是先制得NaHCO3？為什么要先制得飽和食鹽濃氨鹽水，再通入二氧化碳？在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溶液中微粒的種類、數(shù)量如何變化？原因是什么？在本實(shí)驗(yàn)中，采用了哪些方法和措施來(lái)提高生成沉淀的量？實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)流程中“吸氨”“冷析”“鹽析”過(guò)程的具體目的是什么？母液I、母液II的主要成分是什么？與索爾維制堿法相比，候氏制堿法的創(chuàng)新之處有哪些？

學(xué)生要回答這些問(wèn)題，就必需反反復(fù)復(fù)地把候氏制堿法生產(chǎn)工藝流程的每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)反應(yīng)、每一種溶液都細(xì)細(xì)推敲、仔細(xì)琢磨。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，分析問(wèn)題的能力、邏輯思維能力都得到提升，宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想等核心素養(yǎng)得以培養(yǎng)。

3" 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模板構(gòu)建

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)指的是在真實(shí)的情境中，利用驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐并探究，在解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生核心知識(shí)和學(xué)習(xí)素養(yǎng)[ 1 ]。圍繞著候氏制堿這個(gè)真實(shí)情境進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，學(xué)生知道了如何根據(jù)純堿的成分選擇原料，明確了選取原料的思考方向，工業(yè)選取原料還需關(guān)注經(jīng)濟(jì)成本、來(lái)源難易、利用率、運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題；原料選定之后就是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，每個(gè)人的想法不同，設(shè)計(jì)方案也可以多種多樣。學(xué)生學(xué)習(xí)了如何從眾多的想法中提煉出具體實(shí)驗(yàn)方案，如何進(jìn)行方案可行性的驗(yàn)證，再設(shè)計(jì)分析、再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后得出最優(yōu)方案進(jìn)行制備。經(jīng)歷整個(gè)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程之后，學(xué)生明確了制備物質(zhì)的項(xiàng)目流程，構(gòu)建了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模板，大致知道了怎樣做項(xiàng)目。

4" 結(jié)語(yǔ)

沒(méi)有人能隨隨便便成功，成功的背后往往都有著無(wú)數(shù)的努力與堅(jiān)持，更有著對(duì)自己正在進(jìn)行的事情的熱愛(ài)，熱愛(ài)是動(dòng)力源泉，只要熱愛(ài)就可以全身心投入。在復(fù)刻候氏制堿法主反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生們經(jīng)歷了多次的失敗，但都沒(méi)有放棄，而是不斷分析總結(jié)失敗的原因，與教師一起探討，再實(shí)驗(yàn)、再改進(jìn)、再實(shí)驗(yàn)、再改進(jìn)，最后得出了較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案，成功制備出NaHCO3，進(jìn)而制備出純堿。同學(xué)們的努力與堅(jiān)持有很大一部分來(lái)源于對(duì)侯德榜先生尊敬與崇拜，更來(lái)源于身為一個(gè)中國(guó)人的民族自豪感，以及對(duì)祖國(guó)的熱愛(ài)。學(xué)習(xí)是如此，化學(xué)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)生產(chǎn)亦是如此。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳小琴. 指向深度學(xué)習(xí)的高中物理教學(xué)研究與實(shí)踐：以“探究安培力的方向”為例[J].中學(xué)理科園地，2022（5）：19-21.