基于化學學科本質理解的視角 融通教與育

洪清娟

摘要：通過合成氨生產的工藝條件科學研究發(fā)展史為線索，從普通高中化學課程標準（2017年版）出發(fā)，創(chuàng)設真實復雜的教學情境，基于化學學科本質理解的視角，深度挖掘合成氨生產的工藝條件選擇所蘊含的化學思想方法與學科價值，融入STEM教育，讓學生在逐步解決任務與問題過程中，學會多角度關聯(lián)看待物質變化、化工條件的選擇，感受理論與化工生產實際的區(qū)別，培養(yǎng)學生的工程思維，自主建構化學工藝條件優(yōu)化選擇的一般思維模型，融通教與育。

關鍵詞：化學學科本質理解;合成氨生產;工藝條件選擇

文章編號：1008-0546（2021）02-0043-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.01 1

化學學科本質形成蘊含于化學學科的形成與發(fā)展的歷史中。理解化學學科本質，要從化學學科價值、方法和知識三個視角去具體把握學科不同層面的本質內涵。通過對化學史的適當設計加工，讓學生親歷適合自己的研究，并生產出屬于自己的科學知識，有利于形成對科學本質正確的理解?；诖?，筆者以魯科版“合成氨的工藝條件選擇”為例，從理解化學學科本質的多維視角，進行融通教與育的實踐探索。

一、基于課程標準。確定合成氨工藝生產條件選擇的教學環(huán)節(jié)

基于學科理解與化學科學研究的本質出發(fā)，根據普通高中化學課程標準（2017年版），選擇合成氨這個蘊含“STSE”的情境，確定“合成氨的工藝條件選擇”的教學環(huán)節(jié)為“從理論上計算分析合成氨反應的可能性”“理解合成氨生產工藝條件的發(fā)展與優(yōu)化選擇”和“了解合成氨的工藝條件新的發(fā)展思路與方向”3個方面。旨在讓學生通過本節(jié)課的學習體驗，學會分析其他工業(yè)生產中類似條件的優(yōu)化與選擇;建立以下學科大觀念：化學反應的方向、自發(fā)與否，不能僅用實驗方法來摸索，而應先從理論上尋求客觀的判據，否則可能要付出極大的代價，甚至徒勞無功;通過“合成氨的工藝條件選擇”的學習從單元整體的角度把握教學，從宏觀到微觀，從定性到定量，從靜態(tài)到動態(tài)，從多角度、多層次對化學反應進行理論與實驗探討，使學生更深入地理解化學反應的過程和本質，并促進深層次地領悟實際生產中應該綜合考慮化學反應的方向、速率與限度的綜合影響，選擇以較高速率獲取適當轉化率的反應條件，動態(tài)地分析化學變化、調控化學反應，以解決簡單的實際問題，實現(xiàn)化學學科的社會價值。

二、基于化學學科本質的理解，確定合成氨生產條件選擇的學習任務

學生的未來發(fā)展是多元化的，化學教學的宗旨絕不僅僅讓學生牢記顯性的化學知識，也應該包括學習方式、思想方法、學科的情意價值和學科理念這類隱性知識，這些隱性知識卻能夠一直伴隨學生，受用一生?；诮處煂瘜W學科本質的理解，確定“合成氨工藝條件優(yōu)化選擇”顯性與隱性知識雙線融合交錯的學習設計。以化學史料為教學情境，在合成氨研究的史料中領悟科學精神和研究思路;創(chuàng)設知識的產生和應用的場景，在真實的問題解決過程中，幫助學生認識多維豐富的學科價值?！昂铣砂惫に嚄l件優(yōu)化選擇”學習的3個任務：一是運用價類二維圖從定性角度，利用核心元素轉化觀、氧化還原反應理論為指導，考慮和選擇銨態(tài)氮肥中氮元素的轉化路徑，發(fā)展分析推理等科學思維;二是以理論指導和定量計算為手段，根據298K下合成氨反應的熵變、焓變數據計算并判斷反應能否自發(fā)。利用化學平衡移動的知識，從轉化率與反應速率兩方面的影響因素，綜合分析并優(yōu)選合成氨的反應條件，促進變化觀念與平衡思想素養(yǎng)的形成，提升理解與辨析、分析與推測、歸納與論證等關鍵能力;三是運用化學工藝的綠色安全、科學經濟等技術思想與理念，在教師創(chuàng)設的真實工業(yè)生產實踐情境中，逐步理解完善合成氨的化學工藝生產條件，悄然融通教與育。既發(fā)展工程思維，建構解決化工生產工藝條件選擇、設計的一般思路和模型，從而認識化學科學與技術合理使用的重要性，又感受化學在自然資源和能源綜合利用方面的重要價值，科學態(tài)度與社會責任素養(yǎng)的形成就水到渠成。

三、教學過程

環(huán)節(jié)1從理論上計算分析合成氨反應的可能性

（資料卡1）1913年世界氮肥總產量為91.6萬噸，其中智利硝石（主要成分是NaNO3）為43.6萬噸，占世界氮肥總產量的47.6%。對歐洲來說，問題尤為突出。從1830年開始，歐洲的氮肥就以進口智利硝石為主。至1922年，每年硝石總產量的70%，都從智利銷往歐洲。但天然硝石的產量極其有限，因此，當年的化學家提出“向空氣要氮肥”的想法。

（教師）空氣中氮元素儲備豐富，氮氣的體積分數為78%，怎樣把氮氣轉化為農作物所需的氮肥呢？

（學習任務1）從定性角度，運用價類二維圖寫出轉化路線。學生設計了兩條轉化路線。

路線①：N2→NO→NO2→HNO3→硝酸鹽氮肥（氧化法）

路線②：N2→NH3→銨態(tài)氮肥（還原法）

（學生活動）分析討論得出氧化法和還原法兩種方案中更適合工業(yè)化生產的是還原法，判斷的依據是綠色化學理念，選擇低成本、高產率、污染小的方案。得出以下兩個結論：路線②步驟少，且路線①中間產物有NO、NO2有毒有污染的氣體產生;兩條路線轉化的相關反應條件高、決定能耗的步驟都是第一步。

（史料情境）20世紀初，有許多科學家對合成氨反應的可行性進行艱苦卓絕的相關研究，其中有重要影響的科學家及其相關研究簡述見表1。

（學習任務2）根據表1和資料卡2，以定量計算和化學平衡移動理論為手段，判斷兩個反應能否自發(fā)，并運用化學平衡移動原理分析合成氨反應的有利條件。

（學生活動）通過計算得出△H-T △S

環(huán)節(jié)2理解合成氨生產工藝條件的發(fā)展與優(yōu)化選擇

（教師）哈伯作為第一個從空氣中制造出氨的科學家，在實際生產中遇到了很多困難。

（史料情境）1904-1905年間，哈伯用陶瓷管作試驗，內充以鐵催化劑，測定出在常壓和高溫1020°C下，反應達到平衡時，氣體混合物中有0.012%（容積）的氨。

（學習任務3）從反應原理分析，哈伯的合成氨實驗出現(xiàn)高溫下反應產率低問題的原因并提出解決對策。

（資料卡3）實驗測得某條件下合成氨反應速率方程為：V=kc（N2）c^1.5（H2）c^-1（NH3）。

（學生活動）根據資料卡2和3，運用化學反應原理知識分析出：增大N2、H2的濃度均能加快對反應速率、且提高H2的濃度更有利;采取將氨從混合氣中分離可提高反應速率;推測有利于提高合成氨產率和速率的條件，完成表格2。

（資料卡4）實際生產中平衡時氨的含量與反應條件、投料比關系分別見圖1、圖2。

（學生活動）分析資料卡4的信息，歸納出：①氮氫比1：3進行投料后，對提高合成氨的產率與加快速率均有利的外界條件是高壓，但溫度的影響卻是相互沖突的。低溫有利于提高產率，但加快反應速率則是需要高溫，所以為了平衡兩者，必須選擇合適的反應溫度;②溫度壓強一定，氮氫體積比為1：2.8時，氨氣產率最高，這是實際生產中考慮決速步驟的影響，所以適當提高氮氣的比例與分壓，以利于提高氨氣產率。

（史料情境）哈伯團隊為了探尋較低溫度下的催化劑，從1904至1911年，先后進行了兩萬多次試驗。1908年秋，哈伯首次提出對氨合成氣進行再循環(huán)的主張;1910年5月，哈伯終于在實驗室取得了可喜的結果。他最初用鋨作催化劑，在175公斤/厘米²和550°C下，在出口氫氮混合氣中得到8%氨。以后又用鈾一碳化鈾為催化劑，在125公斤/厘米²，和500°C下得10%氨。至此，氨合成的可能性，終于得到實驗的證實。

（教師）哈伯使用“循環(huán)”概念的意義何在？如果要將哈伯的研究成果真正實現(xiàn)氨的工業(yè)化生產，還需解決哪些問題？

（學生活動）通過小組討論給出結論與思考：催化劑有選擇性，又易中毒，使用不當易失活，要注意適切的溫度和環(huán)境?？梢砸罁刂芷诒恚覍し€(wěn)定常見、價廉質優(yōu)、高效的催化劑來替代鈾或鋨;循環(huán)的意義在于符合綠色化學理念，充分利用能源與物質意識。根據合成氨是放熱的可逆反應，可以循環(huán)使用未反應的氣體，并采用熱交換器來預熱反應氣體和降低生成氣體的溫度，既充分合理利用熱能，又能加快反應速率、提高轉化率;理論上壓強越高越好，但高壓對使用的設備材料要求也高，應選擇怎樣的材料才能承受適當的高壓？

（資料卡4）①自然界中鋨的蘊藏量非常少，其價格相當昂貴，而且鋨易轉變成為易揮發(fā)性的氧化物。鈾具有比較好的催化功能，但鈾對氧氣和水非常敏感，其催化效果很容易喪失;②博施及助手先后試驗了2500種配方，進行了6500次實驗，終于確定了使用鐵觸媒作為工業(yè)合成氨的催化劑。并改良反應容器耐壓，給高強度碳素鋼圓筒加熟鐵內襯;在外層碳鋼上穿些細孔，讓氫氣逸出，解決碳鋼和氫氣高溫高壓直接接觸反應生成CH4的情況。

（教師）從資料卡4你得到什么啟示和感悟？對于化工生產工藝條件選擇、設計的一般思路你有什么新的認識？

（學生活動）從博施及助手找尋合適催化劑與改良反應容器耐壓性的過程中，感悟科研中具有創(chuàng)新思維和堅韌不拔精神的重要性;得出合成氨的關鍵在于實現(xiàn)溫度、壓強和催化劑之間的平衡的結論;形成研究一個化學反應要從定量的角度，通過理論計算、數據分析去把握反應可行性的意識;建立起在實際生產中，除了要考慮反應的方向和可行性外，還要注意從轉化率和反應速率等工藝條件綜合考慮的觀念。

環(huán)節(jié)3了解目前我國合成氨的生產條件和新的發(fā)展思路、方向（資料卡5）目前我國中型合成氨廠選擇的生產條件：溫度控制在460-550°C;催化劑采用鐵催化劑，并加入Al2Oa和K2O等助催化劑;壓強的選擇實際采用320atm左右。

現(xiàn)代工藝發(fā)展之一：最近有兩位希臘化學家發(fā)明在常壓下把氫氣和用氦稀釋的氮氣分別通入一個加熱到570°C的電解池中，氫和氮在電極上就合成了氨，而且轉化率達到78%。

現(xiàn)代工藝發(fā)展之二：利用生物燃料電池原理研究室溫下條件溫和氨的合成法，電池工作時MV²⁺/MV⁺在電極與酶之間傳遞電子。

現(xiàn)代工藝發(fā)展之三：2016年，中國科學院大連化學物理研究所的氫化物材料化學研究團隊提出了一種以堿（土）金屬亞氨基化合物為氮載體的低溫化學鏈合成氨技術，可在常壓和100℃的條件下實現(xiàn)氨的合成。在250℃下，該過程的產氨速率約大于高活性Cs-Ru/MgO催化過程一個數量級。這是近年來合成氨反應研究中的重要突破，為發(fā)展節(jié)能的催化劑提供了新的思路。

本環(huán)節(jié)通過介紹近年來國內外合成氨的新技術、新方向，展示目前合成氨工業(yè)往節(jié)能減排，高效溫和的反應條件取得的研究成果和現(xiàn)實意義，讓學生展望合成氨的發(fā)展前景，體會化學對人類經濟與社會發(fā)展的促進作用，彰顯學科隱形知識的情意價值。

四、教學反思

1.通過合成氨工業(yè)生產條件的項目學習，感悟模型建構過程能依據物質及其變化的信息建構模型，建立解決化學生產工藝優(yōu)化的思維模型，理論計算一初步設置預測選擇一真實生產條件一完善修正，并學會進行遠遷移運用，如意識到那些與合成氨反應特征相似的合成反應，應該與合成氨工業(yè)生產有著相似的條件選擇如合成甲醇、合成人造汽油、合成聚乙烯等提供模型指導。學生在模型的理解、建構與應用過程中逐步形成化學學科科學推理論證、處理轉化數據、歸納總結規(guī)律等關鍵能力。

2.通過合成氨工業(yè)生產條件的學習，培育工程思維。目前合成氨消耗的能源占地球總耗能的1%，如何降低能耗，提高轉化率和產率一直是化學工作者研究方向和課題。合成氨工藝優(yōu)化條件選擇的學習，不僅從理論上分析選擇的生產條件的原因，在實施的過程還會涉及一系列具體的細節(jié)問題（如與容器材料的耐壓性能、物質的傳熱性、催化劑的性能與來源價格等問題），這就體現(xiàn)在真實的工藝流程設計與生產實施和理論分析的區(qū)別與聯(lián)系。通過合成氨工業(yè)生產條件的選擇，學生體會真實復雜的化工生產應該在理論分析的基礎上，秉承綠色化學和可持續(xù)性發(fā)展的理念，在生產安全、節(jié)能減耗的前提下，優(yōu)化工藝生產條件、盡可能地提高產率，在解決問題的過程中逐步形成工程思維。

3.以化學史料情境教學主線有利實現(xiàn)知識的發(fā)展。向學生展現(xiàn)科學研究的過程，讓學生領悟科學家研究化學反應與調控優(yōu)化化工條件的思維方法以及百折不撓、勇于探索和批判創(chuàng)新的科學精神。知識的發(fā)展、應用和情境緊密聯(lián)系在一起，知識的獲取最好還原到知識建立的情境中去，同時再應用到具體的情境中才能實現(xiàn)知識的發(fā)展，否則知識就是僵化的知識不能再發(fā)展，也不能實現(xiàn)其價值。合成氨生產條件的優(yōu)化研究過程等化學史就是知識建立過程的最真實的情境，學生在這樣的情境中獲取的知識更加鮮活而生動。加深對化學反應原理的有關化學反應方向、速率與限度的理解與運用，才能更深刻的體會到科學研究的不易與艱辛，感悟化學學科的社會價值。