基于情境脈絡(luò)培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)
——以“鎂的提取及應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計為例

李康峰

(浙江省瑞安中學(xué) 325200)

1 教材分析

“鎂的提取及應(yīng)用”是化學(xué)1 (蘇教版) 中專題2“從海水中獲得的化學(xué)物質(zhì)”中的一部分教學(xué)內(nèi)容.本專題開宗明義地提出了學(xué)習(xí)重點(diǎn)是如何從海水中獲取人類需要的物質(zhì)，教材通過介紹海水中碘、溴和鎂的工業(yè)提取方法，將物質(zhì)的提取與性質(zhì)融合在一起.本節(jié)課的學(xué)習(xí)是對金屬冶煉方法及性質(zhì)學(xué)習(xí)的延伸和發(fā)展.

2 教學(xué)過程

2.1 創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境

視頻引入青海察爾汗鹽湖“鎂害”現(xiàn)象，展示圖1所示圖片.

圖1

習(xí)近平主席在考察鹽湖情況時特別強(qiáng)調(diào)“鎂害”治理問題.

報道中指出：察爾汗鹽湖公司在生成大量鉀肥的過程中有10倍于鉀鹽的鎂鹽排出，長期暴露空氣中水分蒸發(fā)后形成晶體堆積.截止2008年青海鉀肥廠排出的鹵水中氯化鎂含量達(dá)300多萬噸.這在當(dāng)?shù)卦斐闪藰O大的環(huán)境問題——鎂害.

2.2 學(xué)習(xí)任務(wù)1——“鎂害”變“鎂利”

[設(shè)疑]鎂害問題如此嚴(yán)重，對當(dāng)?shù)氐纳瞽h(huán)境造成極大的影響，是否有解決方法？

[學(xué)生]可以將鎂害進(jìn)行提煉制成單質(zhì)鎂

[教師]展示老鹵的主要成分表格(見表1)，如果要將鎂害變成單質(zhì)鎂，需要經(jīng)歷哪些過程？請同學(xué)們小組討論后進(jìn)行路線設(shè)計.

表1

[學(xué)生1]需要對老鹵進(jìn)行分離提純，制得純的氯化鎂，然后電解氯化鎂得到單質(zhì)鎂.

[學(xué)生2]往鹵水中加堿產(chǎn)生氫氧化鎂沉淀，分離后灼燒成MgO，再通入還原性氣體，比如CO或者H2，不是也能得到鎂單質(zhì).

[學(xué)生3]鎂單質(zhì)非?；顫?，應(yīng)該不能被還原吧.就像金屬鈉制備也只能用電解法.

[教師]活潑的金屬冶煉一般都選用電解法，還原法也是可以的，但是需要一定的條件.比如二戰(zhàn)時期也曾使用木碳、金屬鉀高溫還原氧化鎂得到鎂單質(zhì)，但是存在很多的不利因素最終被淘汰.目前世界各國金屬鎂冶煉工業(yè)中比較成熟的煉鎂方法大致可分為兩大類: 一類是熔鹽電解法(約80%)，另外一類是硅熱法(約20%). 無論哪種方法，均需要獲得純凈的MgCl2固體.

[教師]分離提純的步驟如何操作？

[學(xué)生1]將鎂害用水溶解后加入氫氧化鈉溶液，過濾得到氫氧化鎂沉淀.再加入鹽酸就可以得到氯化鎂了.

[學(xué)生2]還不行，這時候是氯化鎂溶液，直接電解得到不單質(zhì)鎂的.先要結(jié)晶后析出固體才能電解.

[教師]電解飽和食鹽水時，得到的是氫氧化鈉、氫氣和氯氣.所以電解法制備金屬單質(zhì)一定要在無水環(huán)境中.展示圖1所示資料卡.

圖1

請閱讀資料卡并思考是否直接電解氯化鎂晶體就可以得到單質(zhì)鎂？說明理由.

[學(xué)生]不能直接電解氯化鎂晶體.因為氯化鎂晶體帶有結(jié)晶水，受熱后產(chǎn)生氧化鎂，氧化鎂熔點(diǎn)很高，電解需要消耗大量的能源.所以有應(yīng)該在氯化氫氣流中加熱失水得到無水氯化鎂后再電解.

[教師]和氯化鈉不同，氯化鎂晶體帶有結(jié)晶水，需要在一定條件下得到無水氯化鎂后才能用于電解.這項技術(shù)要求非常高，除了儀器設(shè)備要抗酸，還要保證無水環(huán)境等.直到2016年12月份，察爾汗鹽湖公司攻克了此項技術(shù)，設(shè)計了圖2所示流程圖，終于解決了困擾多年的鎂害問題，生產(chǎn)的鎂產(chǎn)量已經(jīng)居全國前列，真正實(shí)現(xiàn)了“鎂害”到“鎂利”的轉(zhuǎn)變.

圖2

設(shè)計意圖：青海鹽湖的鎂害問題是實(shí)際生產(chǎn)生活中的真實(shí)存在問題，是一種宏觀辨識的體現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生用已學(xué)知識解決鎂害問題這一過程是微觀探析的一種方式.很好的培養(yǎng)了學(xué)生宏觀辨識與微觀探析這一學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展.運(yùn)用物質(zhì)的分離提純思想進(jìn)行鎂害提純的步驟培養(yǎng)了學(xué)生用已有知識解決問題的能力，即模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的體現(xiàn)；“鎂害”變“鎂利”的問題解決，即制備單質(zhì)鎂的方法分析過程，也是極大的考查了學(xué)生證據(jù)推理、模型認(rèn)知等學(xué)科核心素養(yǎng).

2.3 學(xué)習(xí)任務(wù)2——海水中提取鎂工藝

[設(shè)疑]海水中存在著大量的氯化鎂，可以如何開發(fā)利用鎂呢？請結(jié)合察爾汗鹽湖鎂害的處理步驟，小組合作，實(shí)驗探究、方案討論.提供實(shí)驗試劑：海水、鹵水、0.5mol/L NaOH溶液，澄清石灰水.

[學(xué)生1]我們通過實(shí)驗分析，鹵水中加入氫氧化鈉溶液產(chǎn)生沉淀比較明顯，所以應(yīng)該先將海水濃縮得到鹵水，鹵水中加入氫氧化鈉得到氫氧化鎂沉淀.然后沉淀中加入鹽酸生成氯化鎂溶液，氯化鎂溶液進(jìn)行結(jié)晶，在氯化氫氣流中失水得到無水氯化鎂，再電解得到單質(zhì)鎂.

[學(xué)生2]我覺得還可以加入氫氧化鈣進(jìn)行沉淀.因為海邊可以的話可以從貝殼中直接獲得.這樣會比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠.

[教師]分析的非常有道理，要從經(jīng)濟(jì)角度分析(見表2).

表2

[學(xué)生3]我們小組做了實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)澄清石灰水加入鹵水和海水中都沒有明顯的沉淀產(chǎn)生.

[學(xué)生4]可以加入石灰乳.

[教師]經(jīng)過同學(xué)們的數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗探究，我們實(shí)現(xiàn)了海水中鎂離子的分離提純，同時也富集了鎂.再選用電解法實(shí)現(xiàn)化合態(tài)鎂到游離態(tài)鎂的轉(zhuǎn)化，電解時要特別關(guān)注氯化鎂自身和環(huán)境的無水.海水中提取鎂技術(shù)中你覺得還需要考慮什么問題？

[學(xué)生]尾氣處理.生成的氯氣可以和氫氣反應(yīng)生成氯化氫，生產(chǎn)鹽酸用于循環(huán)利用.

[教師]企業(yè)生產(chǎn)在追求經(jīng)濟(jì)利益最大化的同時也要綠色化生產(chǎn).就像察爾汗鹽湖公司一樣，走出鉀、抓住鎂、發(fā)展鋰、整合堿、優(yōu)化氯，綜合發(fā)展.

設(shè)計意圖：通過對察爾汗鹽湖中鎂害問題解決，學(xué)生建立了一種模型建構(gòu)，通過對模型的遷移應(yīng)用，很好的解決了新情境中鎂的提純問題——海水中鎂的獲取.教學(xué)中設(shè)置的學(xué)生活動和實(shí)驗探究，確立以學(xué)生為主體地位，同學(xué)之間的互相探討、實(shí)驗探究、評價分析共同完成方案設(shè)計.屬于學(xué)科核心素養(yǎng)中實(shí)驗探究和創(chuàng)新精神，在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中不斷質(zhì)疑和佐證，不斷思考和總結(jié)，是一種創(chuàng)新精神的體現(xiàn).

2.4 學(xué)習(xí)任務(wù)3——鎂的性質(zhì)及用途

[設(shè)疑]察爾汗鹽湖公司生產(chǎn)大量鎂被用于生活中的各個領(lǐng)域.你能舉出一些例子嗎？

[學(xué)生]制造信號彈、生產(chǎn)煙花、做成鎂合金用于汽車、飛機(jī)、火箭等領(lǐng)域的零部件材料.

[教師]用途反映性質(zhì)，你能從鎂的這些用途中猜猜鎂會具有哪些性質(zhì)嗎？

[學(xué)生]進(jìn)行猜測(見表3).

表3

[教師]請同學(xué)們再從鎂原子的微觀結(jié)構(gòu)來分析它還能有哪些性質(zhì)呢？

[學(xué)生]鎂能和非金屬單質(zhì)反應(yīng)，如氯氣、氧氣、溴蒸氣；能與酸反應(yīng)；能與水反應(yīng)；能與鹽溶液反應(yīng).

[教師]鎂的性質(zhì)我們可以通過前面學(xué)習(xí)的鈉的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，那么鎂和水反應(yīng)現(xiàn)象與金屬鈉和水反應(yīng)一樣嗎？

實(shí)驗探究：金屬鎂與水反應(yīng)

實(shí)驗過程：

①取1支試管，加入少量蒸餾水備用

②用鑷子取出廣口瓶中的一條鎂條，用砂紙打磨鎂條表面至露出金屬光澤.放入試管中，觀察現(xiàn)象.

③用試管夾夾緊試管，在酒精燈上加熱試管至沸騰，觀察現(xiàn)象；并滴入兩三滴酚酞試液，觀察現(xiàn)象.

(學(xué)生分小組進(jìn)行實(shí)驗)

[學(xué)生]鎂與冷水幾乎不反應(yīng)，熱水中發(fā)生反應(yīng)，鎂條表面產(chǎn)生少量氣泡，滴入酚酞試液變紅，說明生成了氫氧化鎂.

[教師]鎂除了具有活潑金屬的通性，它鎂能與氮?dú)?、二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng).請同學(xué)們注意觀察實(shí)驗現(xiàn)象.

[演示實(shí)驗]

①鎂條與氮?dú)獾娜紵磻?yīng)(氮?dú)庥蓙喯跛徕c和氯化銨飽和溶液制備得到);

②鎂條與二氧化碳的燃燒反應(yīng).

(反應(yīng)后的集氣瓶通過實(shí)物投影展示).

[學(xué)生1]都是劇烈燃燒，發(fā)出耀眼的光，產(chǎn)生白煙.

[學(xué)生2]鎂條在二氧化碳中燃燒好像更耀眼，而且瓶壁上還觀察到一些黑色小顆粒.

[教師]觀察的非常仔細(xì)，那么請同學(xué)們完成這兩條化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫.

[教師]通過對鎂性質(zhì)的學(xué)習(xí)，請同學(xué)們再來說說，察爾汗鹽湖公司鎂害處理生產(chǎn)車間需要注意哪些問題？

[學(xué)生1]防火、防酸、防水.

[學(xué)生2]不能用二氧化碳和水滅火，所以車間需要放置一些沙子，用于滅火.

[學(xué)生3]及時的處理氯氣，避免與金屬鎂接觸反應(yīng).

設(shè)計意圖：通過鎂的用途和結(jié)構(gòu)的分析，預(yù)測鎂的性質(zhì).引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)的微粒觀、元素觀等分析物質(zhì)的性質(zhì)，發(fā)展了學(xué)生微觀探析和宏觀辨識的能力.同時也注重學(xué)生體會科學(xué)探究的一般過程和方法，從預(yù)測和假設(shè)到實(shí)驗的驗證分析，初步了解科學(xué)思維方法，建構(gòu)研究化學(xué)變化的思路和模型，也發(fā)展了許是證據(jù)推理和模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng).