學(xué)科視野導(dǎo)向的“氨的再認識”復(fù)習(xí)課設(shè)計

一、教學(xué)設(shè)計思路

雖然高中生在必修模塊學(xué)過了“氮及其化合物”，已經(jīng)開始關(guān)注到氮循環(huán)對人類社會的價值以及對環(huán)境產(chǎn)生的影響，但是未能有意識地運用所學(xué)的知識或?qū)で笙嚓P(guān)證據(jù)參與學(xué)科前沿議題的討論。該節(jié)復(fù)習(xí)課還涉及已經(jīng)學(xué)過的選擇性必修一模塊中的“化學(xué)反應(yīng)與能量”“化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率”等主題，甚至還可以彰顯選擇性必修二中結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的問題解決思路，這些知識均具有一定的抽象性、復(fù)雜性，孤立地學(xué)習(xí)并不能發(fā)揮其在探索化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律及其應(yīng)用中的功效，亟待對具體的元素化合物知識進行整合，促進關(guān)于物質(zhì)變化科學(xué)觀念的提升。復(fù)習(xí)課的新鮮感來自于對復(fù)習(xí)內(nèi)容的重組與整合，不適宜再如新授課那樣按模塊分開復(fù)習(xí)，尋找一個設(shè)計跨越不同模塊的問題來思考，將有助于保持復(fù)習(xí)課的新鮮感。該節(jié)課主要以“氨”為核心聯(lián)系其他氮的化合物，融合氧化還原反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)中的能量變化、自發(fā)變化的方向、化學(xué)動力學(xué)的反應(yīng)歷程選擇、原電池等反應(yīng)原理知識，重構(gòu)“氮循環(huán)”體系進行總復(fù)習(xí)，以“問題串”的形式幫助學(xué)生進行有關(guān)氨氮知識的再建構(gòu)。

二、教學(xué)目標

1．能通過物質(zhì)類別、化合價預(yù)測物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)和變化，學(xué)會用以氮為代表的元素化合物性質(zhì)研究的一般思路，運用化學(xué)反應(yīng)原理發(fā)現(xiàn)分析視角，結(jié)合氮元素“價-類-用”三維模型來解決實際問題，并以此建構(gòu)變化觀念。

2．辯證地看待氨的利弊，養(yǎng)成全面認識事物的辯證觀，認識其正面社會價值，理解其可能帶來的科學(xué)風(fēng)險，并能夠提出應(yīng)對性的決策，從中樹立科學(xué)態(tài)度與體驗社會責(zé)任。

3．有意識地關(guān)注各種事實之間聯(lián)系，促進知識結(jié)構(gòu)化，并能結(jié)合前沿文獻和經(jīng)典化學(xué)事實進行證據(jù)推理，實現(xiàn)創(chuàng)新意識的強化。

三、教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖1所示。

四、教學(xué)實錄

1．舊知回顧，意義探討

【回顧舊知】在新授課的學(xué)習(xí)過程中，曾經(jīng)花了大量的時間來討論“固氮”，請回憶下：我們學(xué)習(xí)過哪些具體的固氮反應(yīng)？如何按照不同的特征將這些化學(xué)方程式進行分類？

【學(xué)生活動】書寫化學(xué)方程式；按照一定依據(jù)針對反應(yīng)進行不同的分類梳理。

【啟發(fā)思考】人工固氮最重要的化學(xué)反應(yīng)之一就是合成氨。為什么科學(xué)家這么關(guān)注“固氮”？

設(shè)計意圖：通過對知識的歸納梳理，發(fā)展學(xué)生知識結(jié)構(gòu)化的水平。將學(xué)生對于“固氮”事實的記憶轉(zhuǎn)移到在事實基礎(chǔ)上的深層概念理解上：為什么關(guān)注“同氮”。

2．合成氨過程中的結(jié)構(gòu)和原理問題

【教師提問】工業(yè)合成氨為什么需要嚴苛的生產(chǎn)條件？如何計算工業(yè)合成氨的最佳溫度呢？

【學(xué)生計算】聯(lián)系氮氮三鍵的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)△G=△H- T△S ＜0，計算反應(yīng)能自發(fā)進行的溫度范圍，估計最佳溫度。

【教師提問】你會如何評價工業(yè)合成氨？提示從人類需要程度、能耗等角度。

設(shè)計意圖：充分考慮工業(yè)生產(chǎn)的實際、成本、綠色環(huán)保等問題，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，體會人工固氮的發(fā)展前景。發(fā)展學(xué)生節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識。

3．反思合成氨新技術(shù)前沿

【情境過渡】其實蘇教版必修第二冊“含氮化合物的合理使用”一節(jié)，展示了一個固氮的逆向反應(yīng)過程，其意義何在？

【細節(jié)提示】科學(xué)家利用一種常見還原劑將汽車尾氣中的有毒氧化物變成無毒無害的N2，減少對環(huán)境的污染。

2NO +2CO＝催化劑N2 +2CO2

【前沿導(dǎo)向】中科院的研究團隊在德國《應(yīng)用化學(xué)》上提出了一個新策略：將汽車尾氣中排放的NO電催化還原合成氨。

【教師提問】為什么科學(xué)家要研究將NO還原成氨？請?zhí)岢隹赡苄浴?/p>

【證據(jù)分析】通過表1可以發(fā)現(xiàn)什么證據(jù)能夠支持以下觀點：用NO獲得氨要比用氮氣制備氨更有優(yōu)勢。

【學(xué)生討論】催化劑的成本低、電解質(zhì)不用強酸強堿、反應(yīng)速率快、產(chǎn)率高等。

【教師提問】NO在被還原過程中存在各種可能的過渡態(tài)，可能經(jīng)歷有以下歷程，分析圖2，判斷3種反應(yīng)歷程中最大活化能是多少？生成的哪一種產(chǎn)物最穩(wěn)定？哪個反應(yīng)生成速率最快、最易反應(yīng)呢？

【證據(jù)分析】根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)一氧化氮還原在熱力學(xué)上比氮氣還原和析氫（競爭反應(yīng)）都更容易進行。此外研究人員通過密度泛函理論計算篩選出最優(yōu)的過渡金屬催化劑——銅。3種反應(yīng)歷程中最大活化能是0. 92 eV，盡管N2相對能量最低，是最穩(wěn)定的產(chǎn)物，但因為能壘大則不易形成活化的中間產(chǎn)物，反應(yīng)難以進行，所以根據(jù)圖2可以看出在Cu表面上獲得不同的還原產(chǎn)物（氨、氫氣、一氧化二氮、氮氣），其中生成氨能壘最低，因此最易于生成氨。

【學(xué)生練習(xí)】書寫電極反應(yīng)式：

NO（g） +5H+ +5e-→NH3（g）+H2O

設(shè)計意圖：利用科技前沿，應(yīng)用物質(zhì)轉(zhuǎn)化，發(fā)展學(xué)生變化觀念、證據(jù)推理核心素養(yǎng)，體會化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)選擇的復(fù)雜性，提升學(xué)生將已儲備的知識與題干中獲取的信息相結(jié)合進行分析的能力。

4．氨能源應(yīng)用可行性分析

【情境過渡】氨也是一種能源，你覺得可能嗎？

【學(xué)生活動】嘗試結(jié)合氨的特點進行論證。

【教師提問】為什么氨有可能作為一種新能源呢？它燃燒之后又生成什么呢？請根據(jù)氨的元素組成以及化合價進行預(yù)測。

【實驗演示】氨在氧氣中燃燒的實驗。

【教師提問】氨在氧氣中燃燒生成了什么物質(zhì)？

【學(xué)生活動】觀察實驗視頻，總結(jié)實驗現(xiàn)象。書寫氨和氧氣的燃燒化學(xué)方程式，區(qū)分氨燃燒與氨的催化氧化反應(yīng)的不同之處。

【教師引導(dǎo)】根據(jù)表2，分析氨能源應(yīng)用可行性。

【討論分享】元素組成：氨僅由N、H組成，含氫質(zhì)量分數(shù)為17. 6%，不含C。

燃燒產(chǎn)物：完全燃燒只生成氮氣和水。

燃料性質(zhì)對比，見表2。

合成路徑、成本：可人工合成。合成氨是世界上產(chǎn)量最大的化工產(chǎn)品之一，生產(chǎn)、供給工藝成熟，設(shè)備完善，成本低。

氨的性質(zhì)：密度比空氣小，具有刺激性氣味，常溫常壓下為氣態(tài)（0. 7016 kg/m3）、易液化、極易溶于水。

運輸：易液化（常壓下- 33. 50C或常溫下加壓到0.9 MPa）

毒性、氣味：具有輕微毒性，且具有刺激性氣味。但當氨的濃度達到對人致命危害的1/1000時就因其刺激性氣味而被人們察覺。

【學(xué)生討論】氨能成為新能源的多個討論維度：元素組成、燃燒產(chǎn)物、燃燒性質(zhì)、燃燒熱、合成途徑、運輸便利等。（與氫能源進行對比）

設(shè)計意圖：從燃燒產(chǎn)物、來源、燃燒熱、運輸?shù)榷嘟嵌确治霭蹦茉吹膬?yōu)點，論證開發(fā)氨能源應(yīng)用的可行性。發(fā)展學(xué)生社會責(zé)任的核心素養(yǎng)，能夠?qū)τ诨瘜W(xué)有關(guān)的社會科技前沿、熱點問題做出正確的價值判斷。

【風(fēng)險提示】近年來氨爆炸的新聞——氨可燃帶來的危險與氫氣、甲烷、一氧化碳類比。列舉氨、氫氣、甲烷、一氧化碳的爆炸極限范圍。

【學(xué)生分析】根據(jù)4種氣體的爆炸極限分析哪一種氣體最不易爆炸。

【綜合提問】如何設(shè)計一個原電池反應(yīng)來避免氨直接燃燒帶來的問題？——直接供氨式燃料電池（如圖3所示）。

【學(xué)生練習(xí)】書寫電極反應(yīng)式，分析，參見圖3對比。

【拓展補充】氨本身可以作為燃料之外，它還可以間接作為氫能源使用。

2NH3←催化劑 高溫高壓→N2 +3H2

【情境過渡】有沒有發(fā)現(xiàn)無論是燃燒氨還是燃料電池，氨最終都變成了何種物質(zhì)？為什么？

【提示啟發(fā)】生成氮氣。從熵增與焓減2個視角分析。

設(shè)計意圖：使學(xué)生從能認知科學(xué)風(fēng)險到能基于證據(jù)的風(fēng)險評估以及從化學(xué)反應(yīng)原理角度對風(fēng)險產(chǎn)生原因、可能后果的思考，甚至提出防范措施的決策建議，進一步發(fā)展學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”素養(yǎng)。

5．氨氮處理方案設(shè)計

【風(fēng)險提示】人工固氮提供人類所需氨的同時，實際固定的氮真的全部被我們利用了嗎？那多余的氮去哪里了呢？氨氮廢水有哪些危害？

【學(xué)生表達】水體富營養(yǎng)化（造成“水華”“赤潮”）；水體溶解氧降低（氨氮消耗水體中的O2）；長期飲用含NO3-的水，造成高鐵血紅蛋白癥（氨在硝化細菌作用下轉(zhuǎn)化為NO3-）。

【教師提問】某氮肥廠產(chǎn)生的氨氮廢水中氮元素多以NH4+和NH3·H2O的形式存在。請你以NH4+為例，設(shè)計轉(zhuǎn)化路線，減少水中的NH4+。

【提示啟發(fā)】根據(jù)文獻中的化學(xué)沉淀法、折點氯化法以及所學(xué)知識提示2種銨根離開溶液的方法：產(chǎn)生沉淀、產(chǎn)生氣體。從非氧化還原反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)2個角度著重討論產(chǎn)生氣體的2種方案。

【學(xué)生討論】方案一：往氨氮廢水中加堿，使其轉(zhuǎn)化為NH3·H2O，NH3·H2O受熱分解成氨，再對氨進行吸收利用（物質(zhì)類別角度）；方案二：往氨氮廢水中添加氧化劑，將銨根離子氧化成N2（化合價角度）。

【溫故知新】學(xué)過哪些氧化劑可以氧化氨？

【學(xué)生回顧】氯氣、氧氣……書寫化學(xué)方程式。

【教師引導(dǎo)】工業(yè)上常使用折點氯化法處理低濃度氨氮廢水：向氨氮廢水中加入NaClO氧化，從而使氨氮轉(zhuǎn)化為N2而除去。次氯酸鈉為什么比氯氣和次氯酸更適合呢？

【學(xué)生練習(xí)】①請書寫NaClO氧化NH3的離子方程式；

②一定pH下，NaClO的投加量對污水中氨氮去除率的影響如圖4所示。當m（NaClO）：m（NH3）gt;7.7時，總氮的去除率隨m（NaClO）：m（NH3）的增大不升反降的可能原因是什么？

【拓展補充】NaClO將部分氨氮氧化為NO-2、NO3-留在廢水中，而工業(yè)上硝態(tài)氮廢水的主要成分也就是NO-2、NO3-。反硝化是污水生物脫氮的最主要途徑。反硝化過程分別在多種還原酶作用下，將NO3-還原為N2，反應(yīng)機理如圖5所示。

【學(xué)生活動】將圖5中涉及的物質(zhì)在價類二維圖中表現(xiàn)出來。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)原料與目標產(chǎn)物設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑、建立研究物質(zhì)的3個角度（化合價、物質(zhì)類別、用途）與轉(zhuǎn)化的關(guān)聯(lián)的學(xué)科關(guān)鍵能力。通過對硝態(tài)氮廢水相關(guān)處理流程的分析，深化學(xué)生從“會設(shè)計”到“會評價”的認識方式，同時從對生活廢水的處理問題中增強學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任，發(fā)展學(xué)生物質(zhì)類別、化合價、用途的實驗探究設(shè)計的水平。

6．以“氨”為紐帶再看氮循環(huán)

【教師小結(jié)】以“氨”為紐帶回顧氮循環(huán)。構(gòu)建氮的氧化物-氨-單質(zhì)之間的三角關(guān)系如圖6所示，并完善氮的“價-類-用”三維模型。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生分析氮循環(huán)在轉(zhuǎn)變過程中的關(guān)系，體驗其中“變與不變”的多樣性和復(fù)雜性，完善氮的“價-類-用”三維模型，體會氮循環(huán)在人類生活中的重要性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任素養(yǎng)。

五、教學(xué)反思（略）

基金項目：2021年江蘇省高校哲學(xué)社會科學(xué)研究一般項目“基于數(shù)據(jù)挖掘的科學(xué)教師專業(yè)成長歷程研究”（2021SJA0465）；南京曉莊學(xué)院2023年教改專項重點項目“‘曉莊發(fā)力-名校助力-校友合力’卓越化學(xué)教師職前職后一體化培養(yǎng)路徑探索”；南京市屬高?！笆奈濉笔屑壷攸c建設(shè)項目“化學(xué)類專業(yè)思創(chuàng)融合教育教學(xué)創(chuàng)新團隊”。

通訊作者：陳凱

（收稿日期：2024 -01 - 15）