通過講解化工工藝提升學生化學素養

呂兆蘭

【摘 要】本文選取四種常見的化合物的化工生產工藝進行分析，探討其工業制法所涉及的化學原理，學以致用，以此提高學生的化學素養。

【關鍵詞】高中化學 化合物 工業制法 化學素養

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）07B-0150-02

高中化學教學基本上是以實驗為線索，以物質為中心進行展開的。鑒于化學的實踐性質比較強，因此各種物質的性質、物質之間的反應情況是學習的重點。化學反應的實踐性在制備工藝上體現得尤為顯著，下面選取四種化工工藝進行分析。

一、電解鹽水，了解電子得失

電解鹽水是氯堿工業中的一個步驟，體現了電因素對化學反應的干預作用。在微觀層面，我們可以通過探討化學工藝的原理，來研究電子的得失過程，促進學生對電化學認知進程，積累化學素養。

以電解飽和食鹽水的過程為例，談一談在課上講解電子得失原理的教學策略。在高中電解實驗中經常見到的就是電解飽和食鹽水了，這種電解實驗操作簡單、現象明顯，因此經常作為教學實驗。電解的方程式：

2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑

電解池由電極和電解液組成，電解后會在陽極生成氯氣，在陰極生成氫氣。為什么會有這樣的現象？為此筆者帶領學生進行微觀層面分析：觀察電解的過程發現，這實際上是發生了氧化還原反應，但是產物氫氧化鈉中的三種原子卻沒有參加氧化還原反應。鈉原子最外層電子數為 1，氯原子最外層電子數為 7，二者正好可以互補成為最外層電子數為 8 的穩定結構，因此二者之間的化學鍵是比較強勁的。穩定的化學鍵使得 NaCl 在水中不可能自發地發生氧化還原反應，因此需要進行電離，通過外加電流的影響來干預電子的得失，從而“人為”地制造氧化還原反應。結合化工工藝中的實際效果，輔以筆者在課上的講解，學生對電解中電子得失的過程有了一個清晰的認識，這是一項很重要的化學素養培養。電解的工藝比較簡單，透過電子轉移的過程，我們可以很清楚地分析電子得失的原理，達到教學目標。

電解鹽水是化學工業中非常經典的一個工藝，氫氧化鈉、氯氣和氫氣都是重要的化工生產原料，所以說氯堿工業也是一個基礎性的化工工藝。學生學習和掌握相關原理，既通達了知識，又拓展了實際應用的視野。

二、水煤氣法，認識高溫還原

相對于二氧化碳來說，一氧化碳的“存在感”要低一些。但是一氧化碳也不是默默無聞的，所謂的煤氣中毒就是由一氧化碳引起的。雖然說一氧化碳有毒，但是也不是百害而無一利，作為一種化工原料它是必不可少的。一氧化碳在工業上一般采取“水煤氣”法進行制取，通過了解工藝流程，我們可以認識高溫條件下的還原反應原理，從實際情況中積累化學素養。

所謂的“水煤氣”法，指的是在高溫的條件下還原水蒸氣，這類似于一種置換反應。在化學中有很多種反應，原理奇特的不在少數，高溫還原水蒸氣就是其中一種。化學的海洋還很浩瀚，學生需要不斷認識新的反應原理，積累素養。因此，在課堂上，筆者通過分析“水煤氣”制作過程中的高溫還原反應，來深化學生對還原反應的認知。“水煤氣”法的反應方程式為：

C+H2O（g）CO+H2

反應的原理從方程式上來看一目了然，通過高溫下的還原，碳原子替代了兩個氫原子與氧原子結合，結果本來的單質變成了氧化物，氧化物變成了單質，產物即為一氧化碳和氫氣。從方程式上來看，碳單質的參與讓還原反應多了一些神秘性。這也體現了置換反應不是金屬單質的“專利”，在一些特定的條件下，如高溫，發生一些不太常見的還原反應也是常有的事。實實在在的工業制法讓同學們更加信服化學的力量，同時也讓課堂教學更加貼近實際。其實化學就在身邊，化學素養是通過興趣和知識鍛造出來的。

一氧化碳是有毒氣體，但是在化學工業中卻是一種重要的原料。這就反映了一種辯證思想，任何一種事物都會有正反兩個方面，不能單一、片面地看待。在我們的課堂上，“水煤氣”法就成了一種教學的資源，拓寬了學生的視野。

三、氮氫化合，權衡反應條件

氨氣的制備主要是依賴于氮氫化合反應，因此制取氨氣的過程通常叫做合成氨工業。在合成氨的化學反應中，有一個非常經典的反應方向的問題，探討這一問題能夠讓學生更好地了解到反應條件對化學反應的影響。

可逆反應在化學反應中可以說是比較靈活的一種反應，很多學生在面對可逆反應時，不知道如何判斷反應的方向。在實際的題目中，可逆反應偏偏是一個重點問題，有時候真的讓學生束手無策。一個好的化學學習者應當具有探索精神，因此筆者在課堂上經常給學生滲透這種思想，帶領學生去探究可逆反應的問題。氮氣氫氣合成氨氣的反應就是一個很好的例子，筆者在課上引用了這一案例。氮氣氫氣合成氨的反應方程式為：

N2+3H22NH3

作為一個可逆反應，其實化學方程式應該寫為：

N2+3H22NH3

高溫高壓、催化劑這些條件是促進反應向右進行的附加因素。反應誠然是一個簡潔的反應，但是反應的可逆性讓工業制取里的產量、效率出現了問題，所以說如何讓反應向正向（制取氨氣取合成的方向為正向）進行是一個關鍵問題。筆者問學生，原子個數為 4 個，反應后原子個數變為了 2 個，越反應氣壓越低，那么此時人為減小氣壓會怎么樣？學生結合化學反應原理中的知識，通過分析、思考基本都能判斷出反應更難進行了。此時，筆者及時點出化學反應條件對反應進行方向的影響和作用。當反應產生了氣壓降低的結果時，加大氣壓就可以抵消氣壓降低的影響，進而使反應不斷地向正向進行。溫度的影響作用也是如此，此反應為放熱反應，因此低溫有利于反應向正向進行。但是我們觀察到，反應有利條件為“高溫”，這卻與反應本身的有利條件相矛盾。原來，反應過程中還有一個“角色”，那就是催化劑。高溫可以促進催化劑的催化效果，使反應速度加快。這樣即使反應不完全，也可以通過高速率循環來彌補，兩相權衡，采用的高溫結合催化劑的條件是可行的。

制取氨氣是一個非常重要的化工工藝，它在高中課內也是一個重點。尤其在氨氣制取的工藝過程中出現了理論與實際有出入的地方，更需要學生特別注意，以免造成只讀課本、脫離實際的后果。化學反應的方向在實際應用中非常重要，需要對反應條件進行權衡，這一種思想方法也是一種深層次的化學素養。

四、催化氧化，拆合化學方程

制取一氧化氮是硝酸工業的第一步，一氧化氮的制取原理為對氨氣進行催化氧化，這就體現了化學反應中的連續性。這里的連續性包含了一系列的連續反應，但在實際的反應中它并不是按順序進行反應。通過探究氨的催化氧化，學生能夠認識在復雜的同步反應中如何用反應式去表達反應過程，以此來提高書寫化學方程式的能力。

在面對實際的問題時，題目中不會只給一種反應來讓人分析，有時候會有一系列的反應方程式合并在一起，或者是需要把一個綜合的反應式進行拆分。這時候就考驗了學生對反應的精準把握程度，滲透著化學素養。書寫方程式是一項必備的技能，在此筆者采用催化氧化中的系列反應來進行教學。制取一氧化氮的工藝，其反應的方程式為：

通過反應條件的控制，最終得到了 4NH3+5O2=4NO+6H2O 的反應效果。這一反應非常經典，通過對復雜過程的精確把握，學生對反應式的拆合會有一個更加深入的了解。

氨的催化氧化是高中化學教學中非常重要的一個知識點，在含氮氧化物的各種反應分析當中，學生的配平、等效的技巧也會得到很大提升。

化工工藝雖然離高中課堂很遠，但是這些工藝中蘊含的化學原理和化學思想卻是課堂教學需要借鑒的。化學是一門實驗學科，只有結合實踐才能在學習中逐漸提升能力，形成基礎的化學素養。

【參考文獻】

[1]梁永鋒.氨氣催化氧化實驗的研究與探索[J].教學與管理，2003（15）

[2]劉永華.合成氨工藝技術的現狀分析及其發展探討[J].化學工程與裝備，2012（7）