基于化學(xué)學(xué)科本質(zhì)理解的視角 融通教與育

洪清娟

摘要：通過(guò)合成氨生產(chǎn)的工藝條件科學(xué)研究發(fā)展史為線索，從普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）出發(fā)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)復(fù)雜的教學(xué)情境，基于化學(xué)學(xué)科本質(zhì)理解的視角，深度挖掘合成氨生產(chǎn)的工藝條件選擇所蘊(yùn)含的化學(xué)思想方法與學(xué)科價(jià)值，融入STEM教育，讓學(xué)生在逐步解決任務(wù)與問(wèn)題過(guò)程中，學(xué)會(huì)多角度關(guān)聯(lián)看待物質(zhì)變化、化工條件的選擇，感受理論與化工生產(chǎn)實(shí)際的區(qū)別，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，自主建構(gòu)化學(xué)工藝條件優(yōu)化選擇的一般思維模型，融通教與育。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科本質(zhì)理解;合成氨生產(chǎn);工藝條件選擇

文章編號(hào)：1008-0546（2021）02-0043-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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

化學(xué)學(xué)科本質(zhì)形成蘊(yùn)含于化學(xué)學(xué)科的形成與發(fā)展的歷史中。理解化學(xué)學(xué)科本質(zhì)，要從化學(xué)學(xué)科價(jià)值、方法和知識(shí)三個(gè)視角去具體把握學(xué)科不同層面的本質(zhì)內(nèi)涵。通過(guò)對(duì)化學(xué)史的適當(dāng)設(shè)計(jì)加工，讓學(xué)生親歷適合自己的研究，并生產(chǎn)出屬于自己的科學(xué)知識(shí)，有利于形成對(duì)科學(xué)本質(zhì)正確的理解。基于此，筆者以魯科版“合成氨的工藝條件選擇”為例，從理解化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的多維視角，進(jìn)行融通教與育的實(shí)踐探索。

一、基于課程標(biāo)準(zhǔn)。確定合成氨工藝生產(chǎn)條件選擇的教學(xué)環(huán)節(jié)

基于學(xué)科理解與化學(xué)科學(xué)研究的本質(zhì)出發(fā)，根據(jù)普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版），選擇合成氨這個(gè)蘊(yùn)含“STSE”的情境，確定“合成氨的工藝條件選擇”的教學(xué)環(huán)節(jié)為“從理論上計(jì)算分析合成氨反應(yīng)的可能性”“理解合成氨生產(chǎn)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(gè)方面。旨在讓學(xué)生通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)會(huì)分析其他工業(yè)生產(chǎn)中類似條件的優(yōu)化與選擇;建立以下學(xué)科大觀念：化學(xué)反應(yīng)的方向、自發(fā)與否，不能僅用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)摸索，而應(yīng)先從理論上尋求客觀的判據(jù)，否則可能要付出極大的代價(jià)，甚至徒勞無(wú)功;通過(guò)“合成氨的工藝條件選擇”的學(xué)習(xí)從單元整體的角度把握教學(xué)，從宏觀到微觀，從定性到定量，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從多角度、多層次對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)探討，使學(xué)生更深入地理解化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程和本質(zhì)，并促進(jìn)深層次地領(lǐng)悟?qū)嶋H生產(chǎn)中應(yīng)該綜合考慮化學(xué)反應(yīng)的方向、速率與限度的綜合影響，選擇以較高速率獲取適當(dāng)轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件，動(dòng)態(tài)地分析化學(xué)變化、調(diào)控化學(xué)反應(yīng)，以解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值。

二、基于化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的理解，確定合成氨生產(chǎn)條件選擇的學(xué)習(xí)任務(wù)

學(xué)生的未來(lái)發(fā)展是多元化的，化學(xué)教學(xué)的宗旨絕不僅僅讓學(xué)生牢記顯性的化學(xué)知識(shí)，也應(yīng)該包括學(xué)習(xí)方式、思想方法、學(xué)科的情意價(jià)值和學(xué)科理念這類隱性知識(shí)，這些隱性知識(shí)卻能夠一直伴隨學(xué)生，受用一生。基于教師對(duì)化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的理解，確定“合成氨工藝條件優(yōu)化選擇”顯性與隱性知識(shí)雙線融合交錯(cuò)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。以化學(xué)史料為教學(xué)情境，在合成氨研究的史料中領(lǐng)悟科學(xué)精神和研究思路;創(chuàng)設(shè)知識(shí)的產(chǎn)生和應(yīng)用的場(chǎng)景，在真實(shí)的問(wèn)題解決過(guò)程中，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)多維豐富的學(xué)科價(jià)值。“合成氨工藝條件優(yōu)化選擇”學(xué)習(xí)的3個(gè)任務(wù)：一是運(yùn)用價(jià)類二維圖從定性角度，利用核心元素轉(zhuǎn)化觀、氧化還原反應(yīng)理論為指導(dǎo)，考慮和選擇銨態(tài)氮肥中氮元素的轉(zhuǎn)化路徑，發(fā)展分析推理等科學(xué)思維;二是以理論指導(dǎo)和定量計(jì)算為手段，根據(jù)298K下合成氨反應(yīng)的熵變、焓變數(shù)據(jù)計(jì)算并判斷反應(yīng)能否自發(fā)。利用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)，從轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)速率兩方面的影響因素，綜合分析并優(yōu)選合成氨的反應(yīng)條件，促進(jìn)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(cè)、歸納與論證等關(guān)鍵能力;三是運(yùn)用化學(xué)工藝的綠色安全、科學(xué)經(jīng)濟(jì)等技術(shù)思想與理念，在教師創(chuàng)設(shè)的真實(shí)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐情境中，逐步理解完善合成氨的化學(xué)工藝生產(chǎn)條件，悄然融通教與育。既發(fā)展工程思維，建構(gòu)解決化工生產(chǎn)工藝條件選擇、設(shè)計(jì)的一般思路和模型，從而認(rèn)識(shí)化學(xué)科學(xué)與技術(shù)合理使用的重要性，又感受化學(xué)在自然資源和能源綜合利用方面的重要價(jià)值，科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)的形成就水到渠成。

三、教學(xué)過(guò)程

環(huán)節(jié)1從理論上計(jì)算分析合成氨反應(yīng)的可能性

（資料卡1）1913年世界氮肥總產(chǎn)量為91.6萬(wàn)噸，其中智利硝石（主要成分是NaNO3）為43.6萬(wàn)噸，占世界氮肥總產(chǎn)量的47.6%。對(duì)歐洲來(lái)說(shuō)，問(wèn)題尤為突出。從1830年開(kāi)始，歐洲的氮肥就以進(jìn)口智利硝石為主。至1922年，每年硝石總產(chǎn)量的70%，都從智利銷往歐洲。但天然硝石的產(chǎn)量極其有限，因此，當(dāng)年的化學(xué)家提出“向空氣要氮肥”的想法。

（教師）空氣中氮元素儲(chǔ)備豐富，氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)為78%，怎樣把氮?dú)廪D(zhuǎn)化為農(nóng)作物所需的氮肥呢？

（學(xué)習(xí)任務(wù)1）從定性角度，運(yùn)用價(jià)類二維圖寫出轉(zhuǎn)化路線。學(xué)生設(shè)計(jì)了兩條轉(zhuǎn)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(xué)生活動(dòng)）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(chǎn)的是還原法，判斷的依據(jù)是綠色化學(xué)理念，選擇低成本、高產(chǎn)率、污染小的方案。得出以下兩個(gè)結(jié)論：路線②步驟少，且路線①中間產(chǎn)物有NO、NO2有毒有污染的氣體產(chǎn)生;兩條路線轉(zhuǎn)化的相關(guān)反應(yīng)條件高、決定能耗的步驟都是第一步。

（史料情境）20世紀(jì)初，有許多科學(xué)家對(duì)合成氨反應(yīng)的可行性進(jìn)行艱苦卓絕的相關(guān)研究，其中有重要影響的科學(xué)家及其相關(guān)研究簡(jiǎn)述見(jiàn)表1。

（學(xué)習(xí)任務(wù)2）根據(jù)表1和資料卡2，以定量計(jì)算和化學(xué)平衡移動(dòng)理論為手段，判斷兩個(gè)反應(yīng)能否自發(fā)，并運(yùn)用化學(xué)平衡移動(dòng)原理分析合成氨反應(yīng)的有利條件。

（學(xué)生活動(dòng)）通過(guò)計(jì)算得出△H-T △S

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

（教師）哈伯作為第一個(gè)從空氣中制造出氨的科學(xué)家，在實(shí)際生產(chǎn)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(yàn)，內(nèi)充以鐵催化劑，測(cè)定出在常壓和高溫1020°C下，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，氣體混合物中有0.012%（容積）的氨。

（學(xué)習(xí)任務(wù)3）從反應(yīng)原理分析，哈伯的合成氨實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)高溫下反應(yīng)產(chǎn)率低問(wèn)題的原因并提出解決對(duì)策。

（資料卡3）實(shí)驗(yàn)測(cè)得某條件下合成氨反應(yīng)速率方程為：V=kc（N2）c^1.5（H2）c^-1（NH3）。

（學(xué)生活動(dòng)）根據(jù)資料卡2和3，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí)分析出：增大N2、H2的濃度均能加快對(duì)反應(yīng)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(yīng)速率;推測(cè)有利于提高合成氨產(chǎn)率和速率的條件，完成表格2。

（資料卡4）實(shí)際生產(chǎn)中平衡時(shí)氨的含量與反應(yīng)條件、投料比關(guān)系分別見(jiàn)圖1、圖2。

（學(xué)生活動(dòng)）分析資料卡4的信息，歸納出：①氮?dú)浔?：3進(jìn)行投料后，對(duì)提高合成氨的產(chǎn)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(chǎn)率，但加快反應(yīng)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(yīng)溫度;②溫度壓強(qiáng)一定，氮?dú)潴w積比為1：2.8時(shí)，氨氣產(chǎn)率最高，這是實(shí)際生產(chǎn)中考慮決速步驟的影響，所以適當(dāng)提高氮?dú)獾谋壤c分壓，以利于提高氨氣產(chǎn)率。

（史料情境）哈伯團(tuán)隊(duì)為了探尋較低溫度下的催化劑，從1904至1911年，先后進(jìn)行了兩萬(wàn)多次試驗(yàn)。1908年秋，哈伯首次提出對(duì)氨合成氣進(jìn)行再循環(huán)的主張;1910年5月，哈伯終于在實(shí)驗(yàn)室取得了可喜的結(jié)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(shí)驗(yàn)的證實(shí)。

（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(shí)現(xiàn)氨的工業(yè)化生產(chǎn)，還需解決哪些問(wèn)題？

（學(xué)生活動(dòng)）通過(guò)小組討論給出結(jié)論與思考：催化劑有選擇性，又易中毒，使用不當(dāng)易失活，要注意適切的溫度和環(huán)境。可以依據(jù)元素周期表，找尋穩(wěn)定常見(jiàn)、價(jià)廉質(zhì)優(yōu)、高效的催化劑來(lái)替代鈾或鋨;循環(huán)的意義在于符合綠色化學(xué)理念，充分利用能源與物質(zhì)意識(shí)。根據(jù)合成氨是放熱的可逆反應(yīng)，可以循環(huán)使用未反應(yīng)的氣體，并采用熱交換器來(lái)預(yù)熱反應(yīng)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(yīng)速率、提高轉(zhuǎn)化率;理論上壓強(qiáng)越高越好，但高壓對(duì)使用的設(shè)備材料要求也高，應(yīng)選擇怎樣的材料才能承受適當(dāng)?shù)母邏海?/p>

（資料卡4）①自然界中鋨的蘊(yùn)藏量非常少，其價(jià)格相當(dāng)昂貴，而且鋨易轉(zhuǎn)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(duì)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(yàn)了2500種配方，進(jìn)行了6500次實(shí)驗(yàn)，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(yīng)容器耐壓，給高強(qiáng)度碳素鋼圓筒加熟鐵內(nèi)襯;在外層碳鋼上穿些細(xì)孔，讓氫氣逸出，解決碳鋼和氫氣高溫高壓直接接觸反應(yīng)生成CH4的情況。

（教師）從資料卡4你得到什么啟示和感悟？對(duì)于化工生產(chǎn)工藝條件選擇、設(shè)計(jì)的一般思路你有什么新的認(rèn)識(shí)？

（學(xué)生活動(dòng)）從博施及助手找尋合適催化劑與改良反應(yīng)容器耐壓性的過(guò)程中，感悟科研中具有創(chuàng)新思維和堅(jiān)韌不拔精神的重要性;得出合成氨的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)溫度、壓強(qiáng)和催化劑之間的平衡的結(jié)論;形成研究一個(gè)化學(xué)反應(yīng)要從定量的角度，通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)據(jù)分析去把握反應(yīng)可行性的意識(shí);建立起在實(shí)際生產(chǎn)中，除了要考慮反應(yīng)的方向和可行性外，還要注意從轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)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(guó)合成氨的生產(chǎn)條件和新的發(fā)展思路、方向（資料卡5）目前我國(guó)中型合成氨廠選擇的生產(chǎn)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(qiáng)的選擇實(shí)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(xué)家發(fā)明在常壓下把氫氣和用氦稀釋的氮?dú)夥謩e通入一個(gè)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(zhuǎn)化率達(dá)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(shí)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(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的氫化物材料化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(xué)鏈合成氨技術(shù)，可在常壓和100℃的條件下實(shí)現(xiàn)氨的合成。在250℃下，該過(guò)程的產(chǎn)氨速率約大于高活性Cs-Ru/MgO催化過(guò)程一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是近年來(lái)合成氨反應(yīng)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(guò)介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外合成氨的新技術(shù)、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(yīng)條件取得的研究成果和現(xiàn)實(shí)意義，讓學(xué)生展望合成氨的發(fā)展前景，體會(huì)化學(xué)對(duì)人類經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的促進(jìn)作用，彰顯學(xué)科隱形知識(shí)的情意價(jià)值。

四、教學(xué)反思

1.通過(guò)合成氨工業(yè)生產(chǎn)條件的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，感悟模型建構(gòu)過(guò)程能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決化學(xué)生產(chǎn)工藝優(yōu)化的思維模型，理論計(jì)算一初步設(shè)置預(yù)測(cè)選擇一真實(shí)生產(chǎn)條件一完善修正，并學(xué)會(huì)進(jìn)行遠(yuǎn)遷移運(yùn)用，如意識(shí)到那些與合成氨反應(yīng)特征相似的合成反應(yīng)，應(yīng)該與合成氨工業(yè)生產(chǎn)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(dǎo)。學(xué)生在模型的理解、建構(gòu)與應(yīng)用過(guò)程中逐步形成化學(xué)學(xué)科科學(xué)推理論證、處理轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)、歸納總結(jié)規(guī)律等關(guān)鍵能力。

2.通過(guò)合成氨工業(yè)生產(chǎn)條件的學(xué)習(xí)，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(zhuǎn)化率和產(chǎn)率一直是化學(xué)工作者研究方向和課題。合成氨工藝優(yōu)化條件選擇的學(xué)習(xí)，不僅從理論上分析選擇的生產(chǎn)條件的原因，在實(shí)施的過(guò)程還會(huì)涉及一系列具體的細(xì)節(jié)問(wèn)題（如與容器材料的耐壓性能、物質(zhì)的傳熱性、催化劑的性能與來(lái)源價(jià)格等問(wèn)題），這就體現(xiàn)在真實(shí)的工藝流程設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)施和理論分析的區(qū)別與聯(lián)系。通過(guò)合成氨工業(yè)生產(chǎn)條件的選擇，學(xué)生體會(huì)真實(shí)復(fù)雜的化工生產(chǎn)應(yīng)該在理論分析的基礎(chǔ)上，秉承綠色化學(xué)和可持續(xù)性發(fā)展的理念，在生產(chǎn)安全、節(jié)能減耗的前提下，優(yōu)化工藝生產(chǎn)條件、盡可能地提高產(chǎn)率，在解決問(wèn)題的過(guò)程中逐步形成工程思維。

3.以化學(xué)史料情境教學(xué)主線有利實(shí)現(xiàn)知識(shí)的發(fā)展。向?qū)W生展現(xiàn)科學(xué)研究的過(guò)程，讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)家研究化學(xué)反應(yīng)與調(diào)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(xué)精神。知識(shí)的發(fā)展、應(yīng)用和情境緊密聯(lián)系在一起，知識(shí)的獲取最好還原到知識(shí)建立的情境中去，同時(shí)再應(yīng)用到具體的情境中才能實(shí)現(xiàn)知識(shí)的發(fā)展，否則知識(shí)就是僵化的知識(shí)不能再發(fā)展，也不能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。合成氨生產(chǎn)條件的優(yōu)化研究過(guò)程等化學(xué)史就是知識(shí)建立過(guò)程的最真實(shí)的情境，學(xué)生在這樣的情境中獲取的知識(shí)更加鮮活而生動(dòng)。加深對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理的有關(guān)化學(xué)反應(yīng)方向、速率與限度的理解與運(yùn)用，才能更深刻的體會(huì)到科學(xué)研究的不易與艱辛，感悟化學(xué)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值。