基于情境脈絡培養學生的化學學科核心素養
——以“鎂的提取及應用”教學設計為例

李康峰

(浙江省瑞安中學 325200)

1 教材分析

“鎂的提取及應用”是化學1 (蘇教版) 中專題2“從海水中獲得的化學物質”中的一部分教學內容.本專題開宗明義地提出了學習重點是如何從海水中獲取人類需要的物質，教材通過介紹海水中碘、溴和鎂的工業提取方法，將物質的提取與性質融合在一起.本節課的學習是對金屬冶煉方法及性質學習的延伸和發展.

2 教學過程

2.1 創設學習情境

視頻引入青海察爾汗鹽湖“鎂害”現象，展示圖1所示圖片.

圖1

習近平主席在考察鹽湖情況時特別強調“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300多萬噸.這在當地造成了極大的環境問題——鎂害.

2.2 學習任務1——“鎂害”變“鎂利”

[設疑]鎂害問題如此嚴重，對當地的生活環境造成極大的影響，是否有解決方法？

[學生]可以將鎂害進行提煉制成單質鎂

[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鎂，需要經歷哪些過程？請同學們小組討論后進行路線設計.

表1

[學生1]需要對老鹵進行分離提純，制得純的氯化鎂，然后電解氯化鎂得到單質鎂.

[學生2]往鹵水中加堿產生氫氧化鎂沉淀，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.

[學生3]鎂單質非常活潑，應該不能被還原吧.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.比如二戰時期也曾使用木碳、金屬鉀高溫還原氧化鎂得到鎂單質，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.

[學生2]還不行，這時候是氯化鎂溶液，直接電解得到不單質鎂的.先要結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一定要在無水環境中.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鎂？說明理由.

[學生]不能直接電解氯化鎂晶體.因為氯化鎂晶體帶有結晶水，受熱后產生氧化鎂，氧化鎂熔點很高，電解需要消耗大量的能源.所以有應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.這項技術要求非常高，除了儀器設備要抗酸，還要保證無水環境等.直到2016年12月份，察爾汗鹽湖公司攻克了此項技術，設計了圖2所示流程圖，終于解決了困擾多年的鎂害問題，生產的鎂產量已經居全國前列，真正實現了“鎂害”到“鎂利”的轉變.

圖2

設計意圖：青海鹽湖的鎂害問題是實際生產生活中的真實存在問題，是一種宏觀辨識的體現，引導學生用已學知識解決鎂害問題這一過程是微觀探析的一種方式.很好的培養了學生宏觀辨識與微觀探析這一學科核心素養的發展.運用物質的分離提純思想進行鎂害提純的步驟培養了學生用已有知識解決問題的能力，即模型認知核心素養的體現；“鎂害”變“鎂利”的問題解決，即制備單質鎂的方法分析過程，也是極大的考查了學生證據推理、模型認知等學科核心素養.

2.3 學習任務2——海水中提取鎂工藝

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

[學生1]我們通過實驗分析，鹵水中加入氫氧化鈉溶液產生沉淀比較明顯，所以應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，氯化鎂溶液進行結晶，在氯化氫氣流中失水得到無水氯化鎂，再電解得到單質鎂.

[學生2]我覺得還可以加入氫氧化鈣進行沉淀.因為海邊可以的話可以從貝殼中直接獲得.這樣會比較經濟實惠.

[教師]分析的非常有道理，要從經濟角度分析(見表2).

表2

[學生3]我們小組做了實驗，發現澄清石灰水加入鹵水和海水中都沒有明顯的沉淀產生.

[學生4]可以加入石灰乳.

[教師]經過同學們的數據分析和實驗探究，我們實現了海水中鎂離子的分離提純，同時也富集了鎂.再選用電解法實現化合態鎂到游離態鎂的轉化，電解時要特別關注氯化鎂自身和環境的無水.海水中提取鎂技術中你覺得還需要考慮什么問題？

[學生]尾氣處理.生成的氯氣可以和氫氣反應生成氯化氫，生產鹽酸用于循環利用.

[教師]企業生產在追求經濟利益最大化的同時也要綠色化生產.就像察爾汗鹽湖公司一樣，走出鉀、抓住鎂、發展鋰、整合堿、優化氯，綜合發展.

設計意圖：通過對察爾汗鹽湖中鎂害問題解決，學生建立了一種模型建構，通過對模型的遷移應用，很好的解決了新情境中鎂的提純問題——海水中鎂的獲取.教學中設置的學生活動和實驗探究，確立以學生為主體地位，同學之間的互相探討、實驗探究、評價分析共同完成方案設計.屬于學科核心素養中實驗探究和創新精神，在化學學習過程中不斷質疑和佐證，不斷思考和總結，是一種創新精神的體現.

2.4 學習任務3——鎂的性質及用途

[設疑]察爾汗鹽湖公司生產大量鎂被用于生活中的各個領域.你能舉出一些例子嗎？

[學生]制造信號彈、生產煙花、做成鎂合金用于汽車、飛機、火箭等領域的零部件材料.

[教師]用途反映性質，你能從鎂的這些用途中猜猜鎂會具有哪些性質嗎？

[學生]進行猜測(見表3).

表3

[教師]請同學們再從鎂原子的微觀結構來分析它還能有哪些性質呢？

[學生]鎂能和非金屬單質反應，如氯氣、氧氣、溴蒸氣；能與酸反應；能與水反應；能與鹽溶液反應.

[教師]鎂的性質我們可以通過前面學習的鈉的性質進行預測，那么鎂和水反應現象與金屬鈉和水反應一樣嗎？

實驗探究：金屬鎂與水反應

實驗過程：

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，觀察現象；并滴入兩三滴酚酞試液，觀察現象.

(學生分小組進行實驗)

[學生]鎂與冷水幾乎不反應，熱水中發生反應，鎂條表面產生少量氣泡，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，它鎂能與氮氣、二氧化碳發生化學反應.請同學們注意觀察實驗現象.

[演示實驗]

①鎂條與氮氣的燃燒反應(氮氣由亞硝酸鈉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.

(反應后的集氣瓶通過實物投影展示).

[學生1]都是劇烈燃燒，發出耀眼的光，產生白煙.

[學生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，那么請同學們完成這兩條化學反應方程式的書寫.

[教師]通過對鎂性質的學習，請同學們再來說說，察爾汗鹽湖公司鎂害處理生產車間需要注意哪些問題？

[學生1]防火、防酸、防水.

[學生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.

[學生3]及時的處理氯氣，避免與金屬鎂接觸反應.

設計意圖：通過鎂的用途和結構的分析，預測鎂的性質.引導學生從物質的微粒觀、元素觀等分析物質的性質，發展了學生微觀探析和宏觀辨識的能力.同時也注重學生體會科學探究的一般過程和方法，從預測和假設到實驗的驗證分析，初步了解科學思維方法，建構研究化學變化的思路和模型，也發展了許是證據推理和模型認知的學科核心素養.