教與育并行，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

單瑩瑩

摘要：以“化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化一工業(yè)合成氨”為例，借助問題實施任務(wù)驅(qū)動，讓學(xué)生在情境中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中思考，建構(gòu)化學(xué)工藝條件優(yōu)化、選擇的一般思維模式。結(jié)合化學(xué)史料，讓學(xué)生感悟科學(xué)家勇于探索的精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在新課程理念指導(dǎo)下，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)合成氨;條件選擇：化學(xué)史;學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）09x-0055-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.09x.015

一、教學(xué)設(shè)計背景

學(xué)科的育人價值通過學(xué)科核心素養(yǎng)體現(xiàn)，學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成正確的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)識、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任是化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。[1]《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊要求學(xué)生“認(rèn)識化學(xué)變化所遵循的基本原理，贊賞運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理對人類社會文明和科學(xué)技術(shù)所起的重要作用。[2]“‘化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化一工業(yè)合成氨”是對化學(xué)反應(yīng)方向、限度和速率的綜合應(yīng)用，是應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行人工固氮的成功典范。該內(nèi)容的學(xué)習(xí)讓學(xué)生體驗合成新物質(zhì)的過程，在教學(xué)中突出育人價值，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

“化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化一工業(yè)合成氨”安排在高中化學(xué)魯科版《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第四節(jié)，教材從反應(yīng)限度、速率角度結(jié)合設(shè)備及實際情況分析出合成氨的最優(yōu)條件。[3]這雖然能體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)原理中理論對生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)作用，但學(xué)生感受不到合成氨從發(fā)現(xiàn)到工業(yè)化過程中科學(xué)家們百折不撓、勇于探索的精神。合成氨的研究先后持續(xù)了一個世紀(jì)，由宏觀到微觀，從實驗室到工業(yè)化，科學(xué)家攻堅克難、高度創(chuàng)新，在這個發(fā)展歷程中蘊(yùn)含了豐富的教育價值。[4]本節(jié)課將知識發(fā)展和情感聯(lián)系建立起來，分兩條主線進(jìn)行教學(xué)，一方面探究合成氨的最佳條件，另一方面讓學(xué)生通過史學(xué)材料，感悟科學(xué)精神，落實并發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，從學(xué)生的終生發(fā)展來看，設(shè)計這節(jié)課是有意義的。

二、主要教學(xué)環(huán)節(jié)

1.精心安排驅(qū)動問題，助推學(xué)生深層思維

[新課引入] 19世紀(jì)初，人們認(rèn)識到氮肥可促進(jìn)農(nóng)作物的生長，1913年世界氮肥的總產(chǎn)量為91.6萬噸，其中43.6萬噸來自智利的硝酸鈉礦，天然硝石產(chǎn)量有限且價格昂貴，不能滿足農(nóng)業(yè)需求。空氣中氮?dú)庹伎諝怏w積的78%，固氮成為科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。如何向空氣要氮肥？怎樣把氮?dú)廪D(zhuǎn)化成氮的化合物？

[學(xué)生]空氣中氮?dú)獾脑鼗蟽r為零，向空氣要氮肥，要么把氮元素氧化，要么把氮元素還原，能想到氮?dú)馀c氫氣反應(yīng)和氮?dú)馀c氧氣反應(yīng)。

[老師]結(jié)合老師給出的表1、表2的相關(guān)數(shù)據(jù)，同學(xué)們從平衡常數(shù)和能否自發(fā)兩個角度進(jìn)行分析，選擇哪個反應(yīng)固氮更合適？

[學(xué)生]從化學(xué)平衡的視角分析，合成氨可行;通過計算△H- TAS<0，合成一氧化氮需要很高的溫度，298K時合成氨反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。所以可用氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)生成氨氣來實現(xiàn)向空氣要氮肥。

[老師]1909年，德國化學(xué)家哈伯就是用這種方法合成氨的，哈伯在500 - 600℃、17.5 - 20.0 MPa下，用鋨做催化劑直接將氮?dú)馀c氫氣合成氨，但僅僅得到了6%的氨。假如你是那個時期的科學(xué)家，請結(jié)合表2、圖1和圖2的相關(guān)數(shù)據(jù)，用平衡移動的知識分析如何提高混合物中氨的含量？

【學(xué)生】總結(jié)見表3

[教師]由化學(xué)平衡移動知識可知，在高壓和低溫條件下合成氨有較高的轉(zhuǎn)化率，但高壓對設(shè)備要求苛刻，低溫降低反應(yīng)速率，反應(yīng)速率很低時生產(chǎn)也就失去了意義。因此，尋找最佳生產(chǎn)條件，除了考慮與化學(xué)平衡相關(guān)的因素，還要研究如何提高反應(yīng)速率，請結(jié)合資料I、Ⅱ和表4研究提高反應(yīng)速率的措施有哪些？

資料I.研究表明，在一定條件下，氨的合成反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系：v=kc（N2）cL5（H2）c-1（NH3）。

Ⅱ，氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)在催化劑表面進(jìn)行，這個過程要經(jīng)歷反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑表面、吸附在催化劑表面、發(fā)生表面反應(yīng)、產(chǎn)物從催化劑表面脫附、產(chǎn)物擴(kuò)散離開反應(yīng)區(qū)等五個步驟，其中氮的吸附分解所需活化能最高，是控制總反應(yīng)的關(guān)鍵步驟，應(yīng)適當(dāng)提高氮?dú)獾谋壤虼说獨(dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比例不按1：3，而是n（N2）：n（H2）=1：2.8。將氨從反應(yīng)后的混合氣體中分離出來，才能空出更多的活性中心供合成氨使用，因此降低反應(yīng)后混合氣體中氨的比例可提高反應(yīng)速率。

[學(xué)生]根據(jù)所給信息，小組研討交流，表5展示的是學(xué)生研討的結(jié)果。

[老師]根據(jù)合成氨的反應(yīng)特點(diǎn)，請同學(xué)們將提高反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)化率和提高反應(yīng)速率的措施列在一個表格中。

[學(xué)生]總結(jié)（見表6）。

[老師]從表6可以看出，在合成氨生產(chǎn)中，高轉(zhuǎn)化率和高反應(yīng)速率采取的措施有時是矛盾的，從轉(zhuǎn)化率角度來說低溫轉(zhuǎn)化率高，但低溫反應(yīng)速率低;氮?dú)狻錃獾奈镔|(zhì)的量之比為1：3時轉(zhuǎn)化率最高，但從速率和催化劑角度分析，氮?dú)夂蜌錃馕镔|(zhì)的量之比為1：2.8時更合適。因此，實際生產(chǎn)中，既不能只追求高的反應(yīng)速率，也不能只追求高的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)綜合考慮，在較高的反應(yīng)速率下獲得適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化率，現(xiàn)階段合成氨的適宜條件見表7。

[老師]溫度高，反應(yīng)速率快，但不利于氨的合成，在實際生產(chǎn)中一般控制在催化劑活性最大的反應(yīng)溫度700 K左右。從表8可以看出，即使在溫度和壓強(qiáng)最佳條件下，平衡混合物中氨的含量仍不高，怎么辦？

[學(xué)生]循環(huán)利用原料，可提高工業(yè)合成氨平衡轉(zhuǎn)化率。

[老師]通過合成氨工藝的學(xué)習(xí)，請同學(xué)們總結(jié)出化工生產(chǎn)適宜條件選擇的一般原則？

表9是老師引導(dǎo)、學(xué)生思考得出的原則。

2.多方式呈現(xiàn)化學(xué)史料，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)

視頻播放“合成氨工業(yè)起源、工業(yè)合成氨、合成氨生產(chǎn)工藝”，學(xué)生不但了解合成氨的理論知識，對工藝設(shè)備、流程等有了感性的認(rèn)識，同時對合成氨在工業(yè)化過程中作出貢獻(xiàn)的多位科學(xué)家也有了感性認(rèn)識。在合成氨的發(fā)展過程中，有三位化學(xué)家獲得過諾貝爾獎，[5]在這個過程中他們都突破了什么難題？做出了怎樣的貢獻(xiàn)？現(xiàn)如今合成氨又有了怎樣的發(fā)展？

（1）合成氨條件的優(yōu)化與選擇

第一個從空氣中制造出氨的科學(xué)家是德國化學(xué)家哈伯，在1904-1905年間，哈伯用陶瓷管做試驗，用鐵做催化劑，在常壓、高溫（1020℃）達(dá)平衡時，氣體混合物中含0.012%（容積）的氨。為了尋找較低溫度下的催化劑，哈伯團(tuán)隊進(jìn)行了兩萬多次試驗，最終選擇在較低溫度具有良好活性的金屬鋨做催化劑。即使選擇了450℃、200x105 Pa和餓做催化劑，氨的平衡含量仍很低，如何提高氨含量成為合成氨的難題，1908年，哈伯首次提出對氨合成氣進(jìn)行再循環(huán)的主張，他堅信，若氮?dú)狻錃庠诟邏合卵h(huán)使用，并從循環(huán)系統(tǒng)中不斷分離出氨氣，定能提高氨的平衡含量，1910年5月，哈伯終于在實驗室取得了可喜的成果。哈伯完成了合成氨的基礎(chǔ)開發(fā)工作，摸索出合成氨的條件，因此獲得了1918年諾貝爾化學(xué)獎。

（2）催化劑選擇與高壓問題的解決

自然界中鋨儲量少，價格昂貴，且鋨易轉(zhuǎn)變成揮發(fā)性的氧化物。博施及其團(tuán)隊認(rèn)為尋找更安全、廉價的催化劑是合成氨的關(guān)鍵，他們先后進(jìn)行了6 500次實驗，試驗了2 500種配方，確定工業(yè)合成氨的催化劑為鐵觸媒。從反應(yīng)速率和平衡角度來看高壓對合成氨有利，但高壓對設(shè)備材質(zhì)要求高，耐高溫、高壓反應(yīng)裝置是博施團(tuán)隊要解決的第二個問題。博施及其團(tuán)隊經(jīng)過多次試驗，把含碳量極低的熟鐵內(nèi)襯加到高強(qiáng)度碳素鋼圓筒內(nèi)，在外層碳鋼上穿細(xì)孔，氫氣從細(xì)孔逸出，解決了高溫高壓下碳鋼和氫氣直接接觸反應(yīng)生成CH4的情況。廉價催化劑和耐高溫、高壓設(shè)備問題由博施及其團(tuán)隊解決，由此開啟了工業(yè)合成氨時代，博施獲得了1931年諾貝爾化學(xué)獎。

（3）合成氨微觀機(jī)理的探究

科學(xué)家提出過很多有關(guān)合成氨的機(jī)理，只有德國化學(xué)家埃特爾能用實驗證明他的理論是正確的。埃特爾創(chuàng)造了超凈、高純的真空環(huán)境，檢測到了合成氨反應(yīng)過程中的各種中間體。埃特爾教授認(rèn)為催化劑表面吸附氮、氫分子，氮原子逐步加氫，最終生成氨分子，并給出每步反應(yīng)的活化能。氮的吸附和解離是合成氨的控制步驟，最后確定氮?dú)夂蜌錃馔读系奈镔|(zhì)的量之比為1：2.8，埃特爾揭開了合成氨的“天機(jī)”，他于2007年登上了諾貝爾化學(xué)獎領(lǐng)獎臺。

（4）合成氨現(xiàn)階段的突破

2016年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所提出以堿（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)，實現(xiàn)了在100℃和常壓條件下合成氨。這是合成氨近年來研究中的重大突破，為節(jié)能催化劑的研究提供了新思路。

[老師]經(jīng)過艱難的問題解決過程，哈伯、博施實現(xiàn)了氨的工業(yè)化生產(chǎn)，實現(xiàn)了“向空氣要氮肥”的愿望，艾特爾和后來的科學(xué)家進(jìn)一步研究了合成氨的機(jī)理。試想，如果沒有科學(xué)家的辛苦付出，氮肥不能滿足農(nóng)業(yè)的需求，糧食將不能滿足日益增長的人口需求，我們在感嘆之余，要感謝科學(xué)家強(qiáng)烈的責(zé)任感和社會擔(dān)當(dāng)。合成氨反應(yīng)中，尋找高效常溫催化劑將成為今后科學(xué)家們重點(diǎn)突破的難題之一，在這個領(lǐng)域還可能會頒發(fā)第四次甚至第五次諾貝爾獎，期待領(lǐng)獎臺上有同學(xué)們的身影。

三、課后反思

1.以老師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體

本課主要以問題驅(qū)動為引領(lǐng)，學(xué)生通過思考回答問題，總結(jié)得出工業(yè)合成氨的最佳條件，這樣設(shè)計既體現(xiàn)了教師的教學(xué)理念和主導(dǎo)作用，又給學(xué)生充足的思考和交流空間。有了化學(xué)反應(yīng)方向、限度、速率的知識積累，工業(yè)合成氨的教學(xué)中，學(xué)生有觀點(diǎn)、有論據(jù)、有追問、有生成，實現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)。

2.化學(xué)教學(xué)與人生教育相伴相隨

教學(xué)隨處蘊(yùn)藏著育人。這節(jié)課的教育價值何在呢？多年以后，學(xué)生可能忘了工業(yè)合成氨的條件，但會記得那些為人類進(jìn)步做出巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家，記得科學(xué)研究的不易和艱辛，記得不放棄就會有回報的做事態(tài)度。

參考文獻(xiàn)

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