項目式學習的高中化學實驗教學實踐研究

摘" "要：在候氏制堿法這個真實情境中，利用問題驅動引導學生實踐并探究，在解決問題的過程中培養學生核心素養，進行項目式學習體驗，構建項目式學習模板。

關鍵詞：項目式學習；候氏制堿法；實驗教學

1" 候氏制堿法項目式學習背景

純堿是重要的基礎化工原料，其產量和消費量通常作為衡量一個國家工業發展水平的重要指標。純堿在工業、食品方面都有廣泛的應用，我國對純堿的需求量大，因此，學習如何制備純堿對高中學生而言是十分必需且重要的知識與技能。索爾維制堿法和候氏制堿法是歷史上最突出的兩大制堿法，而候氏制堿法是中華民族的驕傲，它承載著弘揚民族自信、進行愛國主義教育的育人價值。我校的高中學生選用的是蘇教版的教材，候氏制堿法作為教學素材出現在必修第一冊（2019年）P37“科學史話”中，學生沒有進行全面系統的學習，對候氏制堿法一知半解，在高考一輪復習的前期，該項目式學習是對學生知識的補充與拓展，也是高中化學實驗教學的重要載體。

2" 候氏制堿法項目式學習教學環節

2.1" 宣講歷史背景，引出項目主題

純堿的產量對于一個國家的化工生產至關重要，但在第一次世界大戰后，中國進口純堿的道路被封鎖。侯德榜先生帶領團隊對索爾維制堿法進行深入研究，不僅摸索出了索爾維制堿法的各項生產技術，生產出中國本土的“紅三角”牌純堿，還發明了候氏制堿法（聯合制堿法），開創了世界制堿工業的新紀元。侯德榜先生于1953年7月獲得中國工商行政管理局頒發的中國第一號發明證書，發明項目是候氏制堿法。假如現在你也是國家化工生產團隊中的一員，要如何為國家制備出高品質的純堿呢？讓我們一起跟著侯德榜先生的足跡，探密候氏制堿法的發明歷程。

2.2" 追溯研究歷程，析解項目流程

要制備純堿首先要解決原料問題，純堿是由Na+和CO32-構成，Na+ 可由較廉價的NaCl提供，CO32- 可來自于碳酸鹽、碳酸氫鹽、CO2等。在這些原料中較經濟的是石灰石，石灰石難溶于水，其中的CO32- 沒辦法直接與Na+ 結合，可先與酸反應制得CO2，再將CO2與堿反應制成CO32-加以利用。原料的大致方向有了，要怎樣才能高效又經濟地生產出合格的產品呢？侯德榜先生帶領技術人員經過長時間的思索與研究，成百上千次的實驗，終于成功將制堿工業與合成氨廠聯合起來，主要原料NH3和CO2由合成氨工業提供、過程中生成的CO2可循環使用，制堿的生產成本降低；不生成無用的CaCl2而是生成可作氮肥的NH4Cl，食鹽利用率提高了，可高達96%，完全克服了索爾維制堿法的缺點，得出了完善的可用于實際生產的工藝流程（如圖1）。

2.3" 創設真實情境，復刻項目主反應

走一走侯德榜團隊走過的路，也讓學生親身經歷制堿的不易與艱辛，筆者帶著學生一起在實驗室復刻候氏制堿法的主反應NaCl + CO2 + H2O + NH3 NaHCO3↓+ NH4Cl。候氏制堿法的主要原料是NaCl、NH3和CO2，為了得到更多的產品，這三者的濃度都要盡量大，學生最初的想法（方案一）是：往飽和食鹽水中同時通入NH3和CO2。在實驗過程中發現，如果用NH4Cl和Ca（OH）2固體制備NH3，因為加入反應器中固體的量不能太多，制備出NH3的量十分有限，沒辦法較長時間持續通入NH3；后改用加熱濃氨水制NH3，可通過分液漏斗往反應器中不斷添加濃氨水，制備出NH3的量可以較多，但NH3和CO2兩種氣體的流速較難控制基本一樣。有學生對氨氣的使用提出了自己的看法：加熱濃氨水產生NH3，再把NH3通入飽和食鹽水，是否可以直接往濃氨水中加入食鹽？于是就有了方案二：先配制濃氨水的飽和食鹽溶液，再持續通入CO2氣體。相比于方案一，操作更簡便了，但還是沒能成功制備出NaHCO3沉淀，是因為反應失敗了？還是通入CO2氣體的量還不夠？因為該反應沒有明顯現象而無法準確判斷，怎樣才能讓反應進程外顯出來呢？大家討論之后提出了方案三：在濃氨水的飽和食鹽溶液中加入酚酞，再持續通入CO2氣體。在通入CO2氣體的過程中，溶液顏色由紅色慢慢變淺至完全褪色，溶液顏色基本褪去時有少量固體物質生成，量很少。要怎樣才能得到更多的NaHCO3沉淀？學生都知道，NaHCO3的溶解度隨溫度升高而增大，要從溶液中析出更多的固體，可適當降低溫度。這樣就有了方案四，也是最后得出的較為成功的實驗方案：取10 mL濃氨水（購買的）于大試管中，加入食鹽固體溶解至飽和，滴入酚酞以便觀察反應的進程，并將反應裝置置于冰水浴中，再連續不斷地通入CO2氣體。實驗現象及結果見圖2。

保持CO2氣體流速適中，連續不斷通入CO2氣體3 h左右，溶液的紅色逐漸變淺至完全褪去。溶液褪色時有些許渾濁，再連續不斷通入CO2氣體1.5 h左右，試管底部沉積出的固體逐漸增多，當固體的體積大約與飽和食鹽濃氨水的體積相近時，固體的量不再增多，停止實驗。

2.4" 深入探索學習，解讀項目原理

為了讓學生更深入學習候氏制堿法的原理，領會其中的精髓與奧秘所在，筆者提出了以下問題與學生一起解決。

2.4.1" 本實驗中生成的沉淀都有哪些成分？如何檢驗？

學生先提出猜想（理論分析）：溶液中的成分有NaCl、NH3·H2O、H2O，隨著CO2氣體的通入NH3·H2O發生反應生成（NH4）2CO3、NH4HCO3，溶液中存在的主要離子有Cl-、Na+、NH4+、CO32-、HCO3-，得到的沉淀可能是NaCl、Na2CO3、NaHCO3、NH4Cl、（NH4）2CO3、NH4HCO3等。再設計方案分別檢驗Na+、NH4+、Cl-、CO32-、HCO3- 來判斷沉淀的成分。最后通過實驗發現，只有CO32-幾乎沒有，再結合這幾種物質的溶解性表，判斷沉淀的主要成分是NaHCO3，還有少量的NH4Cl。

2.4.2" 候氏制堿法是怎樣將NaHCO3和NH4Cl這兩種物質分開生產的？

學生認真對照候氏制堿法的流程與上述實驗室的復刻實驗，發現了其中的不同點：候氏制堿法是在常溫下，飽和食鹽水吸氨和碳酸化之后就將沉淀過濾出來，常溫（20 ℃）下NaHCO3和NH4Cl的溶解度分別是9.6 g、37.2 g，差別較大，析出的沉淀基本上是NaHCO3。過濾出NaHCO3后，再將過濾液（母液I）吸氨、降溫冷析，得到NH4Cl固體，不同于實驗室將反應和降溫一起進行。

還有，NaHCO3可溶于水，為什么能得到NaHCO3沉淀？候氏制堿法為什么不直接制得Na2CO3沉淀而是先制得NaHCO3？為什么要先制得飽和食鹽濃氨鹽水，再通入二氧化碳？在整個實驗過程中，溶液中微粒的種類、數量如何變化？原因是什么？在本實驗中，采用了哪些方法和措施來提高生成沉淀的量？實際工業生產流程中“吸氨”“冷析”“鹽析”過程的具體目的是什么？母液I、母液II的主要成分是什么？與索爾維制堿法相比，候氏制堿法的創新之處有哪些？

學生要回答這些問題，就必需反反復復地把候氏制堿法生產工藝流程的每一個環節、每一個反應、每一種溶液都細細推敲、仔細琢磨。在解決問題的過程中，分析問題的能力、邏輯思維能力都得到提升，宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想等核心素養得以培養。

3" 項目式學習模板構建

項目式學習指的是在真實的情境中，利用驅動性問題引導學生實踐并探究，在解決問題的過程中培養學生核心知識和學習素養[ 1 ]。圍繞著候氏制堿這個真實情境進行項目式學習，學生知道了如何根據純堿的成分選擇原料，明確了選取原料的思考方向，工業選取原料還需關注經濟成本、來源難易、利用率、運輸等問題；原料選定之后就是進行實驗方案的設計，每個人的想法不同，設計方案也可以多種多樣。學生學習了如何從眾多的想法中提煉出具體實驗方案，如何進行方案可行性的驗證，再設計分析、再實驗驗證，最后得出最優方案進行制備。經歷整個項目式學習過程之后，學生明確了制備物質的項目流程，構建了項目式學習模板，大致知道了怎樣做項目。

4" 結語

沒有人能隨隨便便成功，成功的背后往往都有著無數的努力與堅持，更有著對自己正在進行的事情的熱愛，熱愛是動力源泉，只要熱愛就可以全身心投入。在復刻候氏制堿法主反應的實驗過程中，學生們經歷了多次的失敗，但都沒有放棄，而是不斷分析總結失敗的原因，與教師一起探討，再實驗、再改進、再實驗、再改進，最后得出了較優的實驗方案，成功制備出NaHCO3，進而制備出純堿。同學們的努力與堅持有很大一部分來源于對侯德榜先生尊敬與崇拜，更來源于身為一個中國人的民族自豪感，以及對祖國的熱愛。學習是如此，化學實驗、工業生產亦是如此。

參考文獻：

［1］ 陳小琴. 指向深度學習的高中物理教學研究與實踐：以“探究安培力的方向”為例[J].中學理科園地，2022（5）：19-21.