從一個實例看新教材工業模塊的知識要求

摘要：新教材中的工業模塊知識對中學化學教師的知識結構提出了新的要求，本文從這種要求出發，對教師在工業模塊中需掌握的知識提出了一些建議。

關鍵詞：新教材；工業模塊

文章編號：1005－6629(2007)05－0028－03中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1一個新教材中的實例

在2001年教育部頒發的《基礎教育改革課程綱要》中明確指出了課程改革的目標有六點，其中之一為：“…加強課程內容與學生生活以及現代社會和科技發展的聯系，關注學生的學習興趣和經驗，精選終身學習必備的基礎知識和技能…”[1]。在這個思想的指導下，高中化學課程標準以模塊為單位，每一模塊包含若干個主題，其中大多數主題都從學生的生活實際出發，有些甚至直接從生產流程中抽象提煉產生。這給我們的化學老師提出了一個新的挑戰。我們該如何上好這些知識？我們還能不能以不變應萬變、靠以前的純理論知識來解決新教材中的這些變化？為了與同行對這一問題進行探討，筆者從江蘇教育出版社的新教材（下稱“蘇教版”）的一個實例出發。

在蘇教版必修本第一冊專題三“從礦物到基礎材料”的第一單元“從鋁土礦中提取鋁”工業流程中，教材中的提煉方法如下[2]：

對這一流程，很多教師都持有異議，認為這樣出來的鋁不純凈，含有大量的二氧化硅。他們認為二氧化硅會與氫氧化鈉反應生成硅酸鈉，硅酸鈉在二氧化碳作用下變成硅酸，硅酸在高溫下分解成二氧化硅。根據這一理由，有些教師認為這一流程有缺陷，因此他們改變了這一流程，目的使這一流程變得“更為科學”[3]， 有些教師甚至在課堂上把這個作為學生進行探究性學習的一個案例來使用，希望學生能找出教材中的“錯誤”并加以“改正完善”。

但實際生產情況又是如何呢？筆者查閱了相關資料，得知這種生產氧化鋁的流程叫做拜爾法（Bayer Process），是現有生產氧化鋁的一種比較成熟的方法。一般企業采用這種方法，通入二氧化碳后獲得的沉淀組分質量分數為：Al(OH)₃%≥99.5%，SiO₂%≤0.02%， Fe₂O₃%≤0.02%， 完全符合電解氧化鋁所需的純度。從這些數據來看，這種提煉法產生的氧化鋁純度不僅吻合工業實踐的要求，離我們所說的純凈物的要求也相差不多(化學純≥99.5%)！那么，教師們的觀點又錯在哪里呢？

2工業生產中的實際情況

在實際工業流程中，會用到很多的設備，每個反應設備在工業中都是一個操作單元。這些設備反映在教科書或題目中只是一個框，設備與設備的連接裝置也只是幾個箭頭而已，我們的教師在教學時一般會只定位在工業流程中所涉及的一些方程式，而忽略實際的生產情況。這樣，我們不僅沒能達到新教材的設計意圖，也可能會導致一些失誤。筆者以為，對于工業流程圖，除了意識到每一個方框中代表的是一個反應設備，還要意識到每個設備與我們實驗室的玻璃容器是有些區別的。區別之一：在連續的反應設備中，設備不可能空著運轉，所以它們之間一定不停地進出著各種反應物和產物，所以在一個成熟的工業流程中，同樣流量的物質在每個特定同一容器中所滯留的時間是相等的；區別之二：工業中的每個設備都有相關的輔助設備（例如測溫度的、測pH值的、測濃度的等等），這些輔助設備能保證產物按照最理想的情況運行，區別之三：為保證產品質量，在每個反應設備中，工業生產時可能會加入一些輔助物質。

在拜爾法生產氧化鋁的過程中，加入NaOH的過程無疑是最重要的一步反應。在這個過程中不僅要完成氧化鋁的分離，還要完成二氧化硅的沉淀分離（工業稱之為“脫硅反應”），反應過程如下[4]:

對于這一反應，溫度濃度的不同都可能影響反應產物結構。此結構類似于二氧化硅的結構，只不過每個Al3+替代二氧化硅晶格中的Si4+，不足的電荷部分由鈉離子補充。這個反應通常情況下很難進行，為使這一反應順利完成，工業中通常會加入一些晶種促使反應速率加快。為了更好的消除二氧化硅，有些工廠在這一過程中還會加入CaO，CaO的作用有兩個，其一能與Na₂SiO₃、NaAlO₂在溫度較高的環境下形成更難溶的鈣霞石，從而有利于減少產品中的二氧化硅含量；其二能除去鋁土礦中的少量雜質碳酸鈉、磷酸鈉，同時還能產生生產所需的NaOH，反應方程式如下[5]：

3 工業模塊的對教師的要求

從以上分析我們獲知，教師們之所以會出錯，原因在于教師們的知識過于書本化了。他們或不知道形成鋁硅酸鹽的化學方程式，或雖然知道但也認為此反應很困難、且生成物鋁硅酸鹽是一種結構很疏松的物質，很難沉淀下來。而生產實際中晶種的加入使反應變快，離心設備的存在使得分離沉淀物不再困難[5]！

所以，筆者以為：新教材中大量的工業知識對我們現有教師的知識結構提出了很大的挑戰。它要求我們教師懂得一些工業相關知識，筆者在此提出一些相關建議。

3.1了解一些工業發展歷史

我們教材中現有的工業處理流程并不是一出來就是這樣的，而是在工業生產實際中經過多次改動，才形成了現有的較為滿意的工業流程。所以，了解每一個工業發展的歷史有助于我們了解現有工業流程較以往工業流程的優點。

以我們比較熟悉的氯堿工業為例，現有最先進的方法為離子膜交換法。但在氯堿工業的發展過程中，我們經歷了化學法（開始于18世紀初，持續100多年，其中氯氣生產方法為 MnO₂ +4HCl

MnCl₂+Cl₂+2H₂O，氫氧化鈉生產方法為Na₂CO₃+Ca(OH)₂→2NaOH⁺CaCO₃、隔膜電解法（始于1885年）、水銀電解法（始于1892年）、離子膜交換法（始于1970年）。也就是說，用電解飽和食鹽水方法來制氯氣及氫氧化鈉我們就經歷了三種不同的方法。雖然我們教科書中寫的是離子膜交換法，在現實教學中我們也未必就需要把這個發展過程說得這么清楚，但作為教師卻應該比學生懂得一些較多的背景知識，這樣我們才能很好地回答來自成績優秀同學的提問。三種電解方法的主要特點見下表。

表三種電解法比較

3.2 掌握一些工業生產原理

在高中一說到工業生產原理，大多數人想到的就是工業中涉及的幾個反應方程式。其實，在工業中，除了幾個與物質相關的化學反應方程式外，還有很多基本原理。其中，有些基本原理也與我們中學化學知識密切相關。作為教師，我們除了熟記這些基本原理外，還需要從根本上理解這些原理。例如，對于我們都很熟悉的逆流原理，一些老師只知道這個名稱，卻不知道為什么要逆流，更多的老師則是知道在熱交換機中逆流能使能量充分交換卻不知道為什么這樣就能做到這一點！其實，每一個我們看起來不那么特別的工業原理的背后有著很多的科學知識。

例如，對于熱交換機，流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大，順流最小。

在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節省設備費，后者可節省操作費，故在設計或生產使用中應盡量采用逆流換熱。

當冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關了。

當然，專業的化工原理對此原理還有大量的計算保證，如果我們教師能多看一點與此相關的化學化工知識，我們會發現很多的化工原理其實不是我們課堂中向學生講述的那樣簡單！

3.3明白一些工業處理細節

在化工實際生產過程中，為保障經濟、環境等其它的綜合利益，會有很多工業的細節。了解這些工業細節對于我們明白整個工業流程無疑是很有好處的。例如，對于純堿工業，就生產原理這一環節上，就包括以下步驟：

（5）洗滌沉淀碳酸氫鈉

（6）熱分解碳酸氫鈉，產生的二氧化碳到步驟4

（8）用步驟7石灰乳與步驟4產生的母液反應，產生的氨氣回流至步驟3

對于每一步，又有很多的細節，例如在步驟1中，由于工業用的氯化鈉純度達不到純堿生產工藝對氯化鈉的純度要求，所以在步驟1中，需要用消石灰和碳酸鈉去除氯化鈉成分中的Mg²⁺、Ca²⁺，化學方程式如下：

這些細節問題已在很多省市高考題中出現，例如05年上海市高考題的第26題考得就是純堿工藝的細節問題。原題如下：

26.（A）我國化學家侯德榜改革國外的純堿生產工藝，生產流程可簡要表示如下：

(1) 上述生產純堿的方法稱 ________，副產品的一種用途為________。

(2) 沉淀池中發生的化學反應方程式是_____。

(3) 寫出上述流程中X物質的分子式______。

(4) 使原料氯化鈉的利用率從70%提高到90%以上，主要是設計了________（填上述流程中的編號）的循環。從沉淀池中取出沉淀的操作是_____。

(5)為檢驗產品碳酸鈉中是否含有氯化鈉，可取少量試樣溶于水后，再滴加________________。

(6)向母液中通氨氣，加入細小食鹽顆粒，冷卻析出副產品，通氨氣的作用有_______________。

(a)增大NH₄+的濃度，使NH₄Cl更多地析出

(b)使NaHCO₃更多地析出

(c)使NaHCO₃轉化為Na₂CO₃，提高析出的NH₄Cl純度

如果我們教師在課堂中提早涉及這些知識，學生對這些工業細節就不會陌生。無疑，學生對這些試題的得分率就會大大提高。新教材更講究聯系生產、生活實際，所以在可以預見的未來，那些適合高中化學的工業細節知識將會大量出現在試題上。如果我們教師擁有這些知識，對于理解、改編、編制這些試題無疑大有幫助。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部. 基礎教育課程改革綱要(試行)[J]. 云南教育，2002(7):3

[2]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書化學1（必修）[M]. 江蘇教育出版社 2005年6月第二版 p62.

[3]http://chem.cersp.com/KSPJ/KSPJ/200601/315.html

[4]武漢大學等校編. 無機化學[M]. 高等教育出版社1983年12月第二版 p204.

[5]Wiley-VCHUllmann's Encyclopedia of Industrial ChemistrySixth edition，2002.

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