氯堿工業——基于化工發展史的教學設計

文章編號:1005-6629(2010)10-0044-03 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B

1 教材內容分析及教學設計構思

氯堿工業是無機化工的支柱產業之一，在我國的化工產業中占有重要地位。其反應原理是電解原理的重要應用，也是高中化學中出現的為數不多的重要化工知識之一。離子交換膜法制燒堿的精巧設計，代表了目前工業制燒堿的先進技術，也是制堿工業長期發展、變化的結果，更是人類知識進步和智慧的結晶。我國氯堿工業在近年的發展中取得了長足的進步，但在某些方面還存在著一定的問題。在氯堿工業的電解原理和工業裝置的學習過程中，融入對其化工發展史的了解，一方面可加深學生對電解原理應用的理解，另一方面可以在對原理與設備的改進過程中，提高分析、對比和思辨能力，體會科技進步對工業發展的巨大推動力，同時，在對我國氯堿工業發展取得的成績和存在問題的思考中，增強為科技進步和祖國強盛而學習的動力。

電解原理一節[(蘇教版)化學反應原理模塊:化學反應與能量變化第二單元，電解原理及其應用(第二課時)]通常設計為兩課時，但從實際教學效果看，時間較緊，不利于學生系統深入地掌握相關知識和發展能力。基于氯堿工業在教材和工業生產中的特殊地位，為了體現其重要性及其蘊含的化學科學的人文內涵，結合普通高中化學課程標準:“通過化學發展史的線索，使學生認識化學概念和化學原理是不斷發展和深化的”的建議，為有效體現情感、態度和價值觀的教育，將其單獨列為一課時。將后面的電鍍與精煉銅與后面的習題課并為一課時，統籌安排。

2教學目標

[知識與技能]

(1)進一步了解電解池的工作原理。

(2)了解氯堿工業的反應原理和工業裝置原理。

[過程與方法]

通過實驗分析、對比、討論，思考歷史上關于氯堿工業原理的優點與缺點，培養概括能力和分析能力，加深對氯堿工業原理與裝置的認識和理解，在反思和比較中體會科技創新的過程與方法。

[情感、態度和價值觀]

(1)通過了解氯堿化工發展的歷史，感受人類科技進步發展的過程。

(2)了解我國氯堿工業發展歷史和現狀，增強為科技進步和祖國強盛而學習的動力。

3教學重點、難點

現代氯堿工業裝置的設計及其工作原理

4教學用品

帶支管U型管、小燒杯、導管、小型直流電源、氯化鈉溶液、酚酞試液、多媒體電教設備等。

5教學過程

[引入]大家都知道，我們習慣上經常稱氫氧化鈉為燒堿，有誰知道它的這一俗稱的來歷嗎?

[投影]介紹苛化法制燒堿的原理:Ca(OH)2+ Na2CO3 CaCO3↓+2NaOH

因反應一般在加熱條件下進行，所以制得的氫氧化鈉又稱作為燒堿。這是工業上最早制燒堿的方法。

[過渡]上節課大家學習了電解的基本原理，容易判斷出，電解飽和氯化鈉溶液能不能制得氫氧化鈉?今天我們就來做一做這個電解實驗。

[學生實驗]在U型管中電解飽和食鹽水，陽極產生氯氣的支管口接導管通入氫氧化鈉溶液，陰極產生氫氣的支管口用排空氣法收集檢驗。(如圖1所示，裝置圖用投影給出，開始將電源正、負極不標出，讓學生思考后給出)。

[投影問題組] (1)氣體分別在哪一極產生?滴入酚酞后哪一極附近的溶液先變紅?解釋原因。(總結后寫出電解飽和食鹽水的化學方程式，說明氯堿工業的含義)

(2)氯氣在溶液中產生后，剛開始時會不會大量溶解?為什么?

(3)電解一段時間后，氯氣的溶解程度會有什么變化?為什么?

(4)電解一段時間后，溶液中存在的溶質的成分有哪些?

(5)電解飽和食鹽水的產物H2、Cl2、NaOH都是極具應用價值的原材料，用這種裝置在工業上制取這三種物質是否適合?說明原因。

[思考討論]如要用電解飽和食鹽水的方法制燒堿和氯氣、氫氣，主要要解決哪幾個問題?

[學生討論并回答]主要應解決以下幾個問題:

(1)氯氣不能與氫氣混和——防止混合引起爆炸，防止產品不純凈。

(2)氯氣不與氫氧化鈉反應——防止生成次氯酸鈉，導致產品氫氧化鈉不純凈。

(3)氫氧化鈉與氯化鈉不能混合——防止氫氧化鈉不純凈。

[過渡]下面就來看一看早期的工業制法是怎樣克服上述問題的?

[投影展示]立式電解槽法氯堿工業生產原理，簡要介紹構造(見圖2)然后提出問題。

[學生思考]根據圖2所示，這種在氯堿工業上長期應用的裝置有何特點?是否克服了上述問題?

[總結]氫氧化鈉產品不純凈的問題依然沒有解決，獲得的產品需要提純或分離。

[設問過渡]能否有更好的方法解決這一問題呢?下面大家來看這樣一組問題:

[設問](1)氫氧化鈉是在哪一極產生的?(生答:陰極)

(2)氯化鈉中哪一種成分是對于氫氧化鈉是有效成分?(生答:鈉離子)

(3)從離子的角度來看，氫氧化鈉不純凈，就是因為其中混有了什么離子?(生答:氯離子)

(4)可用什么方法避免氯離子的混入又不影響氫氧化鈉的生成呢?(觀察動畫幫助理解)

[學生思考并討論]得出:增加一個裝置阻止氯離子進入陰極附近，允許鈉離子自由移動。

[過渡]有沒有這樣一個設備呢?引出離子交換膜。

[再問]雖然過程中阻止了氯離子進入，開始時加入的氯化鈉飽和溶液總是會帶入一定的氯離子，怎么才能解決這個問題?

[學生討論]得出:在陰極室開始只加入氫氧化鈉溶液起導電的作用，以保證制得的氫氧化鈉溶液的純凈。

及時肯定學生思考的成果。

[動畫演示]氯堿工業陽離子交換膜的工作原理(見圖3)。

[列表比較分析]

[總結]理論與工業應用的關系

(1)在工業上，理論的應用需要有工藝的支持。

(2)工藝的發展與技術、設備、原材料等的發展有密切的聯系。

(3)氯堿工業的發展過程體現了理論與工藝的聯系，體現了工業發展需要理論、工藝、設備等多方面配合、多方面支持的特點。

[觀看錄像]氯堿工業

[投影]我國氯堿工業的發展歷史和現狀分析

(1)中國已成為世界級氯堿生產大國。

(2)離子膜法比重迅猛上升。

(3)我國氯堿工業發展的幾個重大事件

(4)不容忽視的問題

①生產工藝有待改進，能耗還比較大:能耗狀況

②行業分散度大， 集中度低， 整合困難:分布情況

③裝置連續運行時間短，離子交換膜使用壽命不夠長:離子膜使用情況

④鹽耗高于國外先進水平 :鹽耗情況

⑤與氯堿工業相關聯產業結構比較松散:關聯產業

[總結]根據補充學習我國氯堿工業發展狀況，大家可以看出，在化學化工這個廣闊的天地里，需要我們有所作為的空間很大、很多，在實際應用和工業生產中，有許多問題有待我們發揮聰明才智，為祖國化工事業的振興和騰飛作出努力和貢獻。

[請你當回設計師]請從離子交換膜的應用原理角度思考，如何用電解的方法以Na2SO4為原料制取氫氧化鈉和硫酸。(學生思考在黑板上畫出裝置圖后，動畫演示其原理)

[作業](1)寫一篇網絡調查報告:分析我國目前氯堿工業的未來發展趨勢。

(2)完成書后習題P21第5小題

附:我國氯堿工業發展狀況PPT(部分)