通過講解化工工藝提升學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)

呂兆蘭

【摘 要】本文選取四種常見的化合物的化工生產(chǎn)工藝進行分析，探討其工業(yè)制法所涉及的化學(xué)原理，學(xué)以致用，以此提高學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué) 化合物 工業(yè)制法 化學(xué)素養(yǎng)

【中圖分類號】G 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）07B-0150-02

高中化學(xué)教學(xué)基本上是以實驗為線索，以物質(zhì)為中心進行展開的。鑒于化學(xué)的實踐性質(zhì)比較強，因此各種物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)之間的反應(yīng)情況是學(xué)習(xí)的重點。化學(xué)反應(yīng)的實踐性在制備工藝上體現(xiàn)得尤為顯著，下面選取四種化工工藝進行分析。

一、電解鹽水，了解電子得失

電解鹽水是氯堿工業(yè)中的一個步驟，體現(xiàn)了電因素對化學(xué)反應(yīng)的干預(yù)作用。在微觀層面，我們可以通過探討化學(xué)工藝的原理，來研究電子的得失過程，促進學(xué)生對電化學(xué)認(rèn)知進程，積累化學(xué)素養(yǎng)。

以電解飽和食鹽水的過程為例，談一談在課上講解電子得失原理的教學(xué)策略。在高中電解實驗中經(jīng)常見到的就是電解飽和食鹽水了，這種電解實驗操作簡單、現(xiàn)象明顯，因此經(jīng)常作為教學(xué)實驗。電解的方程式：

2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑

電解池由電極和電解液組成，電解后會在陽極生成氯氣，在陰極生成氫氣。為什么會有這樣的現(xiàn)象？為此筆者帶領(lǐng)學(xué)生進行微觀層面分析：觀察電解的過程發(fā)現(xiàn)，這實際上是發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，但是產(chǎn)物氫氧化鈉中的三種原子卻沒有參加氧化還原反應(yīng)。鈉原子最外層電子數(shù)為 1，氯原子最外層電子數(shù)為 7，二者正好可以互補成為最外層電子數(shù)為 8 的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此二者之間的化學(xué)鍵是比較強勁的。穩(wěn)定的化學(xué)鍵使得 NaCl 在水中不可能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因此需要進行電離，通過外加電流的影響來干預(yù)電子的得失，從而“人為”地制造氧化還原反應(yīng)。結(jié)合化工工藝中的實際效果，輔以筆者在課上的講解，學(xué)生對電解中電子得失的過程有了一個清晰的認(rèn)識，這是一項很重要的化學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)。電解的工藝比較簡單，透過電子轉(zhuǎn)移的過程，我們可以很清楚地分析電子得失的原理，達到教學(xué)目標(biāo)。

電解鹽水是化學(xué)工業(yè)中非常經(jīng)典的一個工藝，氫氧化鈉、氯氣和氫氣都是重要的化工生產(chǎn)原料，所以說氯堿工業(yè)也是一個基礎(chǔ)性的化工工藝。學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)原理，既通達了知識，又拓展了實際應(yīng)用的視野。

二、水煤氣法，認(rèn)識高溫還原

相對于二氧化碳來說，一氧化碳的“存在感”要低一些。但是一氧化碳也不是默默無聞的，所謂的煤氣中毒就是由一氧化碳引起的。雖然說一氧化碳有毒，但是也不是百害而無一利，作為一種化工原料它是必不可少的。一氧化碳在工業(yè)上一般采取“水煤氣”法進行制取，通過了解工藝流程，我們可以認(rèn)識高溫條件下的還原反應(yīng)原理，從實際情況中積累化學(xué)素養(yǎng)。

所謂的“水煤氣”法，指的是在高溫的條件下還原水蒸氣，這類似于一種置換反應(yīng)。在化學(xué)中有很多種反應(yīng)，原理奇特的不在少數(shù)，高溫還原水蒸氣就是其中一種。化學(xué)的海洋還很浩瀚，學(xué)生需要不斷認(rèn)識新的反應(yīng)原理，積累素養(yǎng)。因此，在課堂上，筆者通過分析“水煤氣”制作過程中的高溫還原反應(yīng)，來深化學(xué)生對還原反應(yīng)的認(rèn)知。“水煤氣”法的反應(yīng)方程式為：

C+H2O（g）CO+H2

反應(yīng)的原理從方程式上來看一目了然，通過高溫下的還原，碳原子替代了兩個氫原子與氧原子結(jié)合，結(jié)果本來的單質(zhì)變成了氧化物，氧化物變成了單質(zhì)，產(chǎn)物即為一氧化碳和氫氣。從方程式上來看，碳單質(zhì)的參與讓還原反應(yīng)多了一些神秘性。這也體現(xiàn)了置換反應(yīng)不是金屬單質(zhì)的“專利”，在一些特定的條件下，如高溫，發(fā)生一些不太常見的還原反應(yīng)也是常有的事。實實在在的工業(yè)制法讓同學(xué)們更加信服化學(xué)的力量，同時也讓課堂教學(xué)更加貼近實際。其實化學(xué)就在身邊，化學(xué)素養(yǎng)是通過興趣和知識鍛造出來的。

一氧化碳是有毒氣體，但是在化學(xué)工業(yè)中卻是一種重要的原料。這就反映了一種辯證思想，任何一種事物都會有正反兩個方面，不能單一、片面地看待。在我們的課堂上，“水煤氣”法就成了一種教學(xué)的資源，拓寬了學(xué)生的視野。

三、氮氫化合，權(quán)衡反應(yīng)條件

氨氣的制備主要是依賴于氮氫化合反應(yīng)，因此制取氨氣的過程通常叫做合成氨工業(yè)。在合成氨的化學(xué)反應(yīng)中，有一個非常經(jīng)典的反應(yīng)方向的問題，探討這一問題能夠讓學(xué)生更好地了解到反應(yīng)條件對化學(xué)反應(yīng)的影響。

可逆反應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)中可以說是比較靈活的一種反應(yīng)，很多學(xué)生在面對可逆反應(yīng)時，不知道如何判斷反應(yīng)的方向。在實際的題目中，可逆反應(yīng)偏偏是一個重點問題，有時候真的讓學(xué)生束手無策。一個好的化學(xué)學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)具有探索精神，因此筆者在課堂上經(jīng)常給學(xué)生滲透這種思想，帶領(lǐng)學(xué)生去探究可逆反應(yīng)的問題。氮氣氫氣合成氨氣的反應(yīng)就是一個很好的例子，筆者在課上引用了這一案例。氮氣氫氣合成氨的反應(yīng)方程式為：

N2+3H22NH3

作為一個可逆反應(yīng)，其實化學(xué)方程式應(yīng)該寫為：

N2+3H22NH3

高溫高壓、催化劑這些條件是促進反應(yīng)向右進行的附加因素。反應(yīng)誠然是一個簡潔的反應(yīng)，但是反應(yīng)的可逆性讓工業(yè)制取里的產(chǎn)量、效率出現(xiàn)了問題，所以說如何讓反應(yīng)向正向（制取氨氣取合成的方向為正向）進行是一個關(guān)鍵問題。筆者問學(xué)生，原子個數(shù)為 4 個，反應(yīng)后原子個數(shù)變?yōu)榱?2 個，越反應(yīng)氣壓越低，那么此時人為減小氣壓會怎么樣？學(xué)生結(jié)合化學(xué)反應(yīng)原理中的知識，通過分析、思考基本都能判斷出反應(yīng)更難進行了。此時，筆者及時點出化學(xué)反應(yīng)條件對反應(yīng)進行方向的影響和作用。當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)生了氣壓降低的結(jié)果時，加大氣壓就可以抵消氣壓降低的影響，進而使反應(yīng)不斷地向正向進行。溫度的影響作用也是如此，此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此低溫有利于反應(yīng)向正向進行。但是我們觀察到，反應(yīng)有利條件為“高溫”，這卻與反應(yīng)本身的有利條件相矛盾。原來，反應(yīng)過程中還有一個“角色”，那就是催化劑。高溫可以促進催化劑的催化效果，使反應(yīng)速度加快。這樣即使反應(yīng)不完全，也可以通過高速率循環(huán)來彌補，兩相權(quán)衡，采用的高溫結(jié)合催化劑的條件是可行的。

制取氨氣是一個非常重要的化工工藝，它在高中課內(nèi)也是一個重點。尤其在氨氣制取的工藝過程中出現(xiàn)了理論與實際有出入的地方，更需要學(xué)生特別注意，以免造成只讀課本、脫離實際的后果。化學(xué)反應(yīng)的方向在實際應(yīng)用中非常重要，需要對反應(yīng)條件進行權(quán)衡，這一種思想方法也是一種深層次的化學(xué)素養(yǎng)。

四、催化氧化，拆合化學(xué)方程

制取一氧化氮是硝酸工業(yè)的第一步，一氧化氮的制取原理為對氨氣進行催化氧化，這就體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)中的連續(xù)性。這里的連續(xù)性包含了一系列的連續(xù)反應(yīng)，但在實際的反應(yīng)中它并不是按順序進行反應(yīng)。通過探究氨的催化氧化，學(xué)生能夠認(rèn)識在復(fù)雜的同步反應(yīng)中如何用反應(yīng)式去表達反應(yīng)過程，以此來提高書寫化學(xué)方程式的能力。

在面對實際的問題時，題目中不會只給一種反應(yīng)來讓人分析，有時候會有一系列的反應(yīng)方程式合并在一起，或者是需要把一個綜合的反應(yīng)式進行拆分。這時候就考驗了學(xué)生對反應(yīng)的精準(zhǔn)把握程度，滲透著化學(xué)素養(yǎng)。書寫方程式是一項必備的技能，在此筆者采用催化氧化中的系列反應(yīng)來進行教學(xué)。制取一氧化氮的工藝，其反應(yīng)的方程式為：

通過反應(yīng)條件的控制，最終得到了 4NH3+5O2=4NO+6H2O 的反應(yīng)效果。這一反應(yīng)非常經(jīng)典，通過對復(fù)雜過程的精確把握，學(xué)生對反應(yīng)式的拆合會有一個更加深入的了解。

氨的催化氧化是高中化學(xué)教學(xué)中非常重要的一個知識點，在含氮氧化物的各種反應(yīng)分析當(dāng)中，學(xué)生的配平、等效的技巧也會得到很大提升。

化工工藝雖然離高中課堂很遠，但是這些工藝中蘊含的化學(xué)原理和化學(xué)思想?yún)s是課堂教學(xué)需要借鑒的。化學(xué)是一門實驗學(xué)科，只有結(jié)合實踐才能在學(xué)習(xí)中逐漸提升能力，形成基礎(chǔ)的化學(xué)素養(yǎng)。

【參考文獻】

[1]梁永鋒.氨氣催化氧化實驗的研究與探索[J].教學(xué)與管理，2003（15）

[2]劉永華.合成氨工藝技術(shù)的現(xiàn)狀分析及其發(fā)展探討[J].化學(xué)工程與裝備，2012（7）