核心素養視域下的高中化學項目式學習
——以“模擬侯氏制堿法制備純堿及產品含量測定”為例

張 晶 王長艷

（北京中學 北京 100018）

一、項目的提出

元素化合物知識是中學化學重要的基礎知識，《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》中，關于金屬及其化合物性質的學習要求是：結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解鈉、鐵及其化合物的主要性質，了解這些物質在生產、生活中的應用。［1］有研究表明，將學習內容主題化，設置真實情境和挑戰性問題任務，可以促使知識結構化、功能化、素養化，有利于學生建構認識模型，使核心素養的發展具體化、整合化。［2］

項目式學習以真實情境將學生帶入學習環境中，學生可以圍繞某個具體學習項目，參與真實問題的解決，并在學習過程中內化核心知識、養成學科思想方法、發展核心素養。

“模擬侯氏制堿法制備純堿及產品含量測定”一課，采用項目式學習的方式，以模擬純堿的制備及其含量測定作為學習任務。首先，查閱資料，了解純堿的制備歷史；其次，自主設計模擬侯氏制堿法的實驗，遷移應用碳酸鈉與碳酸氫鈉性質，進一步掌握物質制備及分離提純的方法；最后，設計實驗測定樣品中碳酸鈉的含量，建立定量測定混合物中物質含量的思維模型。

二、項目學習實施過程

1.查閱文獻，了解純堿的制備歷史

學生通過查閱資料，了解工業生產純堿的發展歷史以及侯德榜先生的生平。工業制堿法大致經歷了三個階段，如圖1所示。

圖1 純堿制備發展歷史及主要實驗原理

學生發現歷史上純堿的制備是一個漫長的探索過程。在了解歷史上各種制備純堿的方法時，引導學生進行思考，這種制堿方法的原理是什么？優點是什么，有無缺點？可以如何改進？

路布蘭制堿法的生產過程在固相進行，難以實現連續生產，不僅需要高溫，還需要硫酸作為原料，導致設備腐蝕嚴重，原料沒有充分利用，副產品多，產品質量不高。引導學生思考：是否應該發展可以在液相進行的反應？科學家也是這樣想的，就出現了索爾維制堿法。這種制堿方法無需高溫，產品純度高達99%，工藝簡單，原料便宜，適合大規模生產，但是該工藝被英、法、德、美等國壟斷，設計圖紙和技術對外嚴格保密；侯德榜先生對索爾維制堿法進行了重新審視，并且將氨堿法和合成氨工業聯合起來，可同時生產純堿（Na2CO3）和氮肥（NH4Cl），并且將索爾維制堿法中原先廢棄的CaCl2變為了NH4Cl，成功解決了排放CaCl2污染土壤的問題。在學習的過程中，學生沿著純堿制備的發展歷史，通過尋找核心反應，了解如何控制反應條件實現純堿的制備，不僅為后續設計模擬制備純堿方案提供理論指導，并且可以學習侯德榜先生敢于創新、不斷進取的科學態度。侯德榜先生將制堿法的原理分享給了全世界，這種無私的精神，更值得贊揚，在這個過程中不僅可以增強學生的民族自信，也發展了學生科學態度與社會責任的核心素養。

2.設計方案，模擬實驗室制備純堿

依據侯德榜制堿法的反應原理及物質間轉化關系，結合實驗室現有實驗條件，引導學生找到可以利用NH4HCO3作為NH3和CO2的替代反應物，從而在實驗室中可以制備NaHCO3。反應方程式為

再將NaHCO3灼燒得到Na2CO3。

其次，確定實驗室制備NaHCO3的反應條件。

制備NaHCO3的反應為液相反應，因此，影響該反應的因素主要為溫度和反應物濃度。在學習過程中，引導學生對反應物的濃度和反應的溫度進行思考：要保證Na+和HCO在溶液中達到飽和才會析出NaHCO3固體，為了促進碳酸氫鈉沉淀的析出，就需要促進平衡向生成沉淀的方向移動，設法增大Na+和HCO的濃度，可以選擇飽和氯化鈉溶液作為反應物，再依據化學方程式的定量關系確定所加碳酸氫銨的質量。通過降溫可使溶解度減小，但溫度過低，又會使碳酸氫銨等析出，溫度過高，反應物NH4HCO3會受熱分解，因此，需要選擇合適的溫度。從表1中的數據可以發現，NH4HCO3在40 ℃就已經分解，所以反應溫度不能高于40 ℃，實際上35 ℃就已經分解，那么溫度低一些好不好呢？溫度低，反應物溶解度小，導致反應物的濃度減小，也不利于碳酸氫鈉的析出。在實際情境中，要考慮溫度和濃度對反應的影響。結合表1中的數據，最后確定反應溫度為30～35 ℃。

表1 NaCl、NaHCO3、NH4HCO3、NH4Cl四種鹽在不同溫度下的溶解度

最終確定模擬侯氏制堿法的實驗流程及操作如下：

實驗過程示意圖如圖2所示。

圖2 模擬侯氏制堿法的實驗過程示意圖

①稱量8.5 g NH4HCO3置于50 mL 燒杯中，加入20 mL 水進行初步溶解，將燒杯在30 ℃水浴中加熱2 min，使固體充分溶解。

②另取20 mL飽和NaCl 溶液，置于小燒杯中，在30 ℃的水浴中加熱。

③待溫度恒定后，將NH4HCO3溶液緩慢加至飽和NaCl 溶液中，控制水浴溫度為30～35 ℃，NH4HCO3溶液全部加完后，在該溫度下不斷攪拌約10 min，然后從水浴中取出燒杯，慢慢攪拌一段時間后靜置。

④將靜置后的燒杯中的溶液及固體進行抽濾。

⑤將抽濾后所得固體轉入到蒸發皿中，小火烘干，再將固體移入坩堝，用玻璃棒輕輕攪拌，加熱30 min，冷卻至室溫，稱重。

通過實驗，學生經歷了從實驗方案的設計、實驗原料的選擇、試劑用量的選擇、溫度的選擇以及制備過程中的操作細節等實驗探究過程，實現了工業生產的實驗室模擬，從實驗原理到實際操作的過渡和轉化，體會了侯氏制堿法的產生過程，不僅加深了對侯氏制堿法原理層面的認識，更親歷了如何從一個實際問題出發，尋找實驗原理，確定反應條件，選擇實驗裝置的探究過程，發展了科學探究與創新意識的核心素養，并在真實任務情境中建構了進行物質制備與分離提純的一般思維模型。

3.定性分析產品成分，定量測定各成分的含量

產品中碳酸鈉的含量是多少呢？教師進一步引導學生確定定量測定的實驗方案。

定性分析：首先引導學生分析所制得樣品的主要成分，從反應原理來看，產品中可能存在的雜質為NH4HCO3、NaHCO3、NaCl、NH4Cl。但由于銨鹽受熱易分解，雜質可能為NaHCO3與NaCl。若取少量樣品加水溶解，再向其中加入足量稀HNO3酸化的AgNO3溶液，出現白色沉淀，就可判定反應后的產物中含有NaCl，進而可確定所制得的樣品中可能存在的物質為：Na2CO3、NaHCO3、NaCl。

定量測定：測定樣品中Na2CO3、NaHCO3、NaCl 的含量。碳酸鈉與鹽酸的反應為兩步反應：

若樣品中含有碳酸鈉，則用鹽酸滴定樣品時，記錄第一階段所用鹽酸體積為V1，將所用鹽酸的濃度與體積V1代入方程式Na2CO3+HCl==NaHCO3+NaCl 中進行計算，就可以得出樣品中Na2CO3的含量，計算公式為ω（Na2CO3）=c（HCl）×M（Na2CO3）×V1/m；第二階段參與反應的NaHCO3有原樣品中灼燒未完全轉化的NaHCO3，也有與Na2CO3反應新生成的NaHCO3，記錄第二階段消耗的鹽酸體積為V2，將所用鹽酸的濃度與體積V2-V1代入方程式NaHCO3+HCl==NaCl+H2O+CO2↑進行計算，就可以得出樣品中NaHCO3的含量，計算公式為ω（NaHCO3）=c（HCl）×M（NaHCO3）×（V2-V1）/m。滴定過程中，第一階段選擇的指示劑為酚酞，滴定終點現象為溶液由紅色變為粉紅色，且半分鐘不變色；第二階段選擇的指示劑為甲基橙，滴定終點現象為溶液由黃色變為橙色，且半分鐘不變色，所采用的鹽酸濃度均為0.2 mol/L，樣品質量為1 g。最終測定結果為，樣品中Na2CO3質量分數為41.2%，NaHCO3質量分數為14.3%，NaCl 質量分數為44.5%。其中一組同學的三次平行實驗測定數據如表2 所示。

表2 某小組同學所測定的純堿樣品中Na2CO3與NaHCO3含量

在定性分析成分與定量測定實驗的過程中，通過師生、生生互動討論，展示思維過程，不僅遷移應用了Na2CO3、NaHCO3與酸反應的性質，更進一步建立了在利用滴定法測定組分含量的實驗中，如何選擇恰當指示劑的思維模型。在運用此模型解決實際問題的過程中，發展了學生證據推理與模型認知的核心素養。

三、反思與總結

在本項目學習完成后，各小組同學進行了班級交流與匯報，與其他同學分享了實驗過程中自己的收獲、反思及啟發。學生在一個真實任務的引領下，進行查找資料、設計方案、實驗探究、小組合作、班級交流等工作；教師及時引導學生分析總結學習過程中的得失，指導學生從化學視角出發，在真實情境中尋找解決問題的方法。項目任務和化學核心知識相互結合、相互支撐，學生在完成項目任務的過程中，學習了化學學科核心知識，落實了化學學科核心素養。