學科視野導向的“氨的再認識”復習課設計

一、教學設計思路

雖然高中生在必修模塊學過了“氮及其化合物”，已經開始關注到氮循環對人類社會的價值以及對環境產生的影響，但是未能有意識地運用所學的知識或尋求相關證據參與學科前沿議題的討論。該節復習課還涉及已經學過的選擇性必修一模塊中的“化學反應與能量”“化學反應的方向、限度和速率”等主題，甚至還可以彰顯選擇性必修二中結構與性質的問題解決思路，這些知識均具有一定的抽象性、復雜性，孤立地學習并不能發揮其在探索化學反應的規律及其應用中的功效，亟待對具體的元素化合物知識進行整合，促進關于物質變化科學觀念的提升。復習課的新鮮感來自于對復習內容的重組與整合，不適宜再如新授課那樣按模塊分開復習，尋找一個設計跨越不同模塊的問題來思考，將有助于保持復習課的新鮮感。該節課主要以“氨”為核心聯系其他氮的化合物，融合氧化還原反應、化學反應中的能量變化、自發變化的方向、化學動力學的反應歷程選擇、原電池等反應原理知識，重構“氮循環”體系進行總復習，以“問題串”的形式幫助學生進行有關氨氮知識的再建構。

二、教學目標

1．能通過物質類別、化合價預測物質的相關性質和變化，學會用以氮為代表的元素化合物性質研究的一般思路，運用化學反應原理發現分析視角，結合氮元素“價-類-用”三維模型來解決實際問題，并以此建構變化觀念。

2．辯證地看待氨的利弊，養成全面認識事物的辯證觀，認識其正面社會價值，理解其可能帶來的科學風險，并能夠提出應對性的決策，從中樹立科學態度與體驗社會責任。

3．有意識地關注各種事實之間聯系，促進知識結構化，并能結合前沿文獻和經典化學事實進行證據推理，實現創新意識的強化。

三、教學流程

教學流程如圖1所示。

四、教學實錄

1．舊知回顧，意義探討

【回顧舊知】在新授課的學習過程中，曾經花了大量的時間來討論“固氮”，請回憶下：我們學習過哪些具體的固氮反應？如何按照不同的特征將這些化學方程式進行分類？

【學生活動】書寫化學方程式；按照一定依據針對反應進行不同的分類梳理。

【啟發思考】人工固氮最重要的化學反應之一就是合成氨。為什么科學家這么關注“固氮”？

設計意圖：通過對知識的歸納梳理，發展學生知識結構化的水平。將學生對于“固氮”事實的記憶轉移到在事實基礎上的深層概念理解上：為什么關注“同氮”。

2．合成氨過程中的結構和原理問題

【教師提問】工業合成氨為什么需要嚴苛的生產條件？如何計算工業合成氨的最佳溫度呢？

【學生計算】聯系氮氮三鍵的結構，再根據△G=△H- T△S ＜0，計算反應能自發進行的溫度范圍，估計最佳溫度。

【教師提問】你會如何評價工業合成氨？提示從人類需要程度、能耗等角度。

設計意圖：充分考慮工業生產的實際、成本、綠色環保等問題，培養學生解決實際問題的能力，體會人工固氮的發展前景。發展學生節約資源、保護環境的可持續發展意識。

3．反思合成氨新技術前沿

【情境過渡】其實蘇教版必修第二冊“含氮化合物的合理使用”一節，展示了一個固氮的逆向反應過程，其意義何在？

【細節提示】科學家利用一種常見還原劑將汽車尾氣中的有毒氧化物變成無毒無害的N2，減少對環境的污染。

2NO +2CO＝催化劑N2 +2CO2

【前沿導向】中科院的研究團隊在德國《應用化學》上提出了一個新策略：將汽車尾氣中排放的NO電催化還原合成氨。

【教師提問】為什么科學家要研究將NO還原成氨？請提出可能性。

【證據分析】通過表1可以發現什么證據能夠支持以下觀點：用NO獲得氨要比用氮氣制備氨更有優勢。

【學生討論】催化劑的成本低、電解質不用強酸強堿、反應速率快、產率高等。

【教師提問】NO在被還原過程中存在各種可能的過渡態，可能經歷有以下歷程，分析圖2，判斷3種反應歷程中最大活化能是多少？生成的哪一種產物最穩定？哪個反應生成速率最快、最易反應呢？

【證據分析】根據表1可以發現一氧化氮還原在熱力學上比氮氣還原和析氫（競爭反應）都更容易進行。此外研究人員通過密度泛函理論計算篩選出最優的過渡金屬催化劑——銅。3種反應歷程中最大活化能是0. 92 eV，盡管N2相對能量最低，是最穩定的產物，但因為能壘大則不易形成活化的中間產物，反應難以進行，所以根據圖2可以看出在Cu表面上獲得不同的還原產物（氨、氫氣、一氧化二氮、氮氣），其中生成氨能壘最低，因此最易于生成氨。

【學生練習】書寫電極反應式：

NO（g） +5H+ +5e-→NH3（g）+H2O

設計意圖：利用科技前沿，應用物質轉化，發展學生變化觀念、證據推理核心素養，體會化學反應中物質選擇的復雜性，提升學生將已儲備的知識與題干中獲取的信息相結合進行分析的能力。

4．氨能源應用可行性分析

【情境過渡】氨也是一種能源，你覺得可能嗎？

【學生活動】嘗試結合氨的特點進行論證。

【教師提問】為什么氨有可能作為一種新能源呢？它燃燒之后又生成什么呢？請根據氨的元素組成以及化合價進行預測。

【實驗演示】氨在氧氣中燃燒的實驗。

【教師提問】氨在氧氣中燃燒生成了什么物質？

【學生活動】觀察實驗視頻，總結實驗現象。書寫氨和氧氣的燃燒化學方程式，區分氨燃燒與氨的催化氧化反應的不同之處。

【教師引導】根據表2，分析氨能源應用可行性。

【討論分享】元素組成：氨僅由N、H組成，含氫質量分數為17. 6%，不含C。

燃燒產物：完全燃燒只生成氮氣和水。

燃料性質對比，見表2。

合成路徑、成本：可人工合成。合成氨是世界上產量最大的化工產品之一，生產、供給工藝成熟，設備完善，成本低。

氨的性質：密度比空氣小，具有刺激性氣味，常溫常壓下為氣態（0. 7016 kg/m3）、易液化、極易溶于水。

運輸：易液化（常壓下- 33. 50C或常溫下加壓到0.9 MPa）

毒性、氣味：具有輕微毒性，且具有刺激性氣味。但當氨的濃度達到對人致命危害的1/1000時就因其刺激性氣味而被人們察覺。

【學生討論】氨能成為新能源的多個討論維度：元素組成、燃燒產物、燃燒性質、燃燒熱、合成途徑、運輸便利等。（與氫能源進行對比）

設計意圖：從燃燒產物、來源、燃燒熱、運輸等多角度分析氨能源的優點，論證開發氨能源應用的可行性。發展學生社會責任的核心素養，能夠對于化學有關的社會科技前沿、熱點問題做出正確的價值判斷。

【風險提示】近年來氨爆炸的新聞——氨可燃帶來的危險與氫氣、甲烷、一氧化碳類比。列舉氨、氫氣、甲烷、一氧化碳的爆炸極限范圍。

【學生分析】根據4種氣體的爆炸極限分析哪一種氣體最不易爆炸。

【綜合提問】如何設計一個原電池反應來避免氨直接燃燒帶來的問題？——直接供氨式燃料電池（如圖3所示）。

【學生練習】書寫電極反應式，分析，參見圖3對比。

【拓展補充】氨本身可以作為燃料之外，它還可以間接作為氫能源使用。

2NH3←催化劑 高溫高壓→N2 +3H2

【情境過渡】有沒有發現無論是燃燒氨還是燃料電池，氨最終都變成了何種物質？為什么？

【提示啟發】生成氮氣。從熵增與焓減2個視角分析。

設計意圖：使學生從能認知科學風險到能基于證據的風險評估以及從化學反應原理角度對風險產生原因、可能后果的思考，甚至提出防范措施的決策建議，進一步發展學生“科學態度與社會責任”素養。

5．氨氮處理方案設計

【風險提示】人工固氮提供人類所需氨的同時，實際固定的氮真的全部被我們利用了嗎？那多余的氮去哪里了呢？氨氮廢水有哪些危害？

【學生表達】水體富營養化（造成“水華”“赤潮”）；水體溶解氧降低（氨氮消耗水體中的O2）；長期飲用含NO3-的水，造成高鐵血紅蛋白癥（氨在硝化細菌作用下轉化為NO3-）。

【教師提問】某氮肥廠產生的氨氮廢水中氮元素多以NH4+和NH3·H2O的形式存在。請你以NH4+為例，設計轉化路線，減少水中的NH4+。

【提示啟發】根據文獻中的化學沉淀法、折點氯化法以及所學知識提示2種銨根離開溶液的方法：產生沉淀、產生氣體。從非氧化還原反應和氧化還原反應2個角度著重討論產生氣體的2種方案。

【學生討論】方案一：往氨氮廢水中加堿，使其轉化為NH3·H2O，NH3·H2O受熱分解成氨，再對氨進行吸收利用（物質類別角度）；方案二：往氨氮廢水中添加氧化劑，將銨根離子氧化成N2（化合價角度）。

【溫故知新】學過哪些氧化劑可以氧化氨？

【學生回顧】氯氣、氧氣……書寫化學方程式。

【教師引導】工業上常使用折點氯化法處理低濃度氨氮廢水：向氨氮廢水中加入NaClO氧化，從而使氨氮轉化為N2而除去。次氯酸鈉為什么比氯氣和次氯酸更適合呢？

【學生練習】①請書寫NaClO氧化NH3的離子方程式；

②一定pH下，NaClO的投加量對污水中氨氮去除率的影響如圖4所示。當m（NaClO）：m（NH3）gt;7.7時，總氮的去除率隨m（NaClO）：m（NH3）的增大不升反降的可能原因是什么？

【拓展補充】NaClO將部分氨氮氧化為NO-2、NO3-留在廢水中，而工業上硝態氮廢水的主要成分也就是NO-2、NO3-。反硝化是污水生物脫氮的最主要途徑。反硝化過程分別在多種還原酶作用下，將NO3-還原為N2，反應機理如圖5所示。

【學生活動】將圖5中涉及的物質在價類二維圖中表現出來。

設計意圖：培養學生依據原料與目標產物設計轉化路徑、建立研究物質的3個角度（化合價、物質類別、用途）與轉化的關聯的學科關鍵能力。通過對硝態氮廢水相關處理流程的分析，深化學生從“會設計”到“會評價”的認識方式，同時從對生活廢水的處理問題中增強學生的科學態度與社會責任，發展學生物質類別、化合價、用途的實驗探究設計的水平。

6．以“氨”為紐帶再看氮循環

【教師小結】以“氨”為紐帶回顧氮循環。構建氮的氧化物-氨-單質之間的三角關系如圖6所示，并完善氮的“價-類-用”三維模型。

設計意圖：引導學生分析氮循環在轉變過程中的關系，體驗其中“變與不變”的多樣性和復雜性，完善氮的“價-類-用”三維模型，體會氮循環在人類生活中的重要性，培養學生科學態度和社會責任素養。

五、教學反思（略）

基金項目：2021年江蘇省高校哲學社會科學研究一般項目“基于數據挖掘的科學教師專業成長歷程研究”（2021SJA0465）；南京曉莊學院2023年教改專項重點項目“‘曉莊發力-名校助力-校友合力’卓越化學教師職前職后一體化培養路徑探索”；南京市屬高校“十四五”市級重點建設項目“化學類專業思創融合教育教學創新團隊”。

通訊作者：陳凱

（收稿日期：2024 -01 - 15）