核心素養導向下融合純堿生產歷程的項目式教學

1項目背景

隨著《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》的全面實施，以核心素養為導向的課程改革對化學教學提出了系統性要求。化學學科核心素養的5大維度重構了學科育人目標，強調通過解決真實情境中的問題實現知識、能力與價值的深度融合，這要求課堂教學從孤立的知識點傳授轉向對復雜化學問題的整體性探究，使課程內容結構化、情境化[1]

項目式教學因其“以驅動性問題貫穿學習全程、以實踐性任務促進知識建構、以社會化協作培養高階思維”的特征，成為落實核心素養的理想路徑[2]。純堿制備的相關教學內容是學科知識（化學反應原理）、學科思維方法（平衡調控、實驗設計）與學科價值引領（技術倫理、綠色化學）的優質載體。采用項目式教學，創設純堿的真實生產情境，融合純堿制備發展史，圍繞“如何制備純堿”開展課題研究，實現課程內容的結構化和情境化。學生在探究“純堿工業制法的優缺點、氨堿法與聯堿法的異同、條件控制、裝置設計與操作流程”等問題中，自主調用化學反應原理知識，發展證據推理與模型認知能力，評估工藝可行性，理解科學探究的迭代性與技術創新的社會性，最終實現知識遷移與素養落地的雙重目標。

2 項目實施過程

2.1了解純堿生產的發展歷程

創設真實情境，從生活中常見且極具實用價值的一種鈉鹽—一純堿導入，提出問題一一純堿如何制備？帶領學生走進純堿制備的發展史，以時間為線，串起純堿生產工藝發展完善的脈絡，如圖1所示。純堿最早通過蒸發含堿湖水和燃燒、浸泡、蒸發含鈉植物來提取，后出現了主要的3種人工制堿法：路布蘭制堿法、索爾維制堿法、侯德榜制堿法，實現了純堿的工業化生產。學生在教師的引導下，了解涉及的化學反應，思考各種制法的優缺點，對比不同之處，感受工業制堿方法的進步。

路布蘭制堿法的缺點主要體現在：固相反應，難以實現連續生產，需要高溫操作，能耗大，生產成本高，產量低；生成大量有害的副產物，如硫化鈣、氯化氫氣體，原子利用率低且污染環境；原料硫酸和產物氯化氫使設備腐蝕嚴重。

索爾維制堿法（氨堿法）原料便宜易得，制造步驟簡單，適合大規模生產，純堿的純度較高。

侯德榜制堿法（聯合制堿法）由侯德榜先生創新研發，經過上千次試驗所得，其法與索爾維法類似，都用 CO₂，NH₃，NaCl 生成碳酸氫鈉和氯化銨，并都通過加熱小蘇打制得純堿。

不同之處主要在于：（1）原料的來源不同。索氏制堿法中原料 CO₂ 來自石灰石的煅燒，需在石灰窯里進行大量反應；侯德榜制堿法把氨廠和堿廠建在一起，氨廠用水煤氣制取氫氣所產生的廢氣為堿廠提供原料 CO₂ ，用工業合成氨反應為堿廠提供原料 NH₃ ，實現了氨堿法與合成氨聯合生產。（2）對產物 NH₄Cl 的處理方式不同。索氏制堿法向濾液中加入消石灰，使其與氯化銨反應生成無用的CaCl₂ 與可循環使用的 NH₃ ；侯德榜制堿法則是向濾液中通入氨氣和過量氯化鈉，增大 NH₄⁺ 和CI的濃度，并降溫，使氯化銨飽和析出，充分利用了氯離子來固定氨，形成有用的氮肥，避免了處理廢液CaCl₂ ，提高了NaCl利用率，大大降低了純堿和氮肥的成本。

在此過程中，學生體會到化學對社會發展的重要應用價值，從侯德榜突破技術封鎖的史實中感受到勇于實踐創新的精神和愛國主義情懷，也增強了綠色化學意識和原子經濟思想。

2.2微觀探析純堿制備中的復分解反應與平衡移動

從宏觀到微觀是化學學科知識學習的基本思路之一。路布蘭制堿法在固相中進行，而氨堿法和聯合制堿法在液相中進行，在由 NaCl （飽和） +NH₃+ 反應所構成的水溶液體系中，主要存在哪些微粒？微粒間發生了哪些相互作用？

氨氣、二氧化碳溶于水后分別生成弱電解質氨水和碳酸。氨水電離的 OH^- 和碳酸電離的 H⁺ 結合生成弱電解質水，促進了氨水、碳酸的電離平衡正向移動。在通入過量二氧化碳（碳酸過量）時，氨水和碳酸反應生成碳酸氫銨和水。碳酸氫銨在溶液中完全電離為 NH₄⁺ 和 HCO₃^- ，氯化鈉在溶液中完全電離為 Na⁺ 和 Cl^- ，故構成該水溶液體系的主要微粒為 NH₄⁺，HCO₃^-，Na⁺，C Cl^- 。該水溶液體系中的微粒作用過程的總結如圖2所示。

圖2水溶液體系中的微粒作用過程

若要使碳酸氫銨和氯化鈉交換離子組成發生復分解反應生成 NaHCO₃ 沉淀，引導學生從以下2個方向進行分析思考：

2.2.1溶解度與溫度

查閱 NaCl、 NH₄HCO₃ 、 NaHCO₃ 、 NH₄Cl 四種鹽在不同溫度下的溶解度發現：在同一溫度下，碳酸氫鈉的溶解度最小;溫度高于 35^°C 時碳酸氫銨分

解，溫度在 30^cC 以下時其溶解度明顯減小，反應物濃度減小不利于反應的進行；溫度過低，反應速率減小。故應當控制反應溫度在 。

2.2.2 濃度

要使碳酸氫鈉沉淀析出，就要促進平衡向生成沉淀的方向移動。 ① 可以設法增大 c（Na⁺） ：使用飽和 NaCl 溶液； ② 增大 c（HCO₃^- ）：先通入氨氣，再通入二氧化碳，溶液呈堿性能增大 CO₂ 溶解度， OH^- 與H₂CO₃ 電離產生的 H⁺ 結合，促進碳酸電離，使c（HCO₃^- ）增大； ③ 保證持續通入過量 CO₂ ，若 CO₂ 不足，堿過量，第一步反應以生成（ NH₄）₂CO₃ 為主，后續難以制備出 NaHCO₃ 。

通過微觀分析和討論，學生總結出促進NaHCO₃ 析出的調控方案，深入理解純堿制備反應的實質，認識了化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產中的應用，為學生后續能成功制得產物做好了充分理論準備。

2.3設計實驗進行純堿的制備

2.3.1實驗裝置設計

（1）氨氣發生裝置。采用“濃氨水 + 固態堿性物質”，不需要用酒精燈加熱，能耗較低，且控制反應的發生和停止比較方便。固態堿性物質選用生石灰，相比氫氧化鈉，生石灰的操作安全性更高，成本更低。產生的氨氣極易溶于飽和食鹽水，使用分液漏斗作為安全瓶，有效防止液體倒吸。

（2）二氧化碳發生裝置。用稀鹽酸與塊狀碳酸鈣反應來制取二氧化碳，使用啟普發生器，隨關隨停，便于在實驗中控制該反應的進行。用飽和碳酸氫鈉溶液吸收二氧化碳氣體中混有的氯化氫氣體。氨化食鹽水中的導管末端使用尖嘴導管，加速氣體流速，使 CO₂ 充分與氨化食鹽水接觸，加快氣體的溶解速度。

（3）碳酸氫鈉制備裝置。該部分裝置需要一個□通入 NH₃ ，一個口通入 CO₂ ，一個口平衡內外大氣壓同時排出和吸收未反應的多余氣體，因此選用三頸燒瓶。平衡內外氣壓且吸收多余氣體的裝置需要防正倒吸，故在其導管末端連接倒置漏斗。因碳酸氫鈉制備過程需要控制溫度在 30～35^°C ，故進行水浴加熱。實驗裝置如圖3所示。

圖3實驗裝置圖

2.3.2實驗操作流程

向 500mL 三頸圓底燒瓶中倒入 300mL 飽和食鹽水溶液。分別在兩支試管內加入適量生石灰、碳酸鈣，向制備氨氣、二氧化碳的兩個 125mL 分液漏斗內分別加入 70mL 濃氨水和1：2鹽酸。彈簧夾b保持關閉狀態，打開彈簧夾a和活塞a，先通入 20min 氨氣。打開彈簧夾b，關閉彈簧夾a和活塞a，持續通入二氧化碳，直至觀察到三頸燒瓶中有大量白色沉淀析出后，移除水浴加熱裝置，將燒瓶放入冰水中，使碳酸氫鈉沉淀充分析出，關閉彈簧夾b。

將固體過濾、洗滌后，放入蒸發血中，墊上石棉網用酒精燈加熱灼燒。此過程中用玻璃棒不斷攪拌固體，大約 30min 后制得純堿。

3結語

在純堿制備的真實情境中展開的此次項目式教學，密切聯系微觀機理和宏觀現象，顯著提高學生對化學變化和平衡的認識，有效培養和發展了學生的實踐和創新能力，使學生在知識建構中自然生發出“科技自立自強”的責任意識，實現學科核心知識和學科核心素養的緊密結合。

參考文獻：

[1］顧建辛.關于化學核心素養培育的微觀思考：基于“科學態度與社會責任”內涵及目標指向的意義教學情境素材選擇與結構化組織[J].化學教學，2021（4）：3-7.

[2]邢瑞斌，劉翠，陳穎，等.高中化學“乙醛性質”的項目式教學：解酒藥的研制[J].化學教育（中英文），2021，42（23） ：36-43.