基于化学学科本质理解的视角 融通教与育

洪清娟

摘要：通过合成氨生产的工艺条件科学研究发展史为线索，从普通高中化学课程标准（2017年版）出发，创设真实复杂的教学情境，基于化学学科本质理解的视角，深度挖掘合成氨生产的工艺条件选择所蕴含的化学思想方法与学科价值，融入STEM教育，让学生在逐步解决任务与问题过程中，学会多角度关联看待物质变化、化工条件的选择，感受理论与化工生产实际的区别，培养学生的工程思维，自主建构化学工艺条件优化选择的一般思维模型，融通教与育。

关键词：化学学科本质理解;合成氨生产;工艺条件选择

文章编号：1008-0546（2021）02-0043-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.01 1

化学学科本质形成蕴含于化学学科的形成与发展的历史中。理解化学学科本质，要从化学学科价值、方法和知识三个视角去具体把握学科不同层面的本质内涵。通过对化学史的适当设计加工，让学生亲历适合自己的研究，并生产出属于自己的科学知识，有利于形成对科学本质正确的理解。基于此，笔者以鲁科版“合成氨的工艺条件选择”为例，从理解化学学科本质的多维视角，进行融通教与育的实践探索。

一、基于课程标准。确定合成氨工艺生产条件选择的教学环节

基于学科理解与化学科学研究的本质出发，根据普通高中化学课程标准（2017年版），选择合成氨这个蕴含“STSE”的情境，确定“合成氨的工藝条件选择”的教学环节为“从理论上计算分析合成氨反应的可能性”“理解合成氨生产工艺条件的发展与优化选择”和“了解合成氨的工艺条件新的发展思路与方向”3个方面。旨在让学生通过本节课的学习体验，学会分析其他工业生产中类似条件的优化与选择;建立以下学科大观念：化学反应的方向、自发与否，不能仅用实验方法来摸索，而应先从理论上寻求客观的判据，否则可能要付出极大的代价，甚至徒劳无功;通过“合成氨的工艺条件选择”的学习从单元整体的角度把握教学，从宏观到微观，从定性到定量，从静态到动态，从多角度、多层次对化学反应进行理论与实验探讨，使学生更深入地理解化学反应的过程和本质，并促进深层次地领悟实际生产中应该综合考虑化学反应的方向、速率与限度的综合影响，选择以较高速率获取适当转化率的反应条件，动态地分析化学变化、调控化学反应，以解决简单的实际问题，实现化学学科的社会价值。

二、基于化学学科本质的理解，确定合成氨生产条件选择的学习任务

学生的未来发展是多元化的，化学教学的宗旨绝不仅仅让学生牢记显性的化学知识，也应该包括学习方式、思想方法、学科的情意价值和学科理念这类隐性知识，这些隐性知识却能够一直伴随学生，受用一生。基于教师对化学学科本质的理解，确定“合成氨工艺条件优化选择”显性与隐性知识双线融合交错的学习设计。以化学史料为教学情境，在合成氨研究的史料中领悟科学精神和研究思路;创设知识的产生和应用的场景，在真实的问题解决过程中，帮助学生认识多维丰富的学科价值。“合成氨工艺条件优化选择”学习的3个任务：一是运用价类二维图从定性角度，利用核心元素转化观、氧化还原反应理论为指导，考虑和选择铵态氮肥中氮元素的转化路径，发展分析推理等科学思维;二是以理论指导和定量计算为手段，根据298K下合成氨反应的熵变、焓变数据计算并判断反应能否自发。利用化学平衡移动的知识，从转化率与反应速率两方面的影响因素，综合分析并优选合成氨的反应条件，促进变化观念与平衡思想素养的形成，提升理解与辨析、分析与推测、归纳与论证等关键能力;三是运用化学工艺的绿色安全、科学经济等技术思想与理念，在教师创设的真实工业生产实践情境中，逐步理解完善合成氨的化学工艺生产条件，悄然融通教与育。既发展工程思维，建构解决化工生产工艺条件选择、设计的一般思路和模型，从而认识化学科学与技术合理使用的重要性，又感受化学在自然资源和能源综合利用方面的重要价值，科学态度与社会责任素养的形成就水到渠成。

三、教学过程

环节1从理论上计算分析合成氨反应的可能性

（资料卡1）1913年世界氮肥总产量为91.6万吨，其中智利硝石（主要成分是NaNO3）为43.6万吨，占世界氮肥总产量的47.6%。对欧洲来说，问题尤为突出。从1830年开始，欧洲的氮肥就以进口智利硝石为主。至1922年，每年硝石总产量的70%，都从智利销往欧洲。但天然硝石的产量极其有限，因此，当年的化学家提出“向空气要氮肥”的想法。

（教师）空气中氮元素储备丰富，氮气的体积分数为78%，怎样把氮气转化为农作物所需的氮肥呢？

（学习任务1）从定性角度，运用价类二维图写出转化路线。学生设计了两条转化路线。

路线①：N2→NO→NO2→HNO3→硝酸盐氮肥（氧化法）

路线②：N2→NH3→铵态氮肥（还原法）

（学生活动）分析讨论得出氧化法和还原法两种方案中更适合工业化生产的是还原法，判断的依据是绿色化学理念，选择低成本、高产率、污染小的方案。得出以下两个结论：路线②步骤少，且路线①中间产物有NO、NO2有毒有污染的气体产生;两条路线转化的相关反应条件高、决定能耗的步骤都是第一步。

（史料情境）20世纪初，有许多科学家对合成氨反应的可行性进行艰苦卓绝的相关研究，其中有重要影响的科学家及其相关研究简述见表1。

（学习任务2）根据表1和资料卡2，以定量计算和化学平衡移动理论为手段，判断两个反应能否自发，并运用化学平衡移动原理分析合成氨反应的有利条件。

（学生活动）通过计算得出△H-T △S

环节2理解合成氨生产工艺条件的发展与优化选择

（教师）哈伯作为第一个从空气中制造出氨的科学家，在实际生产中遇到了很多困难。

（史料情境）1904-1905年间，哈伯用陶瓷管作试验，内充以铁催化剂，测定出在常压和高温1020°C下，反应达到平衡时，气体混合物中有0.012%（容积）的氨。

（学习任务3）从反应原理分析，哈伯的合成氨实验出现高温下反应产率低问题的原因并提出解决对策。

（资料卡3）实验测得某条件下合成氨反应速率方程为：V=kc（N2）c^1.5（H2）c^-1（NH3）。

（学生活动）根据资料卡2和3，运用化学反应原理知识分析出：增大N2、H2的浓度均能加快对反应速率、且提高H2的浓度更有利;采取将氨从混合气中分离可提高反应速率;推测有利于提高合成氨产率和速率的条件，完成表格2。

（资料卡4）实际生产中平衡时氨的含量与反应条件、投料比关系分别见图1、图2。

（学生活动）分析资料卡4的信息，归纳出：①氮氢比1：3进行投料后，对提高合成氨的产率与加快速率均有利的外界条件是高压，但温度的影响却是相互冲突的。低温有利于提高产率，但加快反应速率则是需要高温，所以为了平衡两者，必须选择合适的反应温度;②温度压强一定，氮氢体积比为1：2.8时，氨气产率最高，这是实际生产中考虑决速步骤的影响，所以适当提高氮气的比例与分压，以利于提高氨气产率。

（史料情境）哈伯团队为了探寻较低温度下的催化剂，从1904至1911年，先后进行了两万多次试验。1908年秋，哈伯首次提出对氨合成气进行再循环的主张;1910年5月，哈伯终于在实验室取得了可喜的结果。他最初用锇作催化剂，在175公斤/厘米²和550°C下，在出口氢氮混合气中得到8%氨。以后又用铀一碳化铀为催化剂，在125公斤/厘米²，和500°C下得10%氨。至此，氨合成的可能性，终于得到实验的证实。

（教师）哈伯使用“循环”概念的意义何在？如果要將哈伯的研究成果真正实现氨的工业化生产，还需解决哪些问题？

（学生活动）通过小组讨论给出结论与思考：催化剂有选择性，又易中毒，使用不当易失活，要注意适切的温度和环境。可以依据元素周期表，找寻稳定常见、价廉质优、高效的催化剂来替代铀或锇;循环的意义在于符合绿色化学理念，充分利用能源与物质意识。根据合成氨是放热的可逆反应，可以循环使用未反应的气体，并采用热交换器来预热反应气体和降低生成气体的温度，既充分合理利用热能，又能加快反应速率、提高转化率;理论上压强越高越好，但高压对使用的设备材料要求也高，应选择怎样的材料才能承受适当的高压？

（资料卡4）①自然界中锇的蕴藏量非常少，其价格相当昂贵，而且锇易转变成为易挥发性的氧化物。铀具有比较好的催化功能，但铀对氧气和水非常敏感，其催化效果很容易丧失;②博施及助手先后试验了2500种配方，进行了6500次实验，终于确定了使用铁触媒作为工业合成氨的催化剂。并改良反应容器耐压，给高强度碳素钢圆筒加熟铁内衬;在外层碳钢上穿些细孔，让氢气逸出，解决碳钢和氢气高温高压直接接触反应生成CH4的情况。

（教师）从资料卡4你得到什么启示和感悟？对于化工生产工艺条件选择、设计的一般思路你有什么新的认识？

（学生活动）从博施及助手找寻合适催化剂与改良反应容器耐压性的过程中，感悟科研中具有创新思维和坚韧不拔精神的重要性;得出合成氨的关键在于实现温度、压强和催化剂之间的平衡的结论;形成研究一个化学反应要从定量的角度，通过理论计算、数据分析去把握反应可行性的意识;建立起在实际生产中，除了要考虑反应的方向和可行性外，还要注意从转化率和反应速率等工艺条件综合考虑的观念。

环节3了解目前我国合成氨的生产条件和新的发展思路、方向（资料卡5）目前我国中型合成氨厂选择的生产条件：温度控制在460-550°C;催化剂采用铁催化剂，并加入Al2Oa和K2O等助催化剂;压强的选择实际采用320atm左右。

现代工艺发展之一：最近有两位希腊化学家发明在常压下把氢气和用氦稀释的氮气分别通入一个加热到570°C的电解池中，氢和氮在电极上就合成了氨，而且转化率达到78%。

现代工艺发展之二：利用生物燃料电池原理研究室温下条件温和氨的合成法，电池工作时MV²⁺/MV⁺在电极与酶之间传递电子。

现代工艺发展之三：2016年，中国科学院大连化学物理研究所的氢化物材料化学研究团队提出了一种以碱（土）金属亚氨基化合物为氮载体的低温化学链合成氨技术，可在常压和100℃的条件下实现氨的合成。在250℃下，该过程的产氨速率约大于高活性Cs-Ru/MgO催化过程一个数量级。这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展节能的催化剂提供了新的思路。

本环节通过介绍近年来国内外合成氨的新技术、新方向，展示目前合成氨工业往节能减排，高效温和的反应条件取得的研究成果和现实意义，让学生展望合成氨的发展前景，体会化学对人类经济与社会发展的促进作用，彰显学科隐形知识的情意价值。

四、教学反思

1.通过合成氨工业生产条件的项目学习，感悟模型建构过程能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决化学生产工艺优化的思维模型，理论计算一初步设置预测选择一真实生产条件一完善修正，并学会进行远迁移运用，如意识到那些与合成氨反应特征相似的合成反应，应该与合成氨工业生产有着相似的条件选择如合成甲醇、合成人造汽油、合成聚乙烯等提供模型指导。学生在模型的理解、建构与应用过程中逐步形成化学学科科学推理论证、处理转化数据、归纳总结规律等关键能力。

2.通过合成氨工业生产条件的学习，培育工程思维。目前合成氨消耗的能源占地球总耗能的1%，如何降低能耗，提高转化率和产率一直是化学工作者研究方向和课题。合成氨工艺优化条件选择的学习，不仅从理论上分析选择的生产条件的原因，在实施的过程还会涉及一系列具体的细节问题（如与容器材料的耐压性能、物质的传热性、催化剂的性能与来源价格等问题），这就体现在真实的工艺流程设计与生产实施和理论分析的区别与联系。通过合成氨工业生产条件的选择，学生体会真实复杂的化工生产应该在理论分析的基础上，秉承绿色化学和可持续性发展的理念，在生产安全、节能减耗的前提下，优化工艺生产条件、尽可能地提高产率，在解决问题的过程中逐步形成工程思维。

3.以化学史料情境教学主线有利实现知识的发展。向学生展现科学研究的过程，让学生领悟科学家研究化学反应与调控优化化工条件的思维方法以及百折不挠、勇于探索和批判创新的科学精神。知识的发展、应用和情境紧密联系在一起，知识的获取最好还原到知识建立的情境中去，同时再应用到具体的情境中才能实现知识的发展，否则知识就是僵化的知识不能再发展，也不能实现其价值。合成氨生产条件的优化研究过程等化学史就是知识建立过程的最真实的情境，学生在这样的情境中获取的知识更加鲜活而生动。加深对化学反应原理的有关化学反应方向、速率与限度的理解与运用，才能更深刻的体会到科学研究的不易与艰辛，感悟化学学科的社会价值。