基于“双碳”目标建构气体吸收认知模型的“胺酰胺”教学研究

2023-05-25 05:41李远泷李艳梅孙磊
化学教与学 2023年8期
关键词:双碳教学设计

李远泷 李艳梅 孙磊

摘要:温室效应是社会关注热点的问题,工业CO2的吸收对实现“双碳”战略目标具有重要意义。有机胺吸收法是目前工业中常用的吸收CO2方法,本文基于有机胺吸收法及酰胺载体在CO2吸收中的应用进行教学设计,在“结构决定性质,性质决定功能,功能决定应用”大概念统领下,从结构认识胺和酰胺的性质。阐述工业应用中有机胺吸收法的优势及酰胺载体的改良研究应用,从科学、工业技术应用和社会需求三个视角建立气体吸收的认知模型,发展学生模型认知的核心素养,培养学生可迁移的问题解决能力。

关键词:气体吸收认识模型;胺酰胺;教学设计

文章编号:1008-0546(2023)08-0002-06   中图分类号:G632.41   文献标识码:B

doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2023.08.001

一、教学内容分析

“胺酰胺”是人教版新教材选择性必修3《有机化学基础》中“第三章烃的衍生物”的“第四节羧酸衍生物”的第二课时教学内容,主要目的是引入官能团氨基和酰胺基,从而认识两类物质胺和酰胺,并介绍相关常见的有机化合物,讨论其性质及其用途。工业中,常用有机胺吸收CO2实现碳捕集与封存,也有科研工作者开发使用聚丙烯酰胺作为载体负载有机液胺,制备胺基功能化固体吸附材料。本文基于胺和酰胺在CO2吸收中的应用,建立气体吸收认知模型,并进行相关知识的迁移应用。

二、教学理念

以“双碳”目标为情境,将学生置于社会问题背景下思考CO2的吸收问题。在对有机胺吸收法和酰胺载体的不断认识中,形成对胺及酰胺性质的认识,强化“结构决定性质,性质决定功能,功能决定应用”的基本观念,建立气体吸收的认知模型,形成可迁移的问题解决能力。

三、学情分析

学生经过之前的学习,对CO2的理化性质有了充分的了解,并学习了NH3和酯的性质及铵根离子的形成。在此基础上,基于CO2的理化性质,引导学生思考吸收 CO2的方法,介绍有机胺吸收法的应用及其存在的缺陷,引入科学研究的改进创新,建构气体吸收认知模型。

四、教学目标

本节课结合具体的教学内容及教学理念,将教学

目标设置如下:

(1)通过有机胺吸收法的介绍,认识胺类物质及其性质。

(2)通过孤对电子认识 NH3和胺的碱性,对酸碱的定义进行再认识。

(3)通过思考,突破有机胺溶液吸收法的工业应用缺陷,认识酰胺在CO2吸收中的价值,进一步认识结构、功能与应用之间的关系。

(4)通过CO2气体吸收及工业上的应用,建构气体吸收认识模型,学会从化学学科、技术应用和社会需求三个不同视角思考气体吸收问题。

五、教学思路

六、教学过程

1.板块一:“双碳”目标与CO2的吸收

【学习情境】随着现代文明的飞速发展,工业生产的同时产生大量的CO2,从而导致全球变暖、酸雨等一系列问题。我国政府一直高度关注气候变化对国家和社会的影响,并积极推进碳减排的工作,于2020年正式提出“双碳”战略目标。

【学习任务1】思考 CO2的吸收方法,初步建立物质吸收的物理和化学视角

【思考】思考一下有哪些方法可以吸收CO2?

【学生】氢氧化钠;水;植物的光合作用。

【教师引导】这些方法都能够吸收CO2,可以发现同学们是基于CO2的物理性质和化学性质来思考的,比如用水吸收 CO2是因为 CO2可以溶于水;氢氧化钠吸收 CO2,是因为二者可以发生化学反应,这就是气体吸收的学科视角。实际上,吸收CO2还可以用活性炭吸附的物理法,以及有机胺吸收法和热钾碱法等化学法。

【学习任务2】认识到胺是重要的CO2吸收剂

【教师】目前,90%的脱碳技术都是采用化学吸收法,其中常用有机胺吸收法,吸收剂大多采用醇胺溶液和有机胺溶液。这种方法具有材料制备方便,工艺技术成熟,气体选择性高和吸收量大等特点。

2.板块二:从结构视角认识胺的性质

【学习任务3】基于碳链和氨基,认识胺类物质

【提问】图2是工业中常用的醇胺吸附剂和几种常见的有机胺,同学们仔细观察它们的组成结构,试分析它们与烃的衍生物有什么不同之处?

【学生】与烃的衍生物比较,组成上:它们含有氮元素;结构上:含有氨基。

【教师】氮元素是组成蛋白质和核酸的必要元素,组成人体蛋白质中的氨基酸则含有氨基,氨基即是氨分子失去H后剩下的基团。

【设问】那胺是什么呢?胺是烃基取代氨分子中的H 而形成的化合物,通式可以写成R-NH2,官能团为氨基。

【提问】观察图3中的胺类,比较它们之间有什么不同?

【學生】氮原子上连接烃基数目不同。

【教师】根据氮原子上烃基的数目进行分类,可以分为伯胺、仲胺和叔胺。N 上有四个烃基时,称为季铵盐。

【学习任务4】基于孤对电子,认识胺的碱性

【提出高阶思维任务】已知有机胺溶液吸收CO2的反应原理如下:

R-NH2+CO2+H2O?R- NH3(+) HCO3(-)

大家小组讨论,思考该化学反应的本质。

【提示】大家可以先思考 NH3与 CO2反应,方程式如下:

NH3+CO2+H2O=NH4HCO3

该反应的本质是什么?

【学生】NH3显碱性,与酸性氧化物 CO2反应生成对应的盐。

【引发思考】那NH3为什么显碱性呢?

提示:铵根离子的形成。

【学生】NH3有一對孤对电子,可以和氢离子反应,形成配位键,生成铵根离子。

【教师总结提升】因为氮原子有一对孤对电子,铵根离子的形成是 N 提供孤对电子,H+提供空轨道,二者之间形成配位键。这个过程可以表示为 NH3+H+= NH4(+) ,所以氨气显碱性的本质原因,是因为氮原子含有一对孤对电子,可以和氢离子反应。

【追问】同学们再看有机胺溶液吸收 CO2的方程式,分析二者反应的本质?

【学生】胺中的氮原子也有孤对电子,因此胺具有弱碱性,所以能和CO2反应生成对应的盐。

【教师】胺和NH3具有相似的结构,因此胺具有弱碱性。

【学习任务5】基于酸碱理论发展,深化对碱的认识

【教师】回顾一下 NH3和胺,二者都具有碱性,但都不符合学过的酸碱的定义。初中学习的酸碱电离理论说在水溶液中电离时产生的阳离子全部是 H+的是酸,电离出的阴离子全是 OH-的是碱,它的一个限定条件是在水溶液当中。但在没有水存在时依然能发生酸碱反应,比如氨气和氯化氢气体反应生成氯化铵,这些物质都未电离,电离理论就不能定义非水溶液中的酸和碱。所以在1923年布朗斯特提出了酸碱质子理论,凡是能给出质子的物质都是酸,凡是能与质子结合的物质都是碱。因此,NH3是一种布朗斯特碱。

【教师】同学们观察一下这个反应:常温下CaO固体和 SO3反应生成硫酸钙(CaO+SO3=CaSO4),该反应能用电离理论或质子理论解释吗?

【学生】不能,SO3没有发生电离,也没有释放质子;CaO没有电离,也未接受质子。

【教师】这个反应不能用质子理论去解释,那我们又该怎么去解释这个反应呢?

提示:配位键的形成。

【学生】SO3中心原子S 原子有空轨道可以接受孤对电子,CaO中 O2-离子可以提供孤对电子,二者形成配位键,从而发生反应。

【教师】它们不存在质子交换,但涉及配位键的形成,电子对共用,这就是路易斯提出的酸碱电子理论:酸是可以接受电子对的分子或离子,碱是可以给出电子对的分子或离子。所以,SO3是一种路易斯酸,CaO是一种路易斯碱。

【教师】如表1,对于酸碱的认识从水溶液中的电离理论,到非水溶液中的质子理论,再到存在孤对电子授予的电子理论,这个发展过程让我们看到,人们对化学现象的本质的认识是不断深化的,科学具有发展性和暂定性。

3.板块三:基于有机胺吸收法存在的缺陷,探究酰胺在CO2吸收中的价值

【学习任务6】思考突破有机胺吸收法缺陷的方法

学习资料:使用乙醇胺(MEA )和甲基二乙醇胺(MDEA )等醇胺类碱性溶液存在许多缺点,例如溶液挥发性强、容器设备腐蚀快,以及溶液再生能耗高等问题。

【教师】思考有什方法可以改进突破有机胺工业应用上存在的缺陷呢?大家按小组分别从科研究人员、工厂技术人员两个不同的角度考虑,小组内进行交流讨论。

【小组1】从科研人员的角度,可以使用固体吸附材料,比如物理吸附材料,使用活性炭;使用其他挥发性低、腐蚀性小的有机胺溶液作吸收剂;使用沸点高的溶剂溶解醇胺。

【小组2】从工厂技术人员的角度,可以改变制备吸收剂的方法,不使用溶剂溶解;可以改变应用的条件,比如温度、压强等,以减少吸收剂的挥发;考虑应用成本和经济效益的基础上进行改良。

【教师】使用高沸点溶剂或使用挥发性低的有机胺溶液的确可以减少挥发,那在此基础上有没有更为合适的方法进行改进呢?比如改变制备吸收剂的方法,不溶于溶剂,那可以怎么制备呢?

【学生】可以使用固体载体。

【教师】北京化工大学、重庆大学的科研人员,将有机胺负载到聚丙烯酰胺多孔材料上,用来吸附 CO2。在工业技术上负载载体的方法有很多,可以使用物理浸渍法,将多孔材料浸渍到有机胺中,将溶剂蒸发,有机胺就会负载到多孔材料中。

【教师】浸渍后,有机胺为什么可以留在多孔材料中?二者间是否存在分子间的相互作用力呢?

提示:胺和酰胺都有氨基。

【学生】二者之间可以形成分子间氢键,还存在范德华力。

【教师】二者之间会形成氢键,存在分子间作用力,所以可以将有机胺负载到聚丙烯酰胺这种多孔材料上。

【学习任务7】基于结构认识和比较胺和酰胺的化学性质

【探究】图4是聚丙烯酰胺的结构式,它也含有氨基,那能否直接使用酰胺来吸收 CO2呢?我们大家一起试着分析一下。

【教师】观察胺和酰胺的结构,二者有什么异同?【学生】二者都有氨基,酰胺含有羰基。

【教师】基于二者结构,比较一下二者的性质差异。

【学生】羰基是吸电子基团,吸引N原子上的孤对电子,使 N原子上的电子云密度降低,因而其接受质子的能力降低,导致其碱性减弱,所以胺的碱性强。

【教师】在水中胺存在一个电离平衡,可以夺取水中的氢离子,释放出氢氧根,Kb为平衡常数,pKb为其负对数,Kb越大,pKb越小,碱性越大。

学习资料:如表2,酰胺的pKb一般为15-16,脂肪胺的pKb为3-5,所以酰胺的碱性比胺弱。脂肪胺可以吸收CO2,而酰胺与酸不能形成稳定的盐。[1]

【教师】酰胺能否和CO2反应?

【教师】现有研究表明,酰胺和CO2是可以反应的,只不过反应的条件比较苛刻,需要在一定的催化剂作用下,溶于苯,在25℃反应24 h(见图5)。所以,该反应不能应用于工业生产。[2]

【教师】酰胺其实就是羧酸分子中的羟基被氨基所替代得到的化合物,比如说乙酰胺,可以看作是乙酸分子中的羟基被氨基所替代;苯甲酰胺,可看成是苯甲酸中的羟基被氨基所替代。

【教师】酰胺与胺相比,除具弱碱性以外,与酯类似,在酸或碱加热的条件下可以发生水解,水解生成对应的羧酸和氨气。比如在盐酸条件下水解,产物为对应的羧酸和氯化铵;在氢氧化钠催化下水解,产物为对应的羧酸钠和氨气。

【教师】我们比较一下胺和酰胺的化学性质,由于结构的不同,可以发现胺显碱性,酰胺显弱碱性,且可以发生水解,所以胺可以用来吸收CO2,而酰胺则不可以。

【教师】为什么聚丙烯酰胺可以作为有机载体负载有机胺呢?因为该聚合物玻璃化转变温度高,刚性大,有较高的力学强度,并且可以与胺形成分子间氢键,可以负载胺。

【学习任务8】认识氨基功能化固体吸附材料

【教师】将有机胺负载到聚丙烯酰胺多孔材料上的过程就叫作氨基功能化,这种通过一定方式将各种有机液胺负载到固体多孔材料上得到的材料成为氨基功能化固体吸附材料,它具有成本低、CO2吸附选择性高、吸脱附能耗低等优点,成为吸附CO2最具潜力的材料。

4.板块四:气体吸收认知模型的建构

【学习任务9】基于 CO2的吸收,建构气体吸附认知模型

【教师】筛选合适的吸收方法需要考虑哪些条件呢?同学们结合刚才学习的有机胺吸收法,它有哪些优点?我们为什么选用了这种方法呢?

【学生1】从工业技术应用的可行性角度考虑,其具有材料制备方便、CO2选择性高、吸收量大等特点。

【學生2】从社会生产的效益角度考虑,其具有成本低、经济效益高等特点。

【教师】可以从技术应用的可行性和社会生产的效益角度,筛选合适的气体吸收方法,确定对气体具有高选择性,材料易制备且成本低、吸收量大、经济效益高和工艺技术成熟等优势的吸收方法。

【教师】选择合适的吸收方法进行工业应用时,会发现存在不足,需要进行改进。同学们认为可以从哪几个方面进行分析改进呢?

【学生】可以从学科视角、技术视角及社会视角。

【教师】改进可以从以上三个视角出发,而科研工作者会针对不同视角发现的问题加以改进,研究新型材料或开发新技术,测试不同应用环境下气体吸收效率,比如:CO2吸收中氨基固体吸附材料的研究。所以科学前沿的研究会针对已有的问题进行探索改进,创新开发新材料、新技术,用于解决社会实际问题。所以我们可以从科学、技术应用和社会需求三个视角认识气体的吸收问题,建立气体吸收的认识模型(见图6)。

【学习任务10】迁移应用思考氮氧化物的吸收方法

【教师】工业烟气中还含有氮氧化物废气,结合自己所学知识,思考吸收氮氧化物的方法有哪些?这些方法能否应用于工业生产中?

七、总结与反思

1.概念重构,酸碱的再认识

初中阶段学习的酸碱电离理论在高中阶段存在局限性,无法定义非水溶液中的酸和碱。基于此问题,本节课在介绍氨气和有机胺具有碱性的基础上,对酸碱进行了再认识。通过分析学生已有认知的不足,举例介绍了酸碱质子理论以及酸碱电子理论,对酸碱概念进行重构,加强学生对于酸碱的再认识。

2.大概念统领,发展学科观念

本节课基于“结构决定性质,性质决定功能,功能决定应用”大概念的统领,介绍有机胺吸收法,基于胺的结构认识胺的碱性,通过类比胺和酰胺的结构,探究酰胺能否直接用于吸收 CO2,比较挖掘酰胺的化学性质,引导学习认识CO2吸附中的相关应用,从而培养发展学生学习有机化学的学科观念。

3.基于科学、技术应用及社会需求,建立气体吸收认知模型,解决气体吸收问题

2020年我国正式提出“双碳”战略目标,为实现该目标,工业排放 CO2的捕集与封存显得尤为重要。本节课的教学重点是基于科学、工业技术应用和社会生产需求视角认识“双碳”目标与 CO2气体的吸收,介绍有机胺吸收法的方法优势及酰胺载体的改良研究应用,在问题探究过程中不断完善、建构气体吸收的认识模型。让学生体会化学学科知识在生活中的实践应用,发展学生从科学、工业技术应用及社会生产需求视角解决气体吸收问题的能力,培养学生的科学态度和社会责任观,发展学生模型认知的核心素养,激发其学习化学的学习兴趣。

参考文献

[1]王许鹏奎. 有机含氮化合物碱性强弱变化规律[J]. 化学教育(中英文),2004,25(2):3-9.

[2] Q. Zhang,X. Lin,N. Fukaya,T. Fujitani,K. Sato and J.Choi,Selective N-formylation/N-methylation of amines and N-formylation of amides and carbamates with carbon diox- ide and hydrosilanes:promotion of the basic counter anions of the zinc catalyst [J]. Green Chem.,2020,22:8414-8422.

猜你喜欢
双碳教学设计
“双碳”背景下雄安新区农林废弃物综合利用模式的探索
“双碳”目标下企业如何应对碳市场带来的挑战与机遇
“双碳”背景下推动创新示范区绿色低碳循环发展的思路
绿田机械:净利润复合增速超80%“双碳”目标加速企业绿色发展
专访奚国华:中信力争成为国企助力“双碳”目标的旗帜
“双碳”下县城发展新思维
《电气工程毕业设计》 课程的教学设计
高中数学一元二次含参不等式的解法探讨
“仿真物理实验室” 在微课制作中的应用
翻转课堂在高职公共英语教学中的应用现状分析及改善建议