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化工硫酸工業(yè)教學(xué)設(shè)計
1教學(xué)設(shè)計
1.1教材內(nèi)容分析及教學(xué)設(shè)計構(gòu)思硫酸是人類最早制得的化工產(chǎn)品之一,早在1000多年前,就有過史料記載。硫酸工業(yè)作為化工產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),其發(fā)展已有200多年的歷史。硫酸是化學(xué)工業(yè)許多產(chǎn)品的原料(大致有上千種化工新產(chǎn)品需要硫酸為原料),大量用于化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、化學(xué)纖維等的生產(chǎn),在冶金工業(yè)、石油工業(yè)、國防工業(yè)、輕工業(yè)等被廣泛應(yīng)用,被稱為“化學(xué)工業(yè)之母”。硫酸在化工中的重要性決定了它與一個國家的化工發(fā)展密切相關(guān),硫酸的制備方法的發(fā)展和演變過程、原理與生產(chǎn)方法的改變是人類知識進步和智慧的結(jié)晶。在硫酸制備方法的學(xué)習(xí)過程中,融入相關(guān)化工發(fā)展史的了解,一方面可加深學(xué)生對硫酸應(yīng)用的理解,另一方面可以使他們在學(xué)習(xí)有關(guān)原理與設(shè)備的改進過程中,提高分析、對比和思辨能力,了解工業(yè)發(fā)展的過程,感悟人類知識和技術(shù)進步的魅力。硫酸制法是中學(xué)階段為數(shù)不多的作為重點化工知識學(xué)習(xí)的內(nèi)容,其歷史生產(chǎn)方法的3個階段[1]:熱分解法、硝化法、接觸法,特征顯著,條理清晰,易于在教學(xué)中整合,其中包含了大量的技術(shù)原理及技術(shù)思想。基于硫酸工業(yè)在教材和工業(yè)生產(chǎn)中的特殊地位,為了體現(xiàn)其重要性和所蘊含的化學(xué)科學(xué)的人文內(nèi)涵,落實普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn):“通過化學(xué)發(fā)展史的線索,使學(xué)生認(rèn)識化學(xué)概念和化學(xué)原理是不斷發(fā)展和深化的”[2]的建議,合理地將硫酸制備的化工發(fā)展史融入教學(xué)之中,可以更深入地使學(xué)生了解科學(xué)知識、科學(xué)方法,培養(yǎng)技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)造精神,并有效體現(xiàn)情感態(tài)度與價值觀的教育。
1.2教學(xué)目標(biāo)[知識與技能](1)了解并對比歷史上硫酸的制備方法;(2)學(xué)習(xí)現(xiàn)代硫酸工業(yè)的反應(yīng)原理,了解工業(yè)生產(chǎn)裝置的工作原理。[過程與方法]通過分析、對比、討論,思考歷史上關(guān)于硫酸工業(yè)原理的優(yōu)點與缺點,培養(yǎng)學(xué)生的概括能力和分析能力,加深對硫酸制備原理與裝置的認(rèn)識和理解,在反思和比較中體會科技創(chuàng)新的過程與方法。[情感態(tài)度與價值觀](1)通過了解硫酸工業(yè)發(fā)展的歷史,感受科技進步發(fā)展的過程;(2)了解我國硫酸工業(yè)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,增強為科技進步和祖國強盛而學(xué)習(xí)的動力。
1.3教學(xué)過程[引入]硫酸是最重要的基礎(chǔ)化工原料,被譽為“化學(xué)工業(yè)之母”,我國自2004年硫酸產(chǎn)量超過美國,躍居世界第一,至2011年已連續(xù)7年位居世界第一。從表1和表2可看出硫酸應(yīng)用范圍之廣、產(chǎn)量之大。[過渡]作為最重要的基礎(chǔ)化工原料之一,硫酸的制備應(yīng)用經(jīng)歷了很漫長的歷史。生產(chǎn)硫酸最古老的方法是用膽礬或綠礬為原料,在蒸餾釜中煅燒。
反應(yīng)的化學(xué)方程式為:
一、歷史上硫酸的工業(yè)制取方法:1.加熱分解法CuSO4?5H2O???高溫CuO+SO3↑+5H2O↑2FeSO4?7H2O???高溫Fe2O3+SO2↑+SO3↑+14H2O↑。其中三氧化硫與水蒸氣同時冷凝便得到硫酸。歐洲在中世紀(jì)曾稱硫酸為綠礬油。[設(shè)疑]以上2種制硫酸的方法有明顯的缺點,請同學(xué)們思考。[生答]固體加熱高溫能耗大;原料來源少,價格昂貴;副產(chǎn)物多,產(chǎn)量小,不易利用;難以大規(guī)模生產(chǎn)等。[過渡]硫黃是一種使用較多的化學(xué)藥品,人們逐漸發(fā)現(xiàn)用硫黃與硝石(主要成分是KNO3)混合加熱也能產(chǎn)生硫酸(硫黃燃燒可產(chǎn)生SO2,硝石加熱可產(chǎn)生NO2)。具體反應(yīng)原理可簡略表示如下:
2.氮氧化物氧化法———硝化法
SO2+NO2+H2O=H2SO4+NO2NO+O2=2NO2[投影并講述]1736年,英國人瓦德最早將這一原理應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)硫酸,他通過特殊方法制得了大容積(300L左右)的球形玻璃容器,用大鐵盤裝上硫黃與硝石在預(yù)先加入水的玻璃容器中點燃。瓦德的工廠有近百個大玻璃容器,大規(guī)模的生產(chǎn)使當(dāng)時的硫酸價格下降到了原先的1/16。[問題]這種方法雖然使硫酸的產(chǎn)量提高,成本下降了很多,但也還存在不少缺陷,請同學(xué)們思考。[生答]玻璃儀器易碎,容積不大,鐵盤易腐蝕,產(chǎn)量還不能很高等。[投影并講述]很快地,瓦德的生產(chǎn)方法被一位名叫加貝特的技術(shù)員改進了。他選擇了不易被硫酸腐蝕的鉛制成鉛室,鉛室的體積可以達到近10m
3,不斷地放入硫黃與硝石,每4個星期取出1次酸,使硫酸的產(chǎn)量得到了進一步的提高。到后來最大的鉛室一直做到了近200m3。[設(shè)疑]工業(yè)的發(fā)展對硫酸的需求量越來越高,大規(guī)�；墓I(yè)生產(chǎn)要求生產(chǎn)過程必須是連續(xù)的。不論是瓦德的玻璃容器還是加貝特的鉛室,制備原理都是相同的,它們的生產(chǎn)過程有一個極大的弱點。請同學(xué)們討論后回答。(學(xué)生討論)[生答]間斷性生產(chǎn),不能連續(xù)(因每4個星期要打開鉛室取酸)。[提出問題]那么,如何解決不能連續(xù)生產(chǎn)的問題?(啟發(fā)并讓學(xué)生討論)[生答]向鉛室中噴水,另置燃燒硫黃與硝石的爐子將產(chǎn)生的氣體通入鉛室等。[過渡講解]以上在技術(shù)設(shè)備上對硫酸制備的改進,取得了很好的經(jīng)濟與生產(chǎn)的效益,但在原理上還是相同的,都是氮氧化物氧化法的具體應(yīng)用。因為游離態(tài)硫單質(zhì)硫黃的分布較低,自然界中存在較多的是硫的化合物,為了降低成本,人們開始使用含硫的礦物產(chǎn)生SO2,開始使用氧氣氧化氨氣替代較昂貴的硝石產(chǎn)生氮的氧化物用于氧化SO2轉(zhuǎn)變?yōu)镾O3。[提出問題]回到上述化學(xué)反應(yīng),要求學(xué)生根據(jù)反應(yīng)原理,思考氮的氧化物在反應(yīng)中的用途?[生答]起催化劑作用,實質(zhì)上并沒有消耗。[過渡提問]因此,在工業(yè)上合理循環(huán)使用氮的氧化物就顯得很重要,可大大降低生產(chǎn)成本。[投影展示]蓋呂薩克的思路與管道工人格洛弗的設(shè)計組合完善了鉛室法在技術(shù)上的設(shè)計(見圖1)。一個普通工人完善了一位著名化學(xué)家的設(shè)計,在硫酸制造業(yè)中被傳為美談。鉛室法在硫酸工業(yè)200多年的生產(chǎn)歷史中沿用了100多年。(在教學(xué)案上作為問題展示,讓學(xué)生課后思考鉛室法的氮氧化物的循環(huán)利用裝置的原理。給予必要提示:氮氧化物溶于冷硫酸,受熱時會逸出)[設(shè)問]因二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫都是通過氮的氧化物氧化實現(xiàn)的,在生產(chǎn)過程中會存在什么弊端?[生答]氮的氧化物有毒,會隨尾氣排出,對空氣產(chǎn)生污染。[再問]前面我們分析了,氮氧化物理論上來看并沒消耗,起了催化作用,從綠色化學(xué)的角度思考,將SO2氧化為SO3最好是通過什么氧化?[生答]用氧氣氧化最好,也最直接。[講述]現(xiàn)代工業(yè)的硫酸制法正是變革了沿用多年的氮氧化物氧化法,改用直接用氧氣氧化的方法來制得SO3。引入接觸法制硫酸。
二、硫酸的現(xiàn)代工業(yè)制法———接觸法制硫酸
1.二氧化硫的制取和凈化(沸騰爐)———造氣過程S+O2???點燃SO24FeS2+11O2???高溫2Fe2O3+8SO2
2.二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫(接觸室)———催化氧化過程2SO2+O2催化劑幑帯幐加熱2SO3
3.三氧化硫的吸收和硫酸的生成(吸收塔)———吸收成酸過程SO3+H2O???H2SO4[動畫演示]接觸法制硫酸的工業(yè)流程,介紹熱交換器的工作原理。[思考]閱讀課本,思考硫酸制取過程中以下一些生產(chǎn)工藝中所包含的原理。(1)硫鐵礦石在進入沸騰爐前為何要粉碎?(2)SO2氣體在進入接觸室前為何要除塵、洗滌并干燥?(3)接觸室中的熱交換器的作用及工作原理是什么?(投影動畫分析)(4)為何要用98.3%的濃硫酸吸收SO3而不用水?[總結(jié)]學(xué)生在閱讀討論后,進行歸納總結(jié)。[比較分析]將硫酸的幾個不同階段的制法進行比較分析。(投影)[資料]我國硫酸工業(yè)的發(fā)展情況,結(jié)合前面表1。(1)我國硫酸工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r(投影展示:已取得的成績,缺點:產(chǎn)能過剩、硫資源對外依存度過高、產(chǎn)業(yè)集中度偏低、資源利用率待提高等)(2)對我國硫酸工業(yè)發(fā)展作出突出貢獻的孫師白(下發(fā)閱讀材料)[未來發(fā)展]硫酸工業(yè)未來的發(fā)展趨勢(投影展示。摘自中國硫酸工業(yè)協(xié)會專論:我國硫酸工業(yè)現(xiàn)狀及“十二五”發(fā)展規(guī)劃思路[4])(1)充分開發(fā)利用工業(yè)煙氣、工業(yè)用煤中的硫的回收,彌補我國硫黃主要依賴進口的現(xiàn)狀;(2)研制開發(fā)新技術(shù)、新工藝、新材料和新裝備,提高硫酸行業(yè)整體技術(shù)和裝備水平,制造高性能釩催化劑;(3)提高硫酸行業(yè)整體廢熱回收利用水平等。[作業(yè)與任務(wù)](1)試分析:SO2溶于水生成亞硫酸后,可直接氧化為硫酸,能否用這一方法生產(chǎn)硫酸?(SO2在常溫下的溶解度約為1∶40)(2)硫酸生產(chǎn)廠產(chǎn)生的尾氣中會含有一定量的SO2氣體,查找資料并思考,如何吸收并處理尾氣。(3)研究性學(xué)習(xí)課題:如何從冶煉煙氣中制得硫酸?
2教學(xué)反思
2.1融入化工發(fā)展史的課堂教學(xué)效果(1)培養(yǎng)發(fā)展眼光,提升思維品質(zhì)融入化工發(fā)展史的課堂教學(xué)將歷史上的化工原理深入辨析,論弊明利,說“長”道“短”,并非是歷史材料簡單地堆積和簡單地介紹,也不是簡單地“故事性”敘說,而是學(xué)生在思考、討論與分析中不斷地將舊的原理與技術(shù)予以否定,在探究、分析與推理中引出新的方法和新的工藝,在這樣的化學(xué)史的穿越之中特別有助于學(xué)生形成發(fā)展的觀點和思想,在分析對比、歸納提煉中提升了學(xué)生質(zhì)疑、反思、概括、綜合等多種思維品質(zhì)。(2)培養(yǎng)創(chuàng)新精神,增強社會責(zé)任感融入化工發(fā)展史的課堂教學(xué)將一些重要的技術(shù)原理的變革,通過問題的設(shè)置引導(dǎo)學(xué)生思考解決,是一個在思想上進行變革、創(chuàng)新的過程。我國化學(xué)工業(yè)中技術(shù)原理應(yīng)用與改革的一些典型案例與個人,強化了學(xué)生對創(chuàng)新、創(chuàng)造價值的認(rèn)識。通過化工發(fā)展史,認(rèn)識化學(xué)科學(xué)與技術(shù)進步和社會發(fā)展的關(guān)系,對培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和創(chuàng)新精神具有良好的效果。(3)培養(yǎng)技術(shù)意識,提高技術(shù)素養(yǎng)重理論、輕技術(shù)是多年來理科教學(xué)存在的一個弊端。目前培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng),滲透技術(shù)教育已成為共識,技術(shù)課程已成為學(xué)生的重要學(xué)習(xí)領(lǐng)域。滲透化工發(fā)展史的課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的一個良好途徑�；瘜W(xué)原理在化工生產(chǎn)中的運用總是與一定的技術(shù)與工藝相聯(lián)系,如循環(huán)利用、逆流原理、熱交換器的使用等;原理的變革、產(chǎn)品質(zhì)量和效益的提升也總是與一定的工藝創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新密切相關(guān)。這能使學(xué)生切實感受到技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用,體會到技術(shù)的獨特魅力,以培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)意識,形成一定的技術(shù)素養(yǎng)。
2.2融入化工發(fā)展史的課堂教學(xué)的適用性和教學(xué)中應(yīng)注意的問題(1)適用性高中化學(xué)教材中有關(guān)化工原理與技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容除硫酸工業(yè)外,還有其他不少內(nèi)容也具有相同的教學(xué)要求。如氯堿工業(yè)[5]、純堿工業(yè)、合成氨工業(yè)等,這些化工知識內(nèi)容的學(xué)習(xí),也都可以沿用本案例硫酸工業(yè)中的教學(xué)設(shè)計流程,達到相同的教學(xué)效果�？偨Y(jié)本節(jié)課的設(shè)計思想,得出基于“化工發(fā)展史”的課堂教學(xué)基本授課流程如圖2。(2)應(yīng)注意的問題融入“基礎(chǔ)化工發(fā)展史”的課堂教學(xué)中要注意設(shè)置合適的問題情境,引導(dǎo)學(xué)生探究思考歷史上曾經(jīng)沿用的技術(shù)方法的合理性與局限性,而不能以簡單的故事式的描述來學(xué)習(xí),否則就違背了這種教學(xué)形式的設(shè)計初衷。另外,這種課堂教學(xué)的安排,每節(jié)課涉及內(nèi)容較多,課堂涉及的問題和閱讀量都較大。必須認(rèn)真分配好一節(jié)課的時間,對一些數(shù)據(jù)、圖片或文字材料盡量整合為連貫的課件,以便提高課堂效率,節(jié)省時間。涉及文字量較大的內(nèi)容可事先以講義的形式提前印制好,讓學(xué)生預(yù)習(xí)或課前、課后閱讀交流,也可以適當(dāng)留白,讓思維的錘煉引向課后,如本設(shè)計中的“鉛室法的改進之妙”留作課后思考就是一種妥善的安排。
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