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化工硫酸工業教學設計
1教學設計
1.1教材內容分析及教學設計構思硫酸是人類最早制得的化工產品之一,早在1000多年前,就有過史料記載。硫酸工業作為化工產業的基礎,其發展已有200多年的歷史。硫酸是化學工業許多產品的原料(大致有上千種化工新產品需要硫酸為原料),大量用于化肥、農藥、醫藥、化學纖維等的生產,在冶金工業、石油工業、國防工業、輕工業等被廣泛應用,被稱為“化學工業之母”。硫酸在化工中的重要性決定了它與一個國家的化工發展密切相關,硫酸的制備方法的發展和演變過程、原理與生產方法的改變是人類知識進步和智慧的結晶。在硫酸制備方法的學習過程中,融入相關化工發展史的了解,一方面可加深學生對硫酸應用的理解,另一方面可以使他們在學習有關原理與設備的改進過程中,提高分析、對比和思辨能力,了解工業發展的過程,感悟人類知識和技術進步的魅力。硫酸制法是中學階段為數不多的作為重點化工知識學習的內容,其歷史生產方法的3個階段[1]:熱分解法、硝化法、接觸法,特征顯著,條理清晰,易于在教學中整合,其中包含了大量的技術原理及技術思想�；诹蛩峁I在教材和工業生產中的特殊地位,為了體現其重要性和所蘊含的化學科學的人文內涵,落實普通高中化學課程標準:“通過化學發展史的線索,使學生認識化學概念和化學原理是不斷發展和深化的”[2]的建議,合理地將硫酸制備的化工發展史融入教學之中,可以更深入地使學生了解科學知識、科學方法,培養技術素養和創造精神,并有效體現情感態度與價值觀的教育。
1.2教學目標[知識與技能](1)了解并對比歷史上硫酸的制備方法;(2)學習現代硫酸工業的反應原理,了解工業生產裝置的工作原理。[過程與方法]通過分析、對比、討論,思考歷史上關于硫酸工業原理的優點與缺點,培養學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識和理解,在反思和比較中體會科技創新的過程與方法。[情感態度與價值觀](1)通過了解硫酸工業發展的歷史,感受科技進步發展的過程;(2)了解我國硫酸工業發展歷史和現狀,增強為科技進步和祖國強盛而學習的動力。
1.3教學過程[引入]硫酸是最重要的基礎化工原料,被譽為“化學工業之母”,我國自2004年硫酸產量超過美國,躍居世界第一,至2011年已連續7年位居世界第一。從表1和表2可看出硫酸應用范圍之廣、產量之大。[過渡]作為最重要的基礎化工原料之一,硫酸的制備應用經歷了很漫長的歷史。生產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。
反應的化學方程式為:
一、歷史上硫酸的工業制取方法: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。歐洲在中世紀曾稱硫酸為綠礬油。[設疑]以上2種制硫酸的方法有明顯的缺點,請同學們思考。[生答]固體加熱高溫能耗大;原料來源少,價格昂貴;副產物多,產量小,不易利用;難以大規模生產等。[過渡]硫黃是一種使用較多的化學藥品,人們逐漸發現用硫黃與硝石(主要成分是KNO3)混合加熱也能產生硫酸(硫黃燃燒可產生SO2,硝石加熱可產生NO2)。具體反應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用于大規模生產硫酸,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,大規模的生產使當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量提高,成本下降了很多,但也還存在不少缺陷,請同學們思考。[生答]玻璃儀器易碎,容積不大,鐵盤易腐蝕,產量還不能很高等。[投影并講述]很快地,瓦德的生產方法被一位名叫加貝特的技術員改進了。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。[設疑]工業的發展對硫酸的需求量越來越高,大規�；墓I生產要求生產過程必須是連續的。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,它們的生產過程有一個極大的弱點。請同學們討論后回答。(學生討論)[生答]間斷性生產,不能連續(因每4個星期要打開鉛室取酸)。[提出問題]那么,如何解決不能連續生產的問題?(啟發并讓學生討論)[生答]向鉛室中噴水,另置燃燒硫黃與硝石的爐子將產生的氣體通入鉛室等。[過渡講解]以上在技術設備上對硫酸制備的改進,取得了很好的經濟與生產的效益,但在原理上還是相同的,都是氮氧化物氧化法的具體應用。因為游離態硫單質硫黃的分布較低,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生SO2,開始使用氧氣氧化氨氣替代較昂貴的硝石產生氮的氧化物用于氧化SO2轉變為SO3。[提出問題]回到上述化學反應,要求學生根據反應原理,思考氮的氧化物在反應中的用途?[生答]起催化劑作用,實質上并沒有消耗。[過渡提問]因此,在工業上合理循環使用氮的氧化物就顯得很重要,可大大降低生產成本。[投影展示]蓋呂薩克的思路與管道工人格洛弗的設計組合完善了鉛室法在技術上的設計(見圖1)。一個普通工人完善了一位著名化學家的設計,在硫酸制造業中被傳為美談。鉛室法在硫酸工業200多年的生產歷史中沿用了100多年。(在教學案上作為問題展示,讓學生課后思考鉛室法的氮氧化物的循環利用裝置的原理。給予必要提示:氮氧化物溶于冷硫酸,受熱時會逸出)[設問]因二氧化硫轉化為三氧化硫都是通過氮的氧化物氧化實現的,在生產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]現代工業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、硫酸的現代工業制法———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]學生在閱讀討論后,進行歸納總結。[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]我國硫酸工業的發展情況,結合前面表1。(1)我國硫酸工業發展狀況(投影展示:已取得的成績,缺點:產能過剩、硫資源對外依存度過高、產業集中度偏低、資源利用率待提高等)(2)對我國硫酸工業發展作出突出貢獻的孫師白(下發閱讀材料)[未來發展]硫酸工業未來的發展趨勢(投影展示。摘自中國硫酸工業協會專論:我國硫酸工業現狀及“十二五”發展規劃思路[4])(1)充分開發利用工業煙氣、工業用煤中的硫的回收,彌補我國硫黃主要依賴進口的現狀;(2)研制開發新技術、新工藝、新材料和新裝備,提高硫酸行業整體技術和裝備水平,制造高性能釩催化劑;(3)提高硫酸行業整體廢熱回收利用水平等。[作業與任務](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硫酸?(SO2在常溫下的溶解度約為1∶40)(2)硫酸生產廠產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)研究性學習課題:如何從冶煉煙氣中制得硫酸?
2教學反思
2.1融入化工發展史的課堂教學效果(1)培養發展眼光,提升思維品質融入化工發展史的課堂教學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,而是學生在思考、討論與分析中不斷地將舊的原理與技術予以否定,在探究、分析與推理中引出新的方法和新的工藝,在這樣的化學史的穿越之中特別有助于學生形成發展的觀點和思想,在分析對比、歸納提煉中提升了學生質疑、反思、概括、綜合等多種思維品質。(2)培養創新精神,增強社會責任感融入化工發展史的課堂教學將一些重要的技術原理的變革,通過問題的設置引導學生思考解決,是一個在思想上進行變革、創新的過程。我國化學工業中技術原理應用與改革的一些典型案例與個人,強化了學生對創新、創造價值的認識。通過化工發展史,認識化學科學與技術進步和社會發展的關系,對培養學生的社會責任感和創新精神具有良好的效果。(3)培養技術意識,提高技術素養重理論、輕技術是多年來理科教學存在的一個弊端。目前培養學生的技術素養,滲透技術教育已成為共識,技術課程已成為學生的重要學習領域。滲透化工發展史的課堂教學是培養學生技術素養的一個良好途徑�；瘜W原理在化工生產中的運用總是與一定的技術與工藝相聯系,如循環利用、逆流原理、熱交換器的使用等;原理的變革、產品質量和效益的提升也總是與一定的工藝創新、技術創新密切相關。這能使學生切實感受到技術在實際生產中的應用,體會到技術的獨特魅力,以培養學生的技術意識,形成一定的技術素養。
2.2融入化工發展史的課堂教學的適用性和教學中應注意的問題(1)適用性高中化學教材中有關化工原理與技術應用的內容除硫酸工業外,還有其他不少內容也具有相同的教學要求。如氯堿工業[5]、純堿工業、合成氨工業等,這些化工知識內容的學習,也都可以沿用本案例硫酸工業中的教學設計流程,達到相同的教學效果�？偨Y本節課的設計思想,得出基于“化工發展史”的課堂教學基本授課流程如圖2。(2)應注意的問題融入“基礎化工發展史”的課堂教學中要注意設置合適的問題情境,引導學生探究思考歷史上曾經沿用的技術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習,否則就違背了這種教學形式的設計初衷。另外,這種課堂教學的安排,每節課涉及內容較多,課堂涉及的問題和閱讀量都較大。必須認真分配好一節課的時間,對一些數據、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,節省時間。涉及文字量較大的內容可事先以講義的形式提前印制好,讓學生預習或課前、課后閱讀交流,也可以適當留白,讓思維的錘煉引向課后,如本設計中的“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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