淺談化學(xué)工藝流程中學(xué)科思維素養(yǎng)的培養(yǎng)

發(fā)布時(shí)間：2019-02-15所屬分類：科技論文瀏覽：1187次

摘 要： 摘要：引領(lǐng)學(xué)生從建立分類思想開始，通過定性分析，讓學(xué)生體驗(yàn)反應(yīng)原理在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，并在解決化工實(shí)際生產(chǎn)問題中落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，幫助學(xué)生形成化學(xué)學(xué)科思想。 關(guān)鍵詞：工藝流程,分類思想,定性分析,反應(yīng)原理,學(xué)科素養(yǎng) 高中化學(xué)工藝流程題

　　摘要：引領(lǐng)學(xué)生從建立分類思想開始，通過定性分析，讓學(xué)生體驗(yàn)反應(yīng)原理在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，并在解決化工實(shí)際生產(chǎn)問題中落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，幫助學(xué)生形成化學(xué)學(xué)科思想。

　　關(guān)鍵詞：工藝流程,分類思想,定性分析,反應(yīng)原理,學(xué)科素養(yǎng)

　　高中化學(xué)工藝流程題，以元素化合物知識為中心，覆蓋主族和副族等代表性物質(zhì)的性質(zhì)，常以物質(zhì)的制備、檢驗(yàn)、分離、提純等基本實(shí)驗(yàn)為依托，體現(xiàn)了化學(xué)原理在化工生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。

　　在實(shí)際教學(xué)中，面對試題中眾多陌生物質(zhì)和極其繁瑣的轉(zhuǎn)化關(guān)系，學(xué)生往往只能針對其中學(xué)習(xí)接觸過的物質(zhì)進(jìn)行簡單的知識再現(xiàn)，但很難通過準(zhǔn)確獲取物質(zhì)的核心性質(zhì)(包含結(jié)構(gòu)特征、性質(zhì)特征、反應(yīng)特征、現(xiàn)象特征和數(shù)據(jù)特等方面征)來進(jìn)行學(xué)科思維的推理。在教學(xué)實(shí)踐中，我從“建立分類思想，形成定性分析，確立反應(yīng)原理”的角度嘗試，通過引導(dǎo)學(xué)生就物質(zhì)可能表現(xiàn)的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行預(yù)判，幫助學(xué)生形成了“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定應(yīng)用”的學(xué)科觀念，學(xué)生在宏觀辨識與微觀探析的能力上獲得了較好的發(fā)展。

　　一、“建立分類思想”是奠定化學(xué)思維素養(yǎng)的基礎(chǔ)

　　種類各異的物質(zhì)和靈活多變的反應(yīng)是工藝流程中的研究對象，這類試題清晰反映了化學(xué)生產(chǎn)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的變化規(guī)律，教學(xué)中運(yùn)用分類思想使元素化合物的相關(guān)知識系統(tǒng)化，既符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平，更有利于學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法體驗(yàn)有化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)的學(xué)習(xí)過程。

　　化工生產(chǎn)的原料從組成看，包含金屬氧化物、硫化物、各種鹽以及金屬單質(zhì)等物質(zhì)，在生產(chǎn)過程中一般添加的物質(zhì)有酸、堿、鹽和金屬或非金屬單質(zhì)等，教學(xué)中教師如能有意識地將“交叉分類”和“樹狀分類”等思想滲透在課堂中，讓學(xué)生學(xué)會(huì)對各種組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相似的物質(zhì)進(jìn)行分類對比，之后通過對每一種物質(zhì)所具有的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行合理的推理、篩選和組合，自然能使學(xué)生更加明確工藝流程中的每一個(gè)步驟的目的。

　　與此同時(shí)，教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生使用化學(xué)式、化學(xué)反應(yīng)方程式等規(guī)范的化學(xué)符號和用語正確地表示出中間步驟中的各種物質(zhì)及其化學(xué)反應(yīng)，幫助學(xué)生對流程中的關(guān)系形成連續(xù)完整的學(xué)科知識鏈接，進(jìn)而對物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系形成一個(gè)相對完整的科學(xué)認(rèn)識，并最終養(yǎng)成對物質(zhì)進(jìn)行分類的學(xué)科思維學(xué)習(xí)習(xí)慣。

　　二、“形成定性分析”是訓(xùn)練化學(xué)思維素養(yǎng)的途徑

　　工藝流程中每一種物質(zhì)的出現(xiàn)，都預(yù)示著性質(zhì)的體現(xiàn)，學(xué)生在建立分類思想過程中，要優(yōu)先考慮“還原性與氧化性”“酸性與堿性”“穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性”“溶解性和揮發(fā)性”等物質(zhì)所具有的通性，此外，對物質(zhì)的特性也要格外關(guān)注。如流程中引入稀硫酸、稀鹽酸和稀硝酸三種不同的酸，其目的分別是只引入酸性、同時(shí)引入酸性和還原性以及既引入酸性又引入氧化性;若引入氯水，則很可能意味著同時(shí)考慮氧化性、酸性，甚至還有漂白性;而以調(diào)節(jié)溶液pH為目的時(shí)，引入的物質(zhì)則是酸性或者堿性，如氫氧化鈉、氨水、碳酸鈉、氧化銅等金屬氧化物經(jīng)常用于調(diào)節(jié)含有各種金屬陽離子的酸性溶液，以便于將某些金屬陽離子轉(zhuǎn)化為沉淀而除去。

　　學(xué)習(xí)中，學(xué)生要養(yǎng)成對所有物質(zhì)進(jìn)行認(rèn)定性質(zhì)的思維習(xí)慣，因此學(xué)生既需要對元素化合物知識的積累，更要建立從物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、種類、現(xiàn)象和化合價(jià)等多維度分析挖掘的途徑，最終才能形成一種由元素到物質(zhì)、由宏觀到微觀、由現(xiàn)象到本質(zhì)、由表及里去預(yù)測出物質(zhì)可能具有的性質(zhì)和可能發(fā)生各種變化的思維推理能力。

　　三、“確立反應(yīng)原理”是形成化學(xué)思維素養(yǎng)的核心

　　工藝流程中離不開單質(zhì)及其化合物的轉(zhuǎn)化，而四種基本反應(yīng)類型是氧化還原反應(yīng)最基本的表現(xiàn)形式，在確定物質(zhì)所屬類別的基礎(chǔ)上，通過對物質(zhì)性質(zhì)的分析，明確流程中每一個(gè)步驟中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)原理及對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)類型，是解決問題的關(guān)鍵。

　　1.氧化還原反應(yīng)原理

　　合成氨、工業(yè)制鹽酸、硫酸、硝酸、氯堿工業(yè)、金屬冶煉等許多重要化工產(chǎn)品的合成，都離不開氧化還原反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)原理廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)和日常生活中的各個(gè)方面，因此認(rèn)識氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)與規(guī)律，不僅對人類的生產(chǎn)和生活都是有意義的，而且對于幫助學(xué)生形成化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的關(guān)鍵能力和必備品質(zhì)，進(jìn)而促成學(xué)生化學(xué)核心能力的發(fā)展意義非凡。

　　常見還原劑含明顯的低價(jià)元素，單質(zhì)有金屬單質(zhì)和非金屬單質(zhì)碳和氫氣，化合物有非金屬氧化物CO、NO和SO2等，低價(jià)金屬化合物FeO、Fe3O4、FeS、FeS2、FeI2、FeBr2、Cu2S，離子形式存在的有S2-、SO32-、I-、Fe2+、Br、Cl、OH-(溶液)、O2-(熔態(tài))及含有特殊化合價(jià)的物質(zhì)，如有機(jī)物(其中的碳元素)、金屬氫化物(負(fù)一價(jià)氫)。

　　常見氧化劑含明顯的高價(jià)元素，單質(zhì)有非金屬單質(zhì)F2、O2(O3)、Cl2、Br2、I2等;化合物有非金屬氧化物CO2、NO2和SO3等，低價(jià)金屬化合物Fe2O3、Fe3O4(Fe2O3·FeO)、PbO2、MnO2;離子形式存在的有(H+)MnO4-、(H+)NO3-、ClO和金屬陽離子Mn+等，及含有特殊化合價(jià)的物質(zhì)，如Na2O2、H2O2。

　　此外，置換反應(yīng)是最基本的一種氧化還原反應(yīng)類型，表現(xiàn)為金屬單質(zhì)及非金屬單質(zhì)間的相互置換，形式上有：①金屬→金屬;②金屬→非金屬;③非金屬→金屬;④非金屬→非金屬。①②③中體現(xiàn)物質(zhì)還原性的比較，即大部分金屬和非金屬中的C、H2的比較;④既有非金屬單質(zhì)氧化性的比較，也有非金屬單質(zhì)還原性的比較。

　　流程中經(jīng)常利用金屬的還原性將一些金屬從其陽離子的鹽溶液中置換出來，以達(dá)到最終進(jìn)行除雜的目的。在氧化還原反應(yīng)不同階段的教學(xué)中，教師要堅(jiān)持幫助學(xué)生從物質(zhì)種類的角度將常見還原劑和氧化劑進(jìn)行歸納和整理，將有利于學(xué)生形成以氧化還原反應(yīng)原理為核心的學(xué)科思想。

　　2.復(fù)分解反應(yīng)原理

　　該反應(yīng)雖然不是氧化還原反應(yīng)，但是在流程中各物質(zhì)的分離提純中卻能起到穿針引線的作用，尤其能以沉淀或氣體(溶解性的體現(xiàn))為特征，引發(fā)出酸、堿、鹽之間的各種反應(yīng)(酸性與堿性的體現(xiàn))，其中強(qiáng)酸制取弱酸(或者強(qiáng)堿制取弱堿)原理的應(yīng)用最廣泛。除氧化還原反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)兩種流程中考查最多的反應(yīng)外，分解反應(yīng)原理凸顯了物質(zhì)的不穩(wěn)定性，既可以是氧化還原反應(yīng)，也可為非氧化還原反應(yīng)，但因?yàn)榉磻?yīng)條件尤為明顯(一般為加熱或高溫)，所以學(xué)生容易辨識，推理過程相對簡單。

　　實(shí)例：1.精講例題

　　(2013·新課標(biāo)卷Ⅱ·27)：氧化鋅為白色粉末，可用于濕疹、癬等皮膚病的治療。純化工業(yè)級氧化鋅(含有Fe(Ⅱ)，Mn(Ⅱ)，Ni(Ⅱ)等雜質(zhì))的流程如下：工業(yè)ZnO稀H2SO4①適量高錳酸鉀溶液②③④⑤Na2CO3浸出調(diào)pH約為5過濾濾餅煅燒過濾濾液過濾濾液ZnO提示：在本實(shí)驗(yàn)條件下，Ni(Ⅱ)不能被氧化：高錳酸鉀的還原產(chǎn)物是MnO2�；卮鹣铝袉栴}：

　　(1)反應(yīng)②中除掉的雜質(zhì)離子是_______，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_____________________;加高錳酸鉀溶液前，若pH較低，對除雜的影響是____________________________。

　　(2)反應(yīng)③的反應(yīng)類型為______________，過濾得到的濾渣中，除了過量的鋅外還有_____________。

　　解析：從“建立分類思想，形成定性分析，確立反應(yīng)原理”的角度出發(fā)，步驟①中氧化鋅等物質(zhì)為堿性氧化物，用硫酸溶解，利用了堿性和酸性，體現(xiàn)了復(fù)分解反應(yīng)的原理;步驟②在pH=5的溶液中，氧化性的高錳酸鉀與溶液中還原性的Fe2+、Mn2+發(fā)生了氧化還原反應(yīng)原理，同時(shí)利用Fe(OH)3和MnO2難溶于水的性質(zhì)將其分離;步驟③中鋅為較活潑的金屬單質(zhì)，明顯具有還原性，必然與濾液中氧化性的Ni2+發(fā)生置換反應(yīng)，而除去Ni單質(zhì)。

　　步驟④中出現(xiàn)的強(qiáng)堿弱酸鹽Na2CO3因發(fā)生水解而使溶液顯堿性，可與濾液中顯酸性的ZnSO4發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)或雙水解反應(yīng)，形成Zn(OH)2或ZnCO3;步驟⑤利用了Zn(OH)2或ZnCO3的不穩(wěn)定性，在受熱條件下發(fā)生分解反應(yīng)，最終獲得純凈的氧化鋅。

　　2.精練例題　(2018·全國Ⅱ·26)：我國是世界上最早制得和使用金屬鋅的國家，相關(guān)金屬離子[C(Mn+)=0.1mol⋅L−1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如下：回答下列問題：(1)焙燒過程中主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為_____。(2)濾渣1的主要成分除SiO2外還有_________;氧化除雜工序中ZnO的作用是_________，若不通入氧氣，其后果是_________。

　　(3)溶液中的Cd2+可用鋅粉除去，還原除雜工序中反應(yīng)的離子方程式為__________________。(4)電解硫酸鋅溶液制備單質(zhì)鋅時(shí)，陰極的電極反應(yīng)式為_____________;沉積鋅后的電解液可返回_________工序繼續(xù)使用。答案：(1)2ZnS+3O2=2ZnS+2SO2(2)PbSO4調(diào)節(jié)溶液的pH無法除去雜質(zhì)Fe2+(3)Cd2++Zn=Zn2++Cd(4)Zn2++2e=Zn溶浸。

　　隨著新高考改革的到來，高中化學(xué)教學(xué)更加重視學(xué)科知識與生活、生產(chǎn)的緊密聯(lián)系，在教學(xué)中，我們需要在三維目標(biāo)中強(qiáng)調(diào)化學(xué)學(xué)科思想和學(xué)科方法等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，不斷強(qiáng)化嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕瘜W(xué)學(xué)科思維訓(xùn)練，幫助學(xué)生理解化學(xué)與技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境之間的相互關(guān)系，并靈活運(yùn)用已有的知識和原理、思維和方法進(jìn)行綜合分析，積極參與到解決化學(xué)問題的過程中。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]林肅浩.更高更妙的高考化學(xué)思想方法.[M].浙江大學(xué)出版社，2016.

　　[2]于淑兒，王存寬.元素及其化合物推斷題的命題趨勢與教學(xué)策略[J].中學(xué)化學(xué)教與學(xué)，2009，(4).

　　[3]何彩霞.化學(xué)學(xué)科觀念建構(gòu)是單元教學(xué)的核心[J].化學(xué)教育，2009(2).

　　相關(guān)期刊推薦：《化學(xué)教育雜志》創(chuàng)刊于1980年，是由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管，中國化學(xué)會(huì)主辦的國家級化學(xué)教育類學(xué)術(shù)月刊。本刊為月刊，主編：朱文祥。國內(nèi)統(tǒng)一刊號：CN11-1923/O6，國際刊號：ISSN1003-3807。

声明:①文献来自知网、维普、万方等检索数据库，说明本文献已经发表见刊，恭喜作者.②如果您是作者且不想本平台展示文献信息,可联系学术顾问予以删除.