化學史的教學-鑒古知今

化學史的教學一一鑒古知今課例六 化學史教學一一鑒古知今，人文的陶冶《工業(yè)合成氨》教學設計【內(nèi)容簡析】工業(yè)合成氨內(nèi)容是在化學反應速率和化學平衡之后，是對化學反應速率和化學平衡理論的綜合應用，是化學動力學基礎理論在生產(chǎn)實際中進行應用的一個范例。基礎知識不難，而且是這部分知識的終結(jié)，它更多的是要求學生關注基礎知識與生產(chǎn)實際間的聯(lián)系。教學內(nèi)容主要涉及到三方面，一為合成氨的原理；二為合成氨的條件選擇；三是學生科學精神與態(tài)度的培養(yǎng)。第三點要滲透化學史的教學，也是該案例體現(xiàn)的核心。【目標定位】能根據(jù)化學反應速率和化學平衡原理闡析當前的生產(chǎn)條件；能根據(jù)合成氨化學原理，簡述合成氨生產(chǎn)的主要流程；運用數(shù)據(jù)的歸納分析方法與辯證思維理解合成氨條件選擇；通過小組討論合成氨的適宜條件，體現(xiàn)出同學之間的合作與交流意識；從哈伯合成氨發(fā)明的初衷激發(fā)學生對化學及化學工業(yè)的興趣與社會責任感；通過了解合成氨的全過程，可以激發(fā)學生愛科學、探索科學的熱情；從合成氨工業(yè)與第一次世界大戰(zhàn)的關系感悟科學的倫理價值問題；從合成氨催化劑的發(fā)明與創(chuàng)新中體悟科學創(chuàng)新所需的勤奮、堅毅、合作的精神；結(jié)合我國合成氨的現(xiàn)狀對學生進行愛國主義教育。通過練習題，逐步形成獨立分析問題、解決問題的能力。總之，要以相關知識為主線，以化學史為載體，從而達到既鞏固基礎知識，又能讓學生鑒古而知今，進行人文的陶冶。【方法闡釋】常見合成氨課堂教學設計，有講授式的；有探究式的；有開放式的等等，這些設計往往讓人感到教學的單一、乏味。任何一門自然科學本身都包含著兩個不同的側(cè)面，知識的一面和獲取這些知識而進行科研活動的一面。只有這兩個方面都加以學習，才能全面把握科學。根據(jù)合成氨內(nèi)容特點，可以以合成氨化學史為教學載體進行教學，其中蘊藏的化學基礎知識不但能滿足大綱的要求，而且在科學思想、科學方法、科學精神與態(tài)度的教學上更具有不一般的活力。學生學習化學史的目的絕不在于“知道”這些事實?；瘜W史既包括科學家對化學的研究過程，又包括科學家研究化學時所持有的不同觀點

和態(tài)度，既包括化學理論和方法的形成和演變，又包括不同學科之間的聯(lián)系，科學與社會的相互程一一事，研究成果一一知識體系等多方面的教育資源，它對學生的教育價值是巨大的?！庇绊憽！盎瘜W史中蘊藏著科學家人，研究過影響。“化學史中蘊藏著科學家人，研究過“鑒古知今”對科學史的學習的根本是為了更好地創(chuàng)造未來。化學史是化學科學的形成、發(fā)展及其演變規(guī)律的反映?；瘜W史教學涉及的內(nèi)容雖然是過去的事，似乎是“過時”的東西，但它包含的規(guī)律、經(jīng)驗、教訓、作用，則始終保持著充沛的生命力。學生已經(jīng)掌握了化學反應速率和化學平衡理論的相關知識，但是學生還沒有將所知識應用于實際問題的經(jīng)驗，教師重在幫助學生形成方法，而不是教會學生具體的知識。在學生形成方法的基礎上，給學生創(chuàng)設獨立演練的機會。讓學生課前查閱工業(yè)合成氨的材料，以便課堂上向同學們介紹；鏈接實驗室制法的原理，以便對比學習；課堂上進行相關知識的回顧、相近知識的學習、相關科學史的學習和討論，達到知識和情感教育的相互滲透和升華，達到理性和感性的統(tǒng)一協(xié)調(diào)發(fā)展，從而完成教學目標。不論學習什么內(nèi)容，不論采取什么方法，化學史的教學都要遵循一般的教學規(guī)律，符合科學發(fā)展規(guī)律、社會歷史發(fā)展規(guī)律，緊密結(jié)合學生的身心發(fā)展水平和認知規(guī)律，選擇合適的內(nèi)容、方法，用發(fā)展的眼光辯證地看待這些“歷史”的功與過?！窘虒W流程】環(huán)節(jié)一課題引入（引導學生回顧）氨的用途：化肥、炸藥、染料等，合成氨廣泛應用與農(nóng)業(yè)、軍工等。氮的固定：包括自然固氮和人工固氮，合成氨是人工固氮的一種方法?！驹O計意圖】聯(lián)系生活實際，引發(fā)學生探索的興趣，引出本節(jié)課學習內(nèi)容。環(huán)節(jié)二原理分析（學生簡述）合成氨的原理：N+3H2NH+Q 2 23該反應的特點；熵減小的放熱反應。即合成氨的反應是一個放熱的、氣體總體積縮小的可逆反應。【設計意圖】通過該方程式對比實驗室制備氨氣的原理，讓同學們明白二者的不同；同時對原料氣的制備有一定的認識。環(huán)節(jié)三鏈接理論（學生回顧）化學反應速率和化學平衡原理，并分析如何提高合成氨的速率和產(chǎn)率?！驹O計意圖】鞏固相關知識，為分析合成氨的適宜條件做鋪墊。環(huán)節(jié)四工業(yè)合成氨的發(fā)展歷程（學生介紹課前所查資料）1、合成氨工藝的發(fā)明氨的工業(yè)合成是目前普遍使用的人工固氮方法，氨設備利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個較難的課題，從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了150年的時間。1774年，普利施特里通過加熱氯化銨和氫氧化鈣的混合物，首先收集到氨。1784年，貝托萊經(jīng)分析確定氨是由氮元素和氧元素組成的。1795年有人試圖在常壓下進行氨合成，后來又有人在50個大氣壓下試驗，結(jié)果都失敗了。19世紀下半葉，物理化學的巨大進展，使人們認識到由氮、氫合成氨的反應是可逆的，增加壓力將使反應推向生成氨的方向；提高溫度會將反應移向相反的方向，然而溫度過低又使反應速度過??；催化劑對反應將產(chǎn)生重要影響。當時物理化學的權(quán)威、德國的能斯特就明確指出：氮和氫在高壓條件下是能夠合成氨的，并提供了一些實驗數(shù)據(jù)。法國化學家勒夏特列第一個試圖進行高壓合成氨的實驗，但是由于氮氫混和氣中混進了氧氣，引起了爆炸，使他放棄了這一危險的實驗。氮氣和氫氣的混和氣體可以在高溫高壓及催化劑的作用下合成氨。但什么樣的高溫和高壓條件為最佳？用什么樣的催化劑為最好？在物理化學研究領域有很好基礎的哈伯決心攻克這一令人生畏的難題。哈伯首先進行一系列實驗，他并不盲從權(quán)威，而是依靠實驗來探索，終于證實了能斯特的計算是錯誤的。哈伯以鍥而不舍的精神，經(jīng)過不斷的實驗和計算，終于在1909年取得了鼓舞人心的成果，這就是在600c的高溫、200個大氣壓和鑲為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為8%的合成氨。8%的轉(zhuǎn)化率當然會影響生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，怎么辦？哈伯認為若能使反應氣體在高壓下循環(huán)加工，并從這個循環(huán)中不斷地把反應生成

的氨分離出來，這個工藝過程是可行的。于是他成功地設計了原料氣的循環(huán)工藝。1910年，德年，又建立了規(guī)模生產(chǎn)的合成氨工廠。從此以后,合成氨工業(yè)便迅速發(fā)展起來。國建立了世界上第一座合成氨試驗工廠;1913國建立了世界上第一座合成氨試驗工廠;1913（學生思考）從這段史料中我們得到什么啟發(fā)？（學生分組討論）激烈，達到高潮。（學生歸納）（1）由合成氨發(fā)展的艱辛歷程說明科學發(fā)展的過程漫長而曲折；（2）科學的發(fā)展既要有理論指導，還要有大量的實驗；（3）要有正確的科學方法指導科學研究；（4）科學需要創(chuàng)新；（5）化學是一門創(chuàng)造性的科學；（6）不能迷信權(quán)威，敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)；（7）科學探究需要知難而進、持之以恒、不達目的誓不罷休的科學精神； （8）實驗室研

究到工業(yè)生產(chǎn)往往需要許多論證和分析。（9）科學技術(shù)的進步與社會發(fā)展有密切的關系，以及作為科學家應具有什么樣的社會責任感?！驹O計意圖】讓同學們了解科學發(fā)展的歷程，對他們進行深刻的思想政治教育和科學方法教育。通過了解合成氨的全過程，可以激發(fā)學生愛科學、探索科學的熱情。（幻燈片）2、波施對催化劑的改進根據(jù)哈伯的工藝流程，德國當時最大的化工企業(yè)一一巴登苯胺和純堿制造公司，組織了以化工專家波施為首的工程技術(shù)人員將哈伯的設計付諸實施。哈伯合成氨工藝中的催化劑鋨既貴重含量又少，阻礙了合成氨工業(yè)的快速發(fā)展。工程師們改進了哈伯所使用的催化劑，兩年間，他們進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的發(fā)適用的高壓設備也是工藝的關鍵，當時能受得住200個大氣壓的低碳鋼，卻害怕氫氣的脫碳腐配方，:后選定了含鉛鎂促進劑的鐵催化劑。開配方，:后選定了含鉛鎂促進劑的鐵催化劑。開蝕。波施經(jīng)過兩萬波施想了許多辦法，合成氨設備最后決定在低碳鋼的反應管子里加一層熟鐵的襯里，熟鐵雖沒有強度，卻不怕氫氣的腐蝕,這樣總算解決了難題。正是波施多次實驗的探討，發(fā)現(xiàn)了新的催化劑一鐵觸煤，從而推進了合成氨工業(yè)的大規(guī)模工業(yè)化，一直到今天。哈伯和波施在合成氨工業(yè)上的巨大貢獻使得他們分別獲得了1918年和1931年的諾貝爾獎。（反思歷史）3、哈伯和第一次世界大戰(zhàn)哈伯促使了合成氨的工業(yè)化，對農(nóng)業(yè)、軍工的發(fā)展產(chǎn)生了巨大作用，因而獲得了1918年的諾貝爾化學獎。然而第一次世界大戰(zhàn)中受強烈的愛國主義思潮的影響下的哈伯，錯誤的認為毒氣是一種結(jié)束戰(zhàn)爭縮短戰(zhàn)爭的好辦法，從而使他擔任戰(zhàn)爭中的施放毒氣戰(zhàn)的科學負責人。從而開始了毒氣在戰(zhàn)爭中的使用，德軍第一次實施毒氣戰(zhàn)就造成了約15000人中毒。同時哈伯的合成氨的工業(yè)化，使得可以大量合成硝酸，保證了德國軍事炸藥的儲備，使得德國敢貿(mào)然發(fā)動第一次世界大戰(zhàn)。哈伯在第一次世界大戰(zhàn)中的所作所為使得他獲得1918年諾貝爾獎受到了英、法等國科學家的抗議。一戰(zhàn)后他對于戰(zhàn)爭的反思使他一心投入到科學研究中，使得他得到了科學界的諒解。當時為了償還戰(zhàn)爭賠款，他曾經(jīng)努力從海水中提煉黃金，但以失敗而告終。具有強烈愛國心的哈伯最后卻因為猶太人的血統(tǒng)，受到了迫害，逃亡路程中去世。（吸取教訓）（1）對科學及科學發(fā)明有辨證的看法，科學的不合理使用會對人類造成巨大的危害，例如毒氣戰(zhàn)的使用;（2）科學家從事科學事業(yè)時應該具備基本的倫理道德;（3）維護世界和平，反對戰(zhàn)爭?！驹O計意圖】加深學生對科學是把雙刃劍的理解，對科學道德有更深的理解。環(huán)節(jié)五得出結(jié)論老師引導學生通過復習理論，回顧發(fā)展歷程,結(jié)合今天的實際，總結(jié)合成氨的適宜條件。合成氨的適宜條件：溫度：700K壓強：200atm--500atm催化劑：鐵觸媒濃度：將生成的氨及時從混合氣中分離出來,且向混合氣中不斷補充氮氣和氫氣?！驹O計意圖】在運用理論的過程中，可以進一步加深學生對所學理論的理解和提高知識的實際應用能力。環(huán)節(jié)六展望我國合成氨工業(yè)前景利用各種學習資源,分析中國合成氨工業(yè)現(xiàn)狀。主要介紹我國幾個方面的改進：原料及原料氣的凈化、催化劑的改進、環(huán)境保護上的改進。簡單介紹合成氨發(fā)展前景“生物模擬固氮”，例如我國福建廈門物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的模擬生物固氮研究進展，以及生物模擬固氮的研究的巨大應用前景。通過合成氨前景的展望，激發(fā)學生學習興趣，使學生體會化學學科中邏輯結(jié)構(gòu)嚴道深刻的科學美，并在其中滲透愛國主義教育。（引導學生歸納總結(jié)）1、合成氨工業(yè)生產(chǎn)中，采用哪些條件可以提高生產(chǎn)效益？2、在實際過程中，對某合成工業(yè)生產(chǎn)條件的選擇一般應從哪些角度去考慮？（化學反應速率、化學平衡、生產(chǎn)動力、材料、設備等。）環(huán)節(jié)七課堂練習例：在硫酸工業(yè)中，SO2與。2催化氧化為SO3（正反應放熱）試思考：（1）上述反應的特點？（2）工業(yè)生產(chǎn)過程中常采用過量的空氣，有何作用？（3）硫酸工業(yè)中，為何采用400—500度高溫呢？（4）合成氨采用加壓的方法，為何的氧化不采用高壓呢？（課下作業(yè)）總結(jié)現(xiàn)代合成氨的基本生產(chǎn)過程“造氣一凈化一合成”三工藝流程，以及生產(chǎn)過程中的相關措施如下：（1）原料氣的合成和凈化：從環(huán)境保護和經(jīng)濟成本上考慮。（2）氨的合成與分離，高溫、高壓、催化劑、氣體的循環(huán)使用，有利于氨的合成?！窘虒W后記】合成氨教學設計，從學生熟悉的用途入手，讓同學們體會到化學就在他們身邊，化學來源于生活，服務于生活。通過回顧化學反應速率和化學平衡，鞏固相關知識點。使學生從合成氨工業(yè)