《侯氏制堿法探究》教案

侯氏制堿法探究與學(xué)習(xí)

教學(xué)目標(biāo)：理解“侯氏制堿法”的原理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)流程的改進(jìn)，體會(huì)復(fù)雜化學(xué)體系的系統(tǒng)分析方法。學(xué)情分析：“侯氏制堿法”是侯德榜先生于1942年研究成功的制堿工藝，為世界制堿工業(yè)的發(fā)展起到了積極的影響，這其中蘊(yùn)涵了自然科學(xué)的發(fā)現(xiàn)和研究方法，體現(xiàn)了化學(xué)研究的縝密之美，是人類智慧和科學(xué)精神的集中載體，對(duì)學(xué)生人文道德的提高與智力的發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用。本節(jié)課創(chuàng)設(shè)以化學(xué)史為背景的教學(xué)情境，一方面讓學(xué)生追蹤當(dāng)年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的思路，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和流程的改進(jìn)，體會(huì)科學(xué)研究的過(guò)程，了解復(fù)雜化學(xué)體系的系統(tǒng)分析方法，給學(xué)生今后創(chuàng)造性解決問(wèn)題提供有用的思維模型。另一方面由于化學(xué)史以不可代替的獨(dú)特方式積累人類在了解世界、創(chuàng)造世界過(guò)程中所表現(xiàn)出的人類精神和科學(xué)態(tài)度。因此通過(guò)教學(xué)情景的創(chuàng)設(shè)，讓學(xué)生感悟這筆巨大的精神財(cái)富，必定為他們樹(shù)立不斷實(shí)踐創(chuàng)新的標(biāo)范和動(dòng)力。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：（1）“侯氏制堿法”原理的理解。（2）模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和流程的改進(jìn)。教學(xué)方法：合作探究的教學(xué)模式教學(xué)流程：情景引入：天然堿和學(xué)生討論：尋找獲情景二：呈現(xiàn)純堿的用途和獲取途徑。取純堿的途徑?！昂钍现茐A法”反應(yīng)方程式。情景深化（學(xué)生討論）：情景升華：介紹侯德榜本人“侯氏制堿法”的反應(yīng)原理分析。及侯氏制堿法的流程圖。教學(xué)過(guò)程：(引言)碳酸鈉用途非常廣泛，是一種重要的化工原料，雖然人們?cè)群髲柠}堿地和鹽湖中獲得碳酸鈉，但仍不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要?！昂钍现茐A法”是侯德榜先生于1942年研究成功的制堿工藝，為世界制堿工業(yè)的發(fā)展起到了積極的影響，這其中蘊(yùn)涵了自然科學(xué)的發(fā)現(xiàn)和研究方法，體現(xiàn)了化學(xué)研究的縝密之美，是人類智慧和科學(xué)精神的集中載體，對(duì)我們?nèi)宋牡赖碌奶岣吲c智力的發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用。（問(wèn)）如果你是制堿公司的總監(jiān)，你如何設(shè)計(jì)制備純堿呢？首先第一個(gè)我們面臨的問(wèn)題是選擇制堿的主要原料。（現(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)4人一小組進(jìn)行選擇和討論）（5分鐘后）請(qǐng)若干小組代表將討論結(jié)果如下：第一小組：NaOH、CaCO3、HCl、第二小組：NaCl、CaCO3、HCl、第三小組：NaHCO3加熱分解（問(wèn)）選擇原料我們首先應(yīng)該從哪個(gè)方面來(lái)考慮？（生答）經(jīng)濟(jì)角度（師）很好，那我們一起來(lái)看一看，第一組同學(xué)選擇了NaOH、第二組同學(xué)選擇了NaHCO3，而這兩種的本身價(jià)值要比Na2CO3還高，所以選擇這兩種原料的話工廠可能早就被PK掉了。（思考）所以比較理想的是選用海洋之水——食鹽水（問(wèn)）CO2是必須要用的原料，請(qǐng)思考CO2在NaCl溶液中的溶解度，并且是否會(huì)反應(yīng)？（小組討論形式）（生）CO2在水溶液里的溶解度很小，（1：2體積），存在的Na2CO3太少了。（師）分析的很好，現(xiàn)在就產(chǎn)生了疑問(wèn)，是啊，純堿到底是怎么制備的，請(qǐng)?jiān)偎伎迹琋aCl溶液該如何改進(jìn)可溶解大量的CO2，是將溶液堿性化還酸性化？（生）堿性化（師）可向溶液通入一種價(jià)格便宜，并且在水中溶解度極大的堿性氣體。（生思考后）氨氣。（師）很好?，F(xiàn)在考慮在食鹽水溶液中是先通CO2還是NH3？（生）NH3。（師問(wèn)）為什么先通NH3后通CO2？（生答）NH3溶解度大，CO2溶解度小，生成氨水呈堿性能促進(jìn)溶解CO2（師）很好，現(xiàn)在重新調(diào)整思路，分析和討論畫(huà)出制堿的流程圖。（10分鐘后）第一組：NaCl溶液（通入NH3）NH3·H2O（通入CO2）大量的（NH4）2CO3和NH4HCO3NaHCO3和Na2CO3（加熱）Na2CO3第二組：NaCl溶液（通入NH3）NH3·H2O（通入CO2）大量的（NH4）2CO3Na2CO3（師）這兩組同學(xué)都分析的很好，第一組同學(xué)分析的更全面些。通入CO2量的多少影響著是生成（NH4）2CO3和NH4HCO3，選擇上我們只能向溶液中通入大量，使得全部生成（NH4）2CO3，但是（NH4）2CO3怎么會(huì)和NaCl反應(yīng)生成Na2CO3呢？（這不符合復(fù)分解反應(yīng)的任何一個(gè)條件）（給學(xué)生思考1分鐘）現(xiàn)在我們一起來(lái)看下“侯氏制堿法”的步驟：（投影展示）NaCl配制成飽和溶液將NaCl飽和溶液中通入NH3得到NH3·H2O溶液向這個(gè)溶液中通入過(guò)量的CO2，產(chǎn)生很多細(xì)小的白色晶體沉淀，沉淀過(guò)濾，加熱煅燒，得到純堿。將生成純堿后的濾液，經(jīng)過(guò)結(jié)晶，可以成為化肥。（問(wèn)）現(xiàn)在大家思考這些步驟里包括哪些化學(xué)反應(yīng)？（生思考，后老師補(bǔ)充）方程式如下：反應(yīng)一：NH3·H2O+CO2===NH4HCO3（CO2過(guò)量時(shí)產(chǎn)生的是一個(gè)酸式鹽）反應(yīng)二：NH4HCO3+NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl（NaHCO3溶解度很小，在飽和溶液里水很少，所以沉淀下來(lái)）（NH4Cl即母液可以用作化肥）反應(yīng)三：2NaHCO3===Na2CO3+H2O+CO2↑（產(chǎn)生的CO2可以循環(huán)使用）（師）這就是綠色化工，所有原料用進(jìn)來(lái)，生成的產(chǎn)物都可以用出去，才符合現(xiàn)在的這個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)。（投影并視頻展示）（提問(wèn)）能否使用稀的食鹽水溶液？（答）用稀溶液NaHCO3不能沉淀下來(lái)，就不符合復(fù)分解反應(yīng)條件。2、為什么要CO2過(guò)量，不過(guò)量可不可以？（答）生成（NH4）2CO3就不能和NaCl反應(yīng)，不符合復(fù)分解反應(yīng)條件。3、為什么NaCl和NH4HCO3反應(yīng)生成NaHCO3和NH4Cl？（答）原因是：NaCl和NH4HCO3溶于水可電離出Na+、Cl—、NH4+、HCO3—，這四種離子可構(gòu)成4種物質(zhì)。NaCl、NH4HCO3、NaHCO3、NH4Cl，而其中NaHCO3的溶解度最小，從而它們混合時(shí)最先析出NaHCO3晶體，即氯化鈉溶液和NH4HCO3溶液中的Na+和HCO3—的濃度超過(guò)了NaHCO3飽和溶液中Na+和HCO3—的濃度，就會(huì)析出NaHCO3晶體，只要能提供足夠的Na+和HCO3—使之始終保持在飽和NaHCO3溶液中Na+和HCO3—濃度之上，NaHCO3晶體就會(huì)持續(xù)析出，即反應(yīng)生成了NaHCO3晶體。我們?cè)谌芙舛缺碇胁榈迷诔叵拢铝形镔|(zhì)的溶解度：物質(zhì)NaClNH4HCO3NaHCO3NH4Cl溶解度36.3g27.0g11.1g41.1g4、這個(gè)反應(yīng)的發(fā)生，為什么要在夾層容器中，并且容器需加冰來(lái)進(jìn)行？（答）氣體的溶解度隨溫度的降低而升高，更易使氣體溶于水，而使更多的固體析出。5、請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓反應(yīng)能發(fā)生，并且析出的固體產(chǎn)物是NaHCO3。（小組之間可以進(jìn)行討論）學(xué)生討論后回答：設(shè)計(jì)圖如下，檢查最后產(chǎn)物可以用焰色反應(yīng)，火焰呈黃色，一定是鈉鹽。（給學(xué)生5分鐘整理“侯氏制堿法”原理）（師）我們可以理解到進(jìn)行化工生產(chǎn)是多么的復(fù)雜和艱辛，今天我們只是簡(jiǎn)單的講述，但化學(xué)史上一位偉人—侯德榜先生卻已通過(guò)幾千次不斷實(shí)驗(yàn)，將NaCl溶液利用率提高到98%，大大改善索爾維制堿法的弊端。（投影）當(dāng)年，1775年法國(guó)科學(xué)院用10萬(wàn)法郎的懸賞征求可工業(yè)化的制堿方法。1788年，勒布蘭提出了以氯化鈉為原料的制堿法，經(jīng)過(guò)4年的努力，得到了一套完整的生產(chǎn)流程。勒布蘭制堿流程雖然在推廣應(yīng)用中不斷地被完善，但是因?yàn)檫@方法主要是利用固相反應(yīng)，又是高溫操作，存在許多缺陷，生產(chǎn)不能連續(xù)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，煤耗量大，產(chǎn)品質(zhì)量不高。面對(duì)這些問(wèn)題，許多人有意改革它。到了1862年，比利時(shí)化學(xué)家索爾維實(shí)現(xiàn)了氨堿法的工業(yè)化。由于這種新方法能連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)量大，質(zhì)量高，省勞動(dòng)力。廢物容易處理，成本低廉，它很快取代了勒布蘭法。

掌握索爾維制堿法的資本家為了獨(dú)享此項(xiàng)技術(shù)成果，他們采取了嚴(yán)密的保密措施，使外人對(duì)此新技術(shù)一無(wú)所知。一些技術(shù)專家想探索此項(xiàng)技術(shù)秘密，大都以失敗告終。不料這一秘密競(jìng)被一個(gè)中國(guó)人----侯德榜運(yùn)用智慧摸索出來(lái)了。（師）知識(shí)只是一般的理論知識(shí)，知識(shí)的內(nèi)涵和實(shí)質(zhì)需要我們親自去實(shí)踐去體會(huì)去思索，這樣我們對(duì)課本的知識(shí)才會(huì)有更深的理解，當(dāng)你親自動(dòng)手干，并且當(dāng)你終于明白知識(shí)的本質(zhì)的時(shí)候，你可以自豪地說(shuō)：科學(xué)并不神秘，真理實(shí)際就掌握在我們手中?。ò鍟?shū)設(shè)計(jì)）侯氏制堿法原理：NH3·H2O+CO2===