工业生产情境在元素化合物教学中的应用

唐李铭 沙莎

摘要：在化学教学中注重情境的应用，改变以化学知识为主线的传统课堂教学模式，形成以情境引入、引导探究、生成学科知识、解决实际问题的互动生成教学模式。将工业生产情境，尤其是将化学史实应用于教学，可以使教学不再局限于现有知识和已有结论，不仅可以体现化学知识的价值、挖掘知识的内涵，还可以追溯到知识的演变过程，可以让学生体会到人们对事物认识的螺旋式上升，培养学生的创新意识和科学精神。

关键词：化学教学;镁的提取与应用;教学设计

文章编号：1008-0546（2021）05-0061-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.016

元素化合物知识是高中化学知识的重要组成部分，在知识分类上属于陈述性知识，具有庞杂琐碎的特点，学生记忆难度大，容易发生混淆。对此，以发展学生化学核心素养为理念的《普通高中化学课程标准（2017年版）》建议“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解元素化合物主要性质”⑴。工业生产是化学学科对社会发展贡献的重要体现，也是学科知识在真实世界中的实践运用，在工业生产的过程中，涉及物质的转化和分离提纯的思路等，有利于促进学生理解和进行知识的结构化，可以作为课堂教学的情境来源。

以下从素材分析、目标确立、活动设计等角度，以“镁的提取与应用”为例，介绍如何将工业生产情境应用于元素化合物的教学。

一、“镁的冶炼”教学素材分析

对工业生产过程的认识可以从历史发展角度、物质变化角度以及反应原理角度展开，其中前两项是进行元素化合物教学时涉及的主要方面。历史发展角度关注同一生产过程中原理、技术的优化过程;物质的转化则是工业生产的核心，在设计转化路线时除了考虑理论可行性外，还需要注意原料成本、所需反应条件等⑵。因此，以镁的冶炼历史作为教学的主线，关注不同时期冶炼方式所涉及的主要化学反应，了解采用这些反应其背后的推动要素，如生产成本、技术手段等，对每一种冶炼方式则可以涉及的化学反应为中心，从原料的选择、化学反应的微观探析、反应原理的应用、物质的分离提纯等角度展开教学。

第一个确认镁元素存在的是英国科学家约瑟夫·布莱克，他在1755年发现菱镁矿（主要成分MgCO3）加热分解得到的苦土中含Mg0o 1792年安东·鲁普雷特首次制取出单质镁，他加热苦土和木炭的混合物获得少量不纯的镁单质。1831年法国科学家布鲁图斯·巴斯用氯化镁与钾反应，终于制得大量的高纯度镁，由此，科学界开启了镁特性的研究之旅。1808年，英国化学家戴维采用电解MgO （熔点2800℃）的方法分离出单质镁。现代电解法炼镁的原理则是在高温下电解熔融的无水氯化镁（熔点712℃）生产金属镁和氯气，这种方法对氯化镁产品质量要求高，生产这种氯化镁需要大量高浓度的海水，在国外应用广泛，而我国镁矿资源丰富，现代工业多采用皮江法炼镁：在真空还原罐内用硅作还原剂在1200%：条件下将氧化镁还原成金属镁。金属镁的冶炼发展进程如表1所示。

在教学时，对每一生产方法，以其对应的化学反应为中心，可以从原料的选择与处理、反应的微观原理、生成物的分离提纯等角度展开分析，通过这一套提取流程，在真实的情境中将知识结构化地组织起来。从原料处理的角度看，海水提取氯化镁的流程和实验室中分离除杂的思路一致;反应的微观原理则涉及氧化还原理论和碱土金属的特殊性质等内容;皮江法制取镁则是在真空条件下使镁蒸汽冷凝，这是因为镁可以和空气中的氮气反应。

二、“镁的提取与应用”教学目标设计

《普通高中化学课程标准（2017年版）》规定了每个课程模块的学业要求，其中与镁有关的包括：能从物质的类别、元素化合价的角度，依据氧化还原反应的原理、预测物质的化学性质和变化，设计实验进行初步验证，并能分析、解释有关实验现象。能利用典型代表物的性质和反应，设计常见物质的制备、分离、提纯、检验等简单任务的方案。能根据物质的性质说明妥善保存和合理使用化学品的常见办法⑶。

“镁的提取与应用”是苏教版《化学1》专题3“从海水中获得的化学物质”第三单元教学内容的一部分， 学习本节课之前，学生已经了解了常见氧化还原反应、海水提氯等基本思路，具备了一定的原子结构基础知识以及根据原子结构对物质化学性质进行推理的能力⑷。

因此，根据课标要求和学生认知情况，从核心素养和关键能力出发，将本节课的学习目标设置为：（1）通过金属镁发现的化学史，形成结构决定性质的观念，建立物质制备的常见模型。（2）通过对金属镁的性质及冶炼方法的分析，学习基于证据推理的思维方法。（3）通過对镁的冶炼的研究，形成化学反应是有条件的、实验是研究物质的重要方法等观念。

三、“镁的提取与应用”活动设计

根据教学目标，在引导学生对每一生产方式涉及的化学反应进行认识时，可以设计理论推理和实验探究等活动。对于原料的选择可以从经济成本、技术难度等角度进行理论论证，如钾作为生产原料成本太高、MgO的熔点高导致耗能大等，对于原料的处理则可以根据物质的化学性质，先从理论上进行相应的程序设计，然后再以实验的方式对关键步骤的可行性进行验证⑸。在探究反应的微观原理时可以实验探究的方式进行，即根据原始资料对反应情况进行假设，再通过观察和实验获得新的数据（证据），基于证据进行推理，对假设进行修正（证实或证伪），最终得到正确结论。生成物的分离提纯过程与原料的处理有一定相似性，因此活动设计可以参照对生产原料的处理，先从理论上进行分离提纯的程序设计，然后再以实验的方式对关键步骤的可行性进行验证，对于有一定难度的处理方式，可以只要求学生从化学性质的角度对此进行解释。教学活动的设计架构如图1所示。

四、“镁的提取与应用”教学过程设计

从教学目标和活动设计的思路出发，将本节课的学习过程设计成三个环节：通过化学史探究金属镁的冶炼、探索从海水中提取金属镁的流程、认识金属镁的其他冶炼方法，每个环节中设计相应的教学活动。

1.通过化学史探究金属镁的冶炼

（1）镁的发现

【资料介绍】

第一个确认镁元素存在的是英国科学家约瑟夫·布莱克，他在1755年发现菱镁矿（主要成分MgCO3）加热分解得到的苦土中含Mg0o 1792年安东·鲁普雷特首次制取出单质镁，他加热苦土和木炭的混合物获得少量不纯的镁单质。1831年法国科学家布鲁图斯·巴斯用氯化镁与钾反应，终于制得大量的高纯度镁。由此，科学界开启了镁特性的研究之旅。

【理论推理】

从化合价变化角度分析由镁的化合物得到镁单质属于什么反应？镁是自然界中分布最广的十种元素之一，请从镁的原子结构角度分析镁单质迟迟未被科学家发现的原因。

（2）还原法之苦土炼镁（探究微观反应原理）

【理论猜想】

写出加热苦土和木炭的混合物获得镁的可能的化学方程式。指出反应中氧化剂是什么？还原剂是什么？

【实验探究】

将点燃的镁条伸入二氧化碳气体中，观察实验现象，写出该反应的化学方程式。思考你写出的（1）中反应的方程式是否正确？

（3）还原法之钾的置换（探究微观反应原理、考虑原料的选择）

【理论猜想】钾是一种比钠更活泼的金属，用MgCl2与K制取Mg的反应可能是水溶液中进行的离子反应吗？请说明判断依据。

【实验探究】将打磨过的镁条放入热水中，向其中滴加几滴酚猷试液，观察现象。并写出反应的化学方程式。

【理论推理】1831年布鲁图斯·巴斯用氯化镁与钾制得镁可能是在什么条件下？根据表2中近期几种金属的市场价格，判断工业上用该方法制取金属镁是否可行？

2.探索从海水提取金属镁的流程

【资料介绍】

资料一：1808年，英国化学家戴维采用电解MgO （熔点2800°C）的方法分离出元素镁。现代电解法炼镁的原理是在高温下电解熔融的无水氯化镁（熔点712Y）生产金属镁和氯气。

资料二：每千克海水约含NaCl 27.2g、MgCL25.11g、CaCL2l.llg、KCl 0.72go

资料三：25℃时部分镁的化合物溶解度（g/lOOg水），见表3。

【理论推理】（原料选择）

写出电解熔融的无水氯化镁制取金属镁的化学方程式。现代电解法冶炼镁为什么使用氯化镁作原料而不是氧化镁？为什么电解熔融的无水氯化镁而不是氯化镁溶液？

【理论猜想】（探究微观反应原理）

如何将海水中的Mg元素分离出来，得到较纯净的MgCL溶液？写出过程中发生反应的离子方程式。

【实验探究】（原料选择）

分别向装有0.05mol/L及2.3mol/L MgCL溶液的试管中滴加澄清石灰水，观察实验现象。思考工业生产中常用海水晒盐所得卤水作原料的原因是什么？

【理论推理】（原料处理）

由氯化镁溶液获得氯化镁固体一般通过以下流程：

由氯化镁溶液结晶获取MgCl2-6H2O晶體的步骤 I具体操作是什么？

3.认识金属镁的其它冶炼方法

【资料介绍】

皮江法炼镁也是现代工业常用方法，它是在真空还原罐内用硅作还原剂在1200°C条件下将氧化镁还原成金属镁。相关物质的熔沸点如表4：

【理论猜想】（探究微观反应原理）写出皮江法炼镁反应的化学方程式。

【理论猜想】（生成物分离提纯的程序设计）

生成的镁如何与其它物质分离？

【理论猜想】（生成物分离提纯的原理分析）

皮江法炼镁为什么要在真空条件下进行？镁蒸气能否在氮气中进行冷凝结晶？

【实验探究】（生成物的分离提纯原理探究）

将镁条在空气中燃烧后的产物放在表面皿上并滴加几滴水，将温润的pH试纸黏在另一个表面皿上并将这个表面皿倒扣在盛有产物的表面皿上，将两个表面皿放在装有沸水的小烧杯上加热一段时间后，用标准比色卡与pH试纸进行比对。结论有碱性气体（NH3）生成，证实镁在空气中燃烧有氮化物生成。

【理论推理】（化学品事故的安全处理）

如果金属镁着火了，处理时应该注意什么问题？五、结语

工业生产素材承载着化学学科的知识内容、思想方法，其工艺流程和历史发展脉络更是饱含着人类的科学智慧，体现科学家坚持不懈的探究精神。将它作为教学情境不仅有利于学生对元素化合物知识和方法的结构化掌握，而且可以深刻地体会到学科知识与生产实践之间的紧密联系，理解学科知识是如何在真实的世界中发挥作用的，进而树立运用学科知识解决真实问题的信心，培养精益求精的科学精神。

参考文献

[1][3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018

[2]黄燕宁，吴伯鑫.工业生产类化学教学素材的教学价值开发——以硫酸工业为例[J].化学教育（中英文），2019，40（17）：58-64

[4]张礼聪.证据促认知·认知建模型——“镁的提取及应用”教学设计[J].化学教学，2018（6）：60-64

[5]张旭东，杨玉琴.浅析“证据推理”在元素化合物探究教学中的应用[J].化学教学，2019（4）：45-49