教与育并行，发展化学学科核心素养

单莹莹

摘要：以“化學反应条件的优化一工业合成氨”为例，借助问题实施任务驱动，让学生在情境中学习，在学习中思考，建构化学工艺条件优化、选择的一般思维模式。结合化学史料，让学生感悟科学家勇于探索的精神，激发学生的学习兴趣。在新课程理念指导下，发展学生化学学科核心素养。

关键词：工业合成氨;条件选择：化学史;学科核心素养

文章编号：1008-0546（2022）09x-0055-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.09x.015

一、教学设计背景

学科的育人价值通过学科核心素养体现，学生通过学科学习逐步形成正确的价值观念、必备品格和关键能力。宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认识、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任是化学学科的核心素养。[1]《普通高中化学课程标准（2017年版）》在选修4《化学反应原理》模块要求学生“认识化学变化所遵循的基本原理，赞赏运用化学反应原理对人类社会文明和科学技术所起的重要作用。[2]“‘化学反应条件的优化一工业合成氨”是对化学反应方向、限度和速率的综合应用，是应用化学反应原理进行人工固氮的成功典范。该内容的学习让学生体验合成新物质的过程，在教学中突出育人价值，促进学生核心素养的发展。

“化学反应条件的优化一工业合成氨”安排在高中化学鲁科版《化学反应原理》第二章第四节，教材从反应限度、速率角度结合设备及实际情况分析出合成氨的最优条件。[3]这虽然能体现化学反应原理中理论对生产实践的指导作用，但学生感受不到合成氨从发现到工业化过程中科学家们百折不挠、勇于探索的精神。合成氨的研究先后持续了一个世纪，由宏观到微观，从实验室到工业化，科学家攻坚克难、高度创新，在这个发展历程中蕴含了丰富的教育价值。[4]本节课将知识发展和情感联系建立起来，分两条主线进行教学，一方面探究合成氨的最佳条件，另一方面让学生通过史学材料，感悟科学精神，落实并发展化学学科核心素养，从学生的终生发展来看，设计这节课是有意义的。

二、主要教学环节

1.精心安排驱动问题，助推学生深层思维

[新课引入] 19世纪初，人们认识到氮肥可促进农作物的生长，1913年世界氮肥的总产量为91.6万吨，其中43.6万吨来自智利的硝酸钠矿，天然硝石产量有限且价格昂贵，不能满足农业需求。空气中氮气占空气体积的78%，固氮成为科学家研究的热点。如何向空气要氮肥？怎样把氮气转化成氮的化合物？

[学生]空气中氮气的元素化合价为零，向空气要氮肥，要么把氮元素氧化，要么把氮元素还原，能想到氮气与氢气反应和氮气与氧气反应。

[老师]结合老师给出的表1、表2的相关数据，同学们从平衡常数和能否自发两个角度进行分析，选择哪个反应固氮更合适？

[学生]从化学平衡的视角分析，合成氨可行;通过计算△H- TAS<0，合成一氧化氮需要很高的温度，298K时合成氨反应可以自发进行。所以可用氮气和氢气反应生成氨气来实现向空气要氮肥。

[老师]1909年，德国化学家哈伯就是用这种方法合成氨的，哈伯在500 - 600℃、17.5 - 20.0 MPa下，用锇做催化剂直接将氮气与氢气合成氨，但仅仅得到了6%的氨。假如你是那个时期的科学家，请结合表2、图1和图2的相关数据，用平衡移动的知识分析如何提高混合物中氨的含量？

【学生】总结见表3

[教师]由化学平衡移动知识可知，在高压和低温条件下合成氨有较高的转化率，但高压对设备要求苛刻，低温降低反应速率，反应速率很低时生产也就失去了意义。因此，寻找最佳生产条件，除了考虑与化学平衡相关的因素，还要研究如何提高反应速率，请结合资料I、Ⅱ和表4研究提高反应速率的措施有哪些？

资料I.研究表明，在一定条件下，氨的合成反应速率与反应物浓度的关系：v=kc（N2）cL5（H2）c-1（NH3）。

Ⅱ，氮气和氢气反应在催化剂表面进行，这个过程要经历反应物扩散到催化剂表面、吸附在催化剂表面、发生表面反应、产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反应区等五个步骤，其中氮的吸附分解所需活化能最高，是控制总反应的关键步骤，应适当提高氮气的比例，因此氮气和氢气的物质的量比例不按1：3，而是n（N2）：n（H2）=1：2.8。将氨从反应后的混合气体中分离出来，才能空出更多的活性中心供合成氨使用，因此降低反应后混合气体中氨的比例可提高反应速率。

[学生]根据所给信息，小组研讨交流，表5展示的是学生研讨的结果。

[老师]根据合成氨的反应特点，请同学们将提高反应平衡转化率和提高反应速率的措施列在一个表格中。

[学生]总结（见表6）。

[老师]从表6可以看出，在合成氨生产中，高转化率和高反应速率采取的措施有时是矛盾的，从转化率角度来说低温转化率高，但低温反应速率低;氮气、氢气的物质的量之比为1：3时转化率最高，但从速率和催化剂角度分析，氮气和氢气物质的量之比为1：2.8时更合适。因此，实际生产中，既不能只追求高的反应速率，也不能只追求高的转化率，应综合考虑，在较高的反应速率下获得适当的转化率，现阶段合成氨的适宜条件见表7。

[老师]温度高，反应速率快，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制在催化剂活性最大的反应温度700 K左右。从表8可以看出，即使在温度和压强最佳条件下，平衡混合物中氨的含量仍不高，怎么办？

[学生]循环利用原料，可提高工业合成氨平衡转化率。

[老师]通过合成氨工艺的学习，请同学们总结出化工生产适宜条件选择的一般原则？

表9是老师引导、学生思考得出的原则。

2.多方式呈现化学史料，培养学生学科素养

视频播放“合成氨工业起源、工业合成氨、合成氨生产工艺”，学生不但了解合成氨的理论知识，对工艺设备、流程等有了感性的认识，同时对合成氨在工业化过程中作出贡献的多位科学家也有了感性认识。在合成氨的发展过程中，有三位化学家获得过诺贝尔奖，[5]在这个过程中他们都突破了什么难题？做出了怎样的贡献？现如今合成氨又有了怎样的发展？

（1）合成氨条件的优化与选择

第一个从空气中制造出氨的科学家是德国化学家哈伯，在1904-1905年间，哈伯用陶瓷管做试验，用铁做催化剂，在常压、高温（1020℃）达平衡时，气体混合物中含0.012%（容积）的氨。为了寻找较低温度下的催化剂，哈伯团队进行了两万多次试验，最终选择在较低溫度具有良好活性的金属锇做催化剂。即使选择了450℃、200x105 Pa和饿做催化剂，氨的平衡含量仍很低，如何提高氨含量成为合成氨的难题，1908年，哈伯首次提出对氨合成气进行再循环的主张，他坚信，若氮气、氢气在高压下循环使用，并从循环系统中不断分离出氨气，定能提高氨的平衡含量，1910年5月，哈伯终于在实验室取得了可喜的成果。哈伯完成了合成氨的基础开发工作，摸索出合成氨的条件，因此获得了1918年诺贝尔化学奖。

（2）催化剂选择与高压问题的解决

自然界中锇储量少，价格昂贵，且锇易转变成挥发性的氧化物。博施及其团队认为寻找更安全、廉价的催化剂是合成氨的关键，他们先后进行了6 500次实验，试验了2 500种配方，确定工业合成氨的催化剂为铁触媒。从反应速率和平衡角度来看高压对合成氨有利，但高压对设备材质要求高，耐高温、高压反应装置是博施团队要解决的第二个问题。博施及其团队经过多次试验，把含碳量极低的熟铁内衬加到高强度碳素钢圆筒内，在外层碳钢上穿细孔，氢气从细孔逸出，解决了高温高压下碳钢和氢气直接接触反应生成CH4的情况。廉价催化剂和耐高温、高压设备问题由博施及其团队解决，由此开启了工业合成氨时代，博施获得了1931年诺贝尔化学奖。

（3）合成氨微观机理的探究

科学家提出过很多有关合成氨的机理，只有德国化学家埃特尔能用实验证明他的理论是正确的。埃特尔创造了超净、高纯的真空环境，检测到了合成氨反应过程中的各种中间体。埃特尔教授认为催化剂表面吸附氮、氢分子，氮原子逐步加氢，最终生成氨分子，并给出每步反应的活化能。氮的吸附和解离是合成氨的控制步骤，最后确定氮气和氢气投料的物质的量之比为1：2.8，埃特尔揭开了合成氨的“天机”，他于2007年登上了诺贝尔化学奖领奖台。

（4）合成氨现阶段的突破

2016年，中国科学院大连化学物理研究所提出以碱（土）金属亚氨基化合物为氮载体的低温化学链合成氨技术，实现了在100℃和常压条件下合成氨。这是合成氨近年来研究中的重大突破，为节能催化剂的研究提供了新思路。

[老师]经过艰难的问题解决过程，哈伯、博施实现了氨的工业化生产，实现了“向空气要氮肥”的愿望，艾特尔和后来的科学家进一步研究了合成氨的机理。试想，如果没有科学家的辛苦付出，氮肥不能满足农业的需求，粮食将不能满足日益增长的人口需求，我们在感叹之余，要感谢科学家强烈的责任感和社会担当。合成氨反应中，寻找高效常温催化剂将成为今后科学家们重点突破的难题之一，在这个领域还可能会颁发第四次甚至第五次诺贝尔奖，期待领奖台上有同学们的身影。

三、课后反思

1.以老师为主导、以学生为主体

本课主要以问题驱动为引领，学生通过思考回答问题，总结得出工业合成氨的最佳条件，这样设计既体现了教师的教学理念和主导作用，又给学生充足的思考和交流空间。有了化学反应方向、限度、速率的知识积累，工业合成氨的教学中，学生有观点、有论据、有追问、有生成，实现了深度学习。

2.化学教学与人生教育相伴相随

教学随处蕴藏着育人。这节课的教育价值何在呢？多年以后，学生可能忘了工业合成氨的条件，但会记得那些为人类进步做出巨大贡献的科学家，记得科学研究的不易和艰辛，记得不放弃就会有回报的做事态度。

参考文献

[1] 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] 王伟，王后雄.学科核心素养视域下的化学学科本质理解：意义与视角[J].化学教学，2019（11）：3-7.

[3]王磊，陈光巨，普通高中教科书（化学选择性必修1.化学反应原理）[M].济南：山东科学技术出版社，2020.

[4] 洪清娟.基于化学学科本质理解的视角融通教与育——以“合成氨生产的工艺条件选择”为例[J].化学教与学，2021（2）：43-46.

[5] 白建娥，李明娟.以三次诺贝尔奖为主线的“工业合成氨”教学[J].中学化学教学参考，2015（9）：22-25.