项目式学习的高中化学实验教学实践研究

摘" "要：在候氏制碱法这个真实情境中，利用问题驱动引导学生实践并探究，在解决问题的过程中培养学生核心素养，进行项目式学习体验，构建项目式学习模板。

关键词：项目式学习；候氏制碱法；实验教学

1" 候氏制碱法项目式学习背景

纯碱是重要的基础化工原料，其产量和消费量通常作为衡量一个国家工业发展水平的重要指标。纯碱在工业、食品方面都有广泛的应用，我国对纯碱的需求量大，因此，学习如何制备纯碱对高中学生而言是十分必需且重要的知识与技能。索尔维制碱法和候氏制碱法是历史上最突出的两大制碱法，而候氏制碱法是中华民族的骄傲，它承载着弘扬民族自信、进行爱国主义教育的育人价值。我校的高中学生选用的是苏教版的教材，候氏制碱法作为教学素材出现在必修第一册（2019年）P37“科学史话”中，学生没有进行全面系统的学习，对候氏制碱法一知半解，在高考一轮复习的前期，该项目式学习是对学生知识的补充与拓展，也是高中化学实验教学的重要载体。

2" 候氏制碱法项目式学习教学环节

2.1" 宣讲历史背景，引出项目主题

纯碱的产量对于一个国家的化工生产至关重要，但在第一次世界大战后，中国进口纯碱的道路被封锁。侯德榜先生带领团队对索尔维制碱法进行深入研究，不仅摸索出了索尔维制碱法的各项生产技术，生产出中国本土的“红三角”牌纯碱，还发明了候氏制碱法（联合制碱法），开创了世界制碱工业的新纪元。侯德榜先生于1953年7月获得中国工商行政管理局颁发的中国第一号发明证书，发明项目是候氏制碱法。假如现在你也是国家化工生产团队中的一员，要如何为国家制备出高品质的纯碱呢？让我们一起跟着侯德榜先生的足迹，探密候氏制碱法的发明历程。

2.2" 追溯研究历程，析解项目流程

要制备纯碱首先要解决原料问题，纯碱是由Na+和CO32-构成，Na+ 可由较廉价的NaCl提供，CO32- 可来自于碳酸盐、碳酸氢盐、CO2等。在这些原料中较经济的是石灰石，石灰石难溶于水，其中的CO32- 没办法直接与Na+ 结合，可先与酸反应制得CO2，再将CO2与碱反应制成CO32-加以利用。原料的大致方向有了，要怎样才能高效又经济地生产出合格的产品呢？侯德榜先生带领技术人员经过长时间的思索与研究，成百上千次的实验，终于成功将制碱工业与合成氨厂联合起来，主要原料NH3和CO2由合成氨工业提供、过程中生成的CO2可循环使用，制碱的生产成本降低；不生成无用的CaCl2而是生成可作氮肥的NH4Cl，食盐利用率提高了，可高达96%，完全克服了索尔维制碱法的缺点，得出了完善的可用于实际生产的工艺流程（如图1）。

2.3" 创设真实情境，复刻项目主反应

走一走侯德榜团队走过的路，也让学生亲身经历制碱的不易与艰辛，笔者带着学生一起在实验室复刻候氏制碱法的主反应NaCl + CO2 + H2O + NH3 NaHCO3↓+ NH4Cl。候氏制碱法的主要原料是NaCl、NH3和CO2，为了得到更多的产品，这三者的浓度都要尽量大，学生最初的想法（方案一）是：往饱和食盐水中同时通入NH3和CO2。在实验过程中发现，如果用NH4Cl和Ca（OH）2固体制备NH3，因为加入反应器中固体的量不能太多，制备出NH3的量十分有限，没办法较长时间持续通入NH3；后改用加热浓氨水制NH3，可通过分液漏斗往反应器中不断添加浓氨水，制备出NH3的量可以较多，但NH3和CO2两种气体的流速较难控制基本一样。有学生对氨气的使用提出了自己的看法：加热浓氨水产生NH3，再把NH3通入饱和食盐水，是否可以直接往浓氨水中加入食盐？于是就有了方案二：先配制浓氨水的饱和食盐溶液，再持续通入CO2气体。相比于方案一，操作更简便了，但还是没能成功制备出NaHCO3沉淀，是因为反应失败了？还是通入CO2气体的量还不够？因为该反应没有明显现象而无法准确判断，怎样才能让反应进程外显出来呢？大家讨论之后提出了方案三：在浓氨水的饱和食盐溶液中加入酚酞，再持续通入CO2气体。在通入CO2气体的过程中，溶液颜色由红色慢慢变浅至完全褪色，溶液颜色基本褪去时有少量固体物质生成，量很少。要怎样才能得到更多的NaHCO3沉淀？学生都知道，NaHCO3的溶解度随温度升高而增大，要从溶液中析出更多的固体，可适当降低温度。这样就有了方案四，也是最后得出的较为成功的实验方案：取10 mL浓氨水（购买的）于大试管中，加入食盐固体溶解至饱和，滴入酚酞以便观察反应的进程，并将反应装置置于冰水浴中，再连续不断地通入CO2气体。实验现象及结果见图2。

保持CO2气体流速适中，连续不断通入CO2气体3 h左右，溶液的红色逐渐变浅至完全褪去。溶液褪色时有些许浑浊，再连续不断通入CO2气体1.5 h左右，试管底部沉积出的固体逐渐增多，当固体的体积大约与饱和食盐浓氨水的体积相近时，固体的量不再增多，停止实验。

2.4" 深入探索学习，解读项目原理

为了让学生更深入学习候氏制碱法的原理，领会其中的精髓与奥秘所在，笔者提出了以下问题与学生一起解决。

2.4.1" 本实验中生成的沉淀都有哪些成分？如何检验？

学生先提出猜想（理论分析）：溶液中的成分有NaCl、NH3·H2O、H2O，随着CO2气体的通入NH3·H2O发生反应生成（NH4）2CO3、NH4HCO3，溶液中存在的主要离子有Cl-、Na+、NH4+、CO32-、HCO3-，得到的沉淀可能是NaCl、Na2CO3、NaHCO3、NH4Cl、（NH4）2CO3、NH4HCO3等。再设计方案分别检验Na+、NH4+、Cl-、CO32-、HCO3- 来判断沉淀的成分。最后通过实验发现，只有CO32-几乎没有，再结合这几种物质的溶解性表，判断沉淀的主要成分是NaHCO3，还有少量的NH4Cl。

2.4.2" 候氏制碱法是怎样将NaHCO3和NH4Cl这两种物质分开生产的？

学生认真对照候氏制碱法的流程与上述实验室的复刻实验，发现了其中的不同点：候氏制碱法是在常温下，饱和食盐水吸氨和碳酸化之后就将沉淀过滤出来，常温（20 ℃）下NaHCO3和NH4Cl的溶解度分别是9.6 g、37.2 g，差别较大，析出的沉淀基本上是NaHCO3。过滤出NaHCO3后，再将过滤液（母液I）吸氨、降温冷析，得到NH4Cl固体，不同于实验室将反应和降温一起进行。

还有，NaHCO3可溶于水，为什么能得到NaHCO3沉淀？候氏制碱法为什么不直接制得Na2CO3沉淀而是先制得NaHCO3？为什么要先制得饱和食盐浓氨盐水，再通入二氧化碳？在整个实验过程中，溶液中微粒的种类、数量如何变化？原因是什么？在本实验中，采用了哪些方法和措施来提高生成沉淀的量？实际工业生产流程中“吸氨”“冷析”“盐析”过程的具体目的是什么？母液I、母液II的主要成分是什么？与索尔维制碱法相比，候氏制碱法的创新之处有哪些？

学生要回答这些问题，就必需反反复复地把候氏制碱法生产工艺流程的每一个环节、每一个反应、每一种溶液都细细推敲、仔细琢磨。在解决问题的过程中，分析问题的能力、逻辑思维能力都得到提升，宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想等核心素养得以培养。

3" 项目式学习模板构建

项目式学习指的是在真实的情境中，利用驱动性问题引导学生实践并探究，在解决问题的过程中培养学生核心知识和学习素养[ 1 ]。围绕着候氏制碱这个真实情境进行项目式学习，学生知道了如何根据纯碱的成分选择原料，明确了选取原料的思考方向，工业选取原料还需关注经济成本、来源难易、利用率、运输等问题；原料选定之后就是进行实验方案的设计，每个人的想法不同，设计方案也可以多种多样。学生学习了如何从众多的想法中提炼出具体实验方案，如何进行方案可行性的验证，再设计分析、再实验验证，最后得出最优方案进行制备。经历整个项目式学习过程之后，学生明确了制备物质的项目流程，构建了项目式学习模板，大致知道了怎样做项目。

4" 结语

没有人能随随便便成功，成功的背后往往都有着无数的努力与坚持，更有着对自己正在进行的事情的热爱，热爱是动力源泉，只要热爱就可以全身心投入。在复刻候氏制碱法主反应的实验过程中，学生们经历了多次的失败，但都没有放弃，而是不断分析总结失败的原因，与教师一起探讨，再实验、再改进、再实验、再改进，最后得出了较优的实验方案，成功制备出NaHCO3，进而制备出纯碱。同学们的努力与坚持有很大一部分来源于对侯德榜先生尊敬与崇拜，更来源于身为一个中国人的民族自豪感，以及对祖国的热爱。学习是如此，化学实验、工业生产亦是如此。

参考文献：

［1］ 陈小琴. 指向深度学习的高中物理教学研究与实践：以“探究安培力的方向”为例[J].中学理科园地，2022（5）：19-21.