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浅谈化学工艺流程中学科思维素养的培养

发布时间:2019-02-15 15:15所属分类:理工论文浏览:1

摘要:引领学生从建立分类思想开始,通过定性分析,让学生体验反应原理在实际生产中的应用,并在解决化工实际生产问题中落实化学学科核心素养的培养,帮助学生形成化学学科思想。 关键词:工艺流程,分类思想,定性分析,反应原理,学科素养 高中化学工艺流程题

  摘要:引领学生从建立分类思想开始,通过定性分析,让学生体验反应原理在实际生产中的应用,并在解决化工实际生产问题中落实化学学科核心素养的培养,帮助学生形成化学学科思想。

  关键词:工艺流程,分类思想,定性分析,反应原理,学科素养

化学教育

  高中化学工艺流程题,以元素化合物知识为中心,覆盖主族和副族等代表性物质的性质,常以物质的制备、检验、分离、提纯等基本实验为依托,体现了化学原理在化工生产中的实际应用。

  在实际教学中,面对试题中众多陌生物质和极其繁琐的转化关系,学生往往只能针对其中学习接触过的物质进行简单的知识再现,但很难通过准确获取物质的核心性质(包含结构特征、性质特征、反应特征、现象特征和数据特等方面征)来进行学科思维的推理。在教学实践中,我从“建立分类思想,形成定性分析,确立反应原理”的角度尝试,通过引导学生就物质可能表现的性质和化学反应进行预判,帮助学生形成了“结构决定性质,性质决定应用”的学科观念,学生在宏观辨识与微观探析的能力上获得了较好的发展。

  一、“建立分类思想”是奠定化学思维素养的基础

  种类各异的物质和灵活多变的反应是工艺流程中的研究对象,这类试题清晰反映了化学生产中物质转化的变化规律,教学中运用分类思想使元素化合物的相关知识系统化,既符合学生认知发展水平,更有利于学生运用科学方法体验有化学学科特点的学习过程。

  化工生产的原料从组成看,包含金属氧化物、硫化物、各种盐以及金属单质等物质,在生产过程中一般添加的物质有酸、碱、盐和金属或非金属单质等,教学中教师如能有意识地将“交叉分类”和“树状分类”等思想渗透在课堂中,让学生学会对各种组成、结构、性质相似的物质进行分类对比,之后通过对每一种物质所具有的化学性质进行合理的推理、筛选和组合,自然能使学生更加明确工艺流程中的每一个步骤的目的。

  与此同时,教师还应引导学生使用化学式、化学反应方程式等规范的化学符号和用语正确地表示出中间步骤中的各种物质及其化学反应,帮助学生对流程中的关系形成连续完整的学科知识链接,进而对物质之间的转化关系形成一个相对完整的科学认识,并最终养成对物质进行分类的学科思维学习习惯。

  二、“形成定性分析”是训练化学思维素养的途径

  工艺流程中每一种物质的出现,都预示着性质的体现,学生在建立分类思想过程中,要优先考虑“还原性与氧化性”“酸性与碱性”“稳定性和不稳定性”“溶解性和挥发性”等物质所具有的通性,此外,对物质的特性也要格外关注。如流程中引入稀硫酸、稀盐酸和稀硝酸三种不同的酸,其目的分别是只引入酸性、同时引入酸性和还原性以及既引入酸性又引入氧化性;若引入氯水,则很可能意味着同时考虑氧化性、酸性,甚至还有漂白性;而以调节溶液pH为目的时,引入的物质则是酸性或者碱性,如氢氧化钠、氨水、碳酸钠、氧化铜等金属氧化物经常用于调节含有各种金属阳离子的酸性溶液,以便于将某些金属阳离子转化为沉淀而除去。

  学习中,学生要养成对所有物质进行认定性质的思维习惯,因此学生既需要对元素化合物知识的积累,更要建立从物质的组成、结构、种类、现象和化合价等多维度分析挖掘的途径,最终才能形成一种由元素到物质、由宏观到微观、由现象到本质、由表及里去预测出物质可能具有的性质和可能发生各种变化的思维推理能力。

  三、“确立反应原理”是形成化学思维素养的核心

  工艺流程中离不开单质及其化合物的转化,而四种基本反应类型是氧化还原反应最基本的表现形式,在确定物质所属类别的基础上,通过对物质性质的分析,明确流程中每一个步骤中发生的化学反应原理及对应的化学反应类型,是解决问题的关键。

  1.氧化还原反应原理

  合成氨、工业制盐酸、硫酸、硝酸、氯碱工业、金属冶炼等许多重要化工产品的合成,都离不开氧化还原反应,氧化还原反应原理广泛应用在工农业生产、科学技术和日常生活中的各个方面,因此认识氧化还原反应的实质与规律,不仅对人类的生产和生活都是有意义的,而且对于帮助学生形成化学学科特质的关键能力和必备品质,进而促成学生化学核心能力的发展意义非凡。

  常见还原剂含明显的低价元素,单质有金属单质和非金属单质碳和氢气,化合物有非金属氧化物CO、NO和SO2等,低价金属化合物FeO、Fe3O4、FeS、FeS2、FeI2、FeBr2、Cu2S,离子形式存在的有S2-、SO32-、I-、Fe2+、Br、Cl、OH-(溶液)、O2-(熔态)及含有特殊化合价的物质,如有机物(其中的碳元素)、金属氢化物(负一价氢)。

  常见氧化剂含明显的高价元素,单质有非金属单质F2、O2(O3)、Cl2、Br2、I2等;化合物有非金属氧化物CO2、NO2和SO3等,低价金属化合物Fe2O3、Fe3O4(Fe2O3·FeO)、PbO2、MnO2;离子形式存在的有(H+)MnO4-、(H+)NO3-、ClO和金属阳离子Mn+等,及含有特殊化合价的物质,如Na2O2、H2O2。

  此外,置换反应是最基本的一种氧化还原反应类型,表现为金属单质及非金属单质间的相互置换,形式上有:①金属→金属;②金属→非金属;③非金属→金属;④非金属→非金属。①②③中体现物质还原性的比较,即大部分金属和非金属中的C、H2的比较;④既有非金属单质氧化性的比较,也有非金属单质还原性的比较。

  流程中经常利用金属的还原性将一些金属从其阳离子的盐溶液中置换出来,以达到最终进行除杂的目的。在氧化还原反应不同阶段的教学中,教师要坚持帮助学生从物质种类的角度将常见还原剂和氧化剂进行归纳和整理,将有利于学生形成以氧化还原反应原理为核心的学科思想。

  2.复分解反应原理

  该反应虽然不是氧化还原反应,但是在流程中各物质的分离提纯中却能起到穿针引线的作用,尤其能以沉淀或气体(溶解性的体现)为特征,引发出酸、碱、盐之间的各种反应(酸性与碱性的体现),其中强酸制取弱酸(或者强碱制取弱碱)原理的应用最广泛。除氧化还原反应和复分解反应两种流程中考查最多的反应外,分解反应原理凸显了物质的不稳定性,既可以是氧化还原反应,也可为非氧化还原反应,但因为反应条件尤为明显(一般为加热或高温),所以学生容易辨识,推理过程相对简单。

  实例:1.精讲例题

  (2013·新课标卷Ⅱ·27):氧化锌为白色粉末,可用于湿疹、癣等皮肤病的治疗。纯化工业级氧化锌(含有Fe(Ⅱ),Mn(Ⅱ),Ni(Ⅱ)等杂质)的流程如下:工业ZnO稀H2SO4①适量高锰酸钾溶液②③④⑤Na2CO3浸出调pH约为5过滤滤饼煅烧过滤滤液过滤滤液ZnO提示:在本实验条件下,Ni(Ⅱ)不能被氧化:高锰酸钾的还原产物是MnO2。回答下列问题:

  (1)反应②中除掉的杂质离子是_______,发生反应的离子方程式为_____________________;加高锰酸钾溶液前,若pH较低,对除杂的影响是____________________________。

  (2)反应③的反应类型为______________,过滤得到的滤渣中,除了过量的锌外还有_____________。

  解析:从“建立分类思想,形成定性分析,确立反应原理”的角度出发,步骤①中氧化锌等物质为碱性氧化物,用硫酸溶解,利用了碱性和酸性,体现了复分解反应的原理;步骤②在pH=5的溶液中,氧化性的高锰酸钾与溶液中还原性的Fe2+、Mn2+发生了氧化还原反应原理,同时利用Fe(OH)3和MnO2难溶于水的性质将其分离;步骤③中锌为较活泼的金属单质,明显具有还原性,必然与滤液中氧化性的Ni2+发生置换反应,而除去Ni单质。

  步骤④中出现的强碱弱酸盐Na2CO3因发生水解而使溶液显碱性,可与滤液中显酸性的ZnSO4发生复分解反应或双水解反应,形成Zn(OH)2或ZnCO3;步骤⑤利用了Zn(OH)2或ZnCO3的不稳定性,在受热条件下发生分解反应,最终获得纯净的氧化锌。

  2.精练例题 (2018·全国Ⅱ·26):我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家,相关金属离子[C(Mn+)=0.1mol⋅L−1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下:回答下列问题:(1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为_____。(2)滤渣1的主要成分除SiO2外还有_________;氧化除杂工序中ZnO的作用是_________,若不通入氧气,其后果是_________。

  (3)溶液中的Cd2+可用锌粉除去,还原除杂工序中反应的离子方程式为__________________。(4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时,阴极的电极反应式为_____________;沉积锌后的电解液可返回_________工序继续使用。答案:(1)2ZnS+3O2=2ZnS+2SO2(2)PbSO4调节溶液的pH无法除去杂质Fe2+(3)Cd2++Zn=Zn2++Cd(4)Zn2++2e=Zn溶浸。

  随着新高考改革的到来,高中化学教学更加重视学科知识与生活、生产的紧密联系,在教学中,我们需要在三维目标中强调化学学科思想和学科方法等核心素养的培养,不断强化严谨的化学学科思维训练,帮助学生理解化学与技术、社会和环境之间的相互关系,并灵活运用已有的知识和原理、思维和方法进行综合分析,积极参与到解决化学问题的过程中。

  参考文献:

  [1]林肃浩.更高更妙的高考化学思想方法.[M].浙江大学出版社,2016.

  [2]于淑儿,王存宽.元素及其化合物推断题的命题趋势与教学策略[J].中学化学教与学,2009,(4).

  [3]何彩霞.化学学科观念建构是单元教学的核心[J].化学教育,2009(2).

  相关期刊推荐:《化学教育杂志》创刊于1980年,是由中国科学技术协会主管,中国化学会主办的国家级化学教育类学术月刊。本刊为月刊,主编:朱文祥。国内统一刊号:CN11-1923/O6,国际刊号:ISSN1003-3807。

  

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