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1、化学史的教学鉴古知今 作者： 日期：8 课例六 化学史教学鉴古知今，人文的陶冶工业合成氨教学设计【内容简析】工业合成氨内容是在化学反应速率和化学平衡之后，是对化学反应速率和化学平衡理论的综合应用，是化学动力学基础理论在生产实际中进行应用的一个范例。基础知识不难，而且是这部分知识的终结，它更多的是要求学生关注基础知识与生产实际间的联系。教学内容主要涉及到三方面，一为合成氨的原理；二为合成氨的条件选择；三是学生科学精神与态度的培养。第三点要渗透化学史的教学，也是该案例体现的核心。【目标定位】能根据化学反应速率和化学平衡原理阐析当前的生产条件；能根据合成氨化学原理，简述合成氨生产的主要流程；运用数据
2、的归纳分析方法与辩证思维理解合成氨条件选择；通过小组讨论合成氨的适宜条件，体现出同学之间的合作与交流意识；从哈伯合成氨发明的初衷激发学生对化学及化学工业的兴趣与社会责任感；通过了解合成氨的全过程，可以激发学生爱科学、探索科学的热情；从合成氨工业与第一次世界大战的关系感悟科学的伦理价值问题；从合成氨催化剂的发明与创新中体悟科学创新所需的勤奋、坚毅、合作的精神；结合我国合成氨的现状对学生进行爱国主义教育。通过练习题，逐步形成独立分析问题、解决问题的能力。总之，要以相关知识为主线，以化学史为载体，从而达到既巩固基础知识，又能让学生鉴古而知今，进行人文的陶冶。【方法阐释】常见合成氨课堂教学设计，有讲授
3、式的；有探究式的；有开放式的等等，这些设计往往让人感到教学的单一、乏味。任何一门自然科学本身都包含着两个不同的侧面，知识的一面和获取这些知识而进行科研活动的一面。只有这两个方面都加以学习，才能全面把握科学。根据合成氨内容特点，可以以合成氨化学史为教学载体进行教学，其中蕴藏的化学基础知识不但能满足大纲的要求,而且在科学思想、科学方法、科学精神与态度的教学上更具有不一般的活力。学生学习化学史的目的绝不在于“知道”这些事实。化学史既包括科学家对化学的研究过程，又包括科学家研究化学时所持有的不同观点和态度，既包括化学理论和方法的形成和演变，又包括不同学科之间的联系，科学与社会的相互影响。“化学史中蕴藏
4、着科学家人，研究过程事，研究成果知识体系等多方面的教育资源，它对学生的教育价值是巨大的。”“鉴古知今”，对科学史的学习的根本是为了更好地创造未来。化学史是化学科学的形成、发展及其演变规律的反映。化学史教学涉及的内容虽然是过去的事，似乎是“过时”的东西，但它包含的规律、经验、教训、作用，则始终保持着充沛的生命力。学生已经掌握了化学反应速率和化学平衡理论的相关知识，但是学生还没有将所知识应用于实际问题的经验，教师重在帮助学生形成方法，而不是教会学生具体的知识。在学生形成方法的基础上，给学生创设独立演练的机会。让学生课前查阅工业合成氨的材料，以便课堂上向同学们介绍；链接实验室制法的原理，以便对比学习
5、；课堂上进行相关知识的回顾、相近知识的学习、相关科学史的学习和讨论，达到知识和情感教育的相互渗透和升华，达到理性和感性的统一协调发展，从而完成教学目标。不论学习什么内容，不论采取什么方法，化学史的教学都要遵循一般的教学规律，符合科学发展规律、社会历史发展规律，紧密结合学生的身心发展水平和认知规律，选择合适的内容、方法，用发展的眼光辩证地看待这些“历史”的功与过。【教学流程】环节一 课题引入（引导学生回顾） 氨的用途：化肥、炸药、染料等，合成氨广泛应用与农业、军工等。氮的固定：包括自然固氮和人工固氮，合成氨是人工固氮的一种方法。【设计意图】 联系生活实际，引发学生探索的兴趣，引出本节课学习内容。
6、环节二 原理分析（学生简述） 合成氨的原理：N2+3H2 2NH3+Q该反应的特点；熵减小的放热反应。即合成氨的反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应。【设计意图】 通过该方程式对比实验室制备氨气的原理，让同学们明白二者的不同；同时对原料气的制备有一定的认识。环节三 链接理论（学生回顾） 化学反应速率和化学平衡原理，并分析如何提高合成氨的速率和产率。【设计意图】 巩固相关知识，为分析合成氨的适宜条件做铺垫。环节四 工业合成氨的发展历程（学生介绍课前所查资料） 1、合成氨工艺的发明氨的工业合成是目前普遍使用的人工固氮方法，氨设备利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实
7、验室研制到工业化投产，约经历了150年的时间。1774年，普利施特里通过加热氯化铵和氢氧化钙的混合物，首先收集到氨。1784年，贝托莱经分析确定氨是由氮元素和氧元素组成的。1795年有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在50个大气压下试验，结果都失败了。19世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向；提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化剂对反应将产生重要影响。当时物理化学的权威、德国的能斯特就明确指出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一些实验数据。法国化学家勒夏特列第一个试图进行高压合成氨
8、的实验，但是由于氮氢混和气中混进了氧气，引起了爆炸，使他放弃了这一危险的实验。氮气和氢气的混和气体可以在高温高压及催化剂的作用下合成氨。但什么样的高温和高压条件为最佳？用什么样的催化剂为最好？在物理化学研究领域有很好基础的哈伯决心攻克这一令人生畏的难题。哈伯首先进行一系列实验，他并不盲从权威，而是依靠实验来探索，终于证实了能斯特的计算是错误的。哈伯以锲而不舍的精神，经过不断的实验和计算，终于在1909年取得了鼓舞人心的成果，这就是在600的高温、200个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为8的合成氨。8的转化率当然会影响生产的经济效益，怎么办？哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工，并从
9、这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来，这个工艺过程是可行的。于是他成功地设计了原料气的循环工艺。1910年，德国建立了世界上第一座合成氨试验工厂；1913年，又建立了规模生产的合成氨工厂。从此以后，合成氨工业便迅速发展起来。（学生思考） 从这段史料中我们得到什么启发？（学生分组讨论） 激烈，达到高潮。（学生归纳）(1) 由合成氨发展的艰辛历程说明科学发展的过程漫长而曲折； (2) 科学的发展既要有理论指导，还要有大量的实验；(3) 要有正确的科学方法指导科学研究；(4) 科学需要创新；(5) 化学是一门创造性的科学；（6）不能迷信权威，敢于向权威挑战；（7）科学探究需要知难而进、持之以恒、不
10、达目的誓不罢休的科学精神； （8）实验室研究到工业生产往往需要许多论证和分析。（9）科学技术的进步与社会发展有密切的关系，以及作为科学家应具有什么样的社会责任感。【设计意图】 让同学们了解科学发展的历程，对他们进行深刻的思想政治教育和科学方法教育。通过了解合成氨的全过程，可以激发学生爱科学、探索科学的热情。（幻灯片） 2、波施对催化剂的改进根据哈伯的工艺流程，德国当时最大的化工企业巴登苯胺和纯碱制造公司，组织了以化工专家波施为首的工程技术人员将哈伯的设计付诸实施。哈伯合成氨工艺中的催化剂锇既贵重含量又少，阻碍了合成氨工业的快速发展。工程师们改进了哈伯所使用的催化剂，两年间，他们进行了多达650
11、0次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了含铅镁促进剂的铁催化剂。开发适用的高压设备也是工艺的关键，当时能受得住200个大气压的低碳钢，却害怕氢气的脱碳腐蚀。波施经过两万波施想了许多办法，合成氨设备最后决定在低碳钢的反应管子里加一层熟铁的衬里，熟铁虽没有强度，却不怕氢气的腐蚀，这样总算解决了难题。正是波施多次实验的探讨，发现了新的催化剂铁触煤，从而推进了合成氨工业的大规模工业化，一直到今天。哈伯和波施在合成氨工业上的巨大贡献使得他们分别获得了1918年和1931年的诺贝尔奖。（反思历史） 3、哈伯和第一次世界大战哈伯促使了合成氨的工业化，对农业、军工的发展产生了巨大作用，因而获得了191
12、8年的诺贝尔化学奖。然而第一次世界大战中受强烈的爱国主义思潮的影响下的哈伯，错误的认为毒气是一种结束战争缩短战争的好办法，从而使他担任战争中的施放毒气战的科学负责人。从而开始了毒气在战争中的使用，德军第一次实施毒气战就造成了约15000人中毒。同时哈伯的合成氨的工业化，使得可以大量合成硝酸，保证了德国军事炸药的储备，使得德国敢贸然发动第一次世界大战。哈伯在第一次世界大战中的所作所为使得他获得1918年诺贝尔奖受到了英、法等国科学家的抗议。一战后他对于战争的反思使他一心投入到科学研究中，使得他得到了科学界的谅解。当时为了偿还战争赔款，他曾经努力从海水中提炼黄金，但以失败而告终。具有强烈爱国心的哈
13、伯最后却因为犹太人的血统，受到了迫害，逃亡路程中去世。（吸取教训）（1） 对科学及科学发明有辨证的看法，科学的不合理使用会对人类造成巨大的危害，例如毒气战的使用；（2）科学家从事科学事业时应该具备基本的伦理道德；（3）维护世界和平，反对战争。【设计意图】 加深学生对科学是把双刃剑的理解，对科学道德有更深的理解。环节五 得出结论老师引导学生通过复习理论，回顾发展历程，结合今天的实际，总结合成氨的适宜条件。合成氨的适宜条件：温度：700K压强：200atm-500atm催化剂：铁触媒浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，且向混合气中不断补充氮气和氢气。【设计意图】 在运用理论的过程中，可以进一步
14、加深学生对所学理论的理解和提高知识的实际应用能力。环节六 展望我国合成氨工业前景利用各种学习资源,分析中国合成氨工业现状。主要介绍我国几个方面的改进：原料及原料气的净化、催化剂的改进、环境保护上的改进。简单介绍合成氨发展前景“生物模拟固氮”，例如我国福建厦门物质结构研究所的模拟生物固氮研究进展，以及生物模拟固氮的研究的巨大应用前景。【设计意图】 通过合成氨前景的展望，激发学生学习兴趣，使学生体会化学学科中逻辑结构严谨深刻的科学美，并在其中渗透爱国主义教育。（引导学生归纳总结） 1、 合成氨工业生产中，采用哪些条件可以提高生产效益？ 2、在实际过程中，对某合成工业生产条件的选择一般应从哪些角度去
15、考虑？（化学反应速率、化学平衡、生产动力、材料、设备等。） 环节七 课堂练习 例：在硫酸工业中，SO2 与O2催化氧化为SO3（正反应放热） 试思考： （1）上述反应的特点？ （2）工业生产过程中常采用过量的空气，有何作用？ （3）硫酸工业中，为何采用400500 度高温呢？ （4）合成氨采用加压的方法，为何的氧化不采用高压呢？（课下作业） 总结现代合成氨的基本生产过程“造气净化合成”三工艺流程，以及生产过程中的相关措施如下：（1）原料气的合成和净化：从环境保护和经济成本上考虑。（2）氨的合成与分离，高温、高压、催化剂、气体的循环使用，有利于氨的合成。【教学后记】合成氨教学设计，从学生熟悉的用途入手，让同学们体会到化学就在他们身边，化学来源于生活，服务于生活。通过回顾化学反应速率和化学平衡，巩固相关知识点。使学生从合成氨工业的发展
