化工硫酸工业教学设计

1教学设计

1．1教材内容分析及教学设计构思硫酸是人类最早制得的化工产品之一，早在1000多年前，就有过史料记载。硫酸工业作为化工产业的基础，其发展已有200多年的历史。硫酸是化学工业许多产品的原料（大致有上千种化工新产品需要硫酸为原料），大量用于化肥、农药、医药、化学纤维等的生产，在冶金工业、石油工业、国防工业、轻工业等被广泛应用，被称为“化学工业之母”。硫酸在化工中的重要性决定了它与一个国家的化工发展密切相关，硫酸的制备方法的发展和演变过程、原理与生产方法的改变是人类知识进步和智慧的结晶。在硫酸制备方法的学习过程中，融入相关化工发展史的了解，一方面可加深学生对硫酸应用的理解，另一方面可以使他们在学习有关原理与设备的改进过程中，提高分析、对比和思辨能力，了解工业发展的过程，感悟人类知识和技术进步的魅力。硫酸制法是中学阶段为数不多的作为重点化工知识学习的内容，其历史生产方法的3个阶段［1］：热分解法、硝化法、接触法，特征显著，条理清晰，易于在教学中整合，其中包含了大量的技术原理及技术思想。基于硫酸工业在教材和工业生产中的特殊地位，为了体现其重要性和所蕴含的化学科学的人文内涵，落实普通高中化学课程标准：“通过化学发展史的线索，使学生认识化学概念和化学原理是不断发展和深化的”［2］的建议，合理地将硫酸制备的化工发展史融入教学之中，可以更深入地使学生了解科学知识、科学方法，培养技术素养和创造精神，并有效体现情感态度与价值观的教育。

1．2教学目标［知识与技能］（1）了解并对比历史上硫酸的制备方法；（2）学习现代硫酸工业的反应原理，了解工业生产装置的工作原理。［过程与方法］通过分析、对比、讨论，思考历史上关于硫酸工业原理的优点与缺点，培养学生的概括能力和分析能力，加深对硫酸制备原理与装置的认识和理解，在反思和比较中体会科技创新的过程与方法。［情感态度与价值观］（1）通过了解硫酸工业发展的历史，感受科技进步发展的过程；（2）了解我国硫酸工业发展历史和现状，增强为科技进步和祖国强盛而学习的动力。

1．3教学过程［引入］硫酸是最重要的基础化工原料，被誉为“化学工业之母”，我国自2004年硫酸产量超过美国，跃居世界第一，至2011年已连续7年位居世界第一。从表1和表2可看出硫酸应用范围之广、产量之大。［过渡］作为最重要的基础化工原料之一，硫酸的制备应用经历了很漫长的历史。生产硫酸最古老的方法是用胆矾或绿矾为原料，在蒸馏釜中煅烧。反应的化学方程式为：一、历史上硫酸的工业制取方法：1．加热分解法CuSO4•5H2O高温CuO＋SO3＋5H2O2FeSO4•7H2O高温Fe2O3＋SO2＋SO3＋14H2O。其中三氧化硫与水蒸气同时冷凝便得到硫酸。欧洲在中世纪曾称硫酸为绿矾油。［设疑］以上2种制硫酸的方法有明显的缺点，请同学们思考。［生答］固体加热高温能耗大；原料来源少，价格昂贵；副产物多，产量小，不易利用；难以大规模生产等。［过渡］硫黄是一种使用较多的化学药品，人们逐渐发现用硫黄与硝石（主要成分是KNO3）混合加热也能产生硫酸（硫黄燃烧可产生SO2，硝石加热可产生NO2）。具体反应原理可简略表示如下：

2．氮氧化物氧化法———硝化法

SO2＋NO2＋H2O＝H2SO4＋NO2NO＋O2＝2NO2［投影并讲述］1736年，英国人瓦德最早将这一原理应用于大规模生产硫酸，他通过特殊方法制得了大容积（300L左右）的球形玻璃容器，用大铁盘装上硫黄与硝石在预先加入水的玻璃容器中点燃。瓦德的工厂有近百个大玻璃容器，大规模的生产使当时的硫酸价格下降到了原先的1／16。［问题］这种方法虽然使硫酸的产量提高，成本下降了很多，但也还存在不少缺陷，请同学们思考。［生答］玻璃仪器易碎，容积不大，铁盘易腐蚀，产量还不能很高等。［投影并讲述］很快地，瓦德的生产方法被一位名叫加贝特的技术员改进了。他选择了不易被硫酸腐蚀的铅制成铅室，铅室的体积可以达到近10m

3，不断地放入硫黄与硝石，每4个星期取出1次酸，使硫酸的产量得到了进一步的提高。到后来最大的铅室一直做到了近200m3。［设疑］工业的发展对硫酸的需求量越来越高，大规模化的工业生产要求生产过程必须是连续的。不论是瓦德的玻璃容器还是加贝特的铅室，制备原理都是相同的，它们的生产过程有一个极大的弱点。请同学们讨论后回答。（学生讨论）［生答］间断性生产，不能连续（因每4个星期要打开铅室取酸）。［提出问题］那么，如何解决不能连续生产的问题？（启发并让学生讨论）［生答］向铅室中喷水，另置燃烧硫黄与硝石的炉子将产生的气体通入铅室等。［过渡讲解］以上在技术设备上对硫酸制备的改进，取得了很好的经济与生产的效益，但在原理上还是相同的，都是氮氧化物氧化法的具体应用。因为游离态硫单质硫黄的分布较低，自然界中存在较多的是硫的化合物，为了降低成本，人们开始使用含硫的矿物产生SO2，开始使用氧气氧化氨气替代较昂贵的硝石产生氮的氧化物用于氧化SO2转变为SO3。［提出问题］回到上述化学反应，要求学生根据反应原理，思考氮的氧化物在反应中的用途？［生答］起催化剂作用，实质上并没有消耗。［过渡提问］因此，在工业上合理循环使用氮的氧化物就显得很重要，可大大降低生产成本。［投影展示］盖吕萨克的思路与管道工人格洛弗的设计组合完善了铅室法在技术上的设计（见图1）。一个普通工人完善了一位著名化学家的设计，在硫酸制造业中被传为美谈。铅室法在硫酸工业200多年的生产历史中沿用了100多年。（在教学案上作为问题展示，让学生课后思考铅室法的氮氧化物的循环利用装置的原理。给予必要提示：氮氧化物溶于冷硫酸，受热时会逸出）［设问］因二氧化硫转化为三氧化硫都是通过氮的氧化物氧化实现的，在生产过程中会存在什么弊端？［生答］氮的氧化物有毒，会随尾气排出，对空气产生污染。［再问］前面我们分析了，氮氧化物理论上来看并没消耗，起了催化作用，从绿色化学的角度思考，将SO2氧化为SO3最好是通过什么氧化？［生答］用氧气氧化最好，也最直接。［讲述］现代工业的硫酸制法正是变革了沿用多年的氮氧化物氧化法，改用直接用氧气氧化的方法来制得SO3。引入接触法制硫酸。

二、硫酸的现代工业制法———接触法制硫酸

1．二氧化硫的制取和净化（沸腾炉）———造气过程S＋O2点燃SO24FeS2＋11O2高温2Fe2O3＋8SO2

2．二氧化硫转化为三氧化硫（接触室）———催化氧化过程2SO2＋O2催化剂幑帯幐加热2SO3

3．三氧化硫的吸收和硫酸的生成（吸收塔）———吸收成酸过程SO3＋H2OH2SO4［动画演示］接触法制硫酸的工业流程，介绍热交换器的工作原理。［思考］阅读课本，思考硫酸制取过程中以下一些生产工艺中所包含的原理。（1）硫铁矿石在进入沸腾炉前为何要粉碎？（2）SO2气体在进入接触室前为何要除尘、洗涤并干燥？（3）接触室中的热交换器的作用及工作原理是什么？（投影动画分析）（4）为何要用98．3％的浓硫酸吸收SO3而不用水？［总结］学生在阅读讨论后，进行归纳总结。［比较分析］将硫酸的几个不同阶段的制法进行比较分析。（投影）［资料］我国硫酸工业的发展情况，结合前面表1。（1）我国硫酸工业发展状况（投影展示：已取得的成绩，缺点：产能过剩、硫资源对外依存度过高、产业集中度偏低、资源利用率待提高等）（2）对我国硫酸工业发展作出突出贡献的孙师白（下发阅读材料）［未来发展］硫酸工业未来的发展趋势（投影展示。摘自中国硫酸工业协会专论：我国硫酸工业现状及“十二五”发展规划思路［4］）（1）充分开发利用工业烟气、工业用煤中的硫的回收，弥补我国硫黄主要依赖进口的现状；（2）研制开发新技术、新工艺、新材料和新装备，提高硫酸行业整体技术和装备水平，制造高性能钒催化剂；（3）提高硫酸行业整体废热回收利用水平等。［作业与任务］（1）试分析：SO2溶于水生成亚硫酸后，可直接氧化为硫酸，能否用这一方法生产硫酸？（SO2在常温下的溶解度约为1∶40）（2）硫酸生产厂产生的尾气中会含有一定量的SO2气体，查找资料并思考，如何吸收并处理尾气。（3）研究性学习课题：如何从冶炼烟气中制得硫酸？

2教学反思

2．1融入化工发展史的课堂教学效果（1）培养发展眼光，提升思维品质融入化工发展史的课堂教学将历史上的化工原理深入辨析，论弊明利，说“长”道“短”，并非是历史材料简单地堆积和简单地介绍，也不是简单地“故事性”叙说，而是学生在思考、讨论与分析中不断地将旧的原理与技术予以否定，在探究、分析与推理中引出新的方法和新的工艺，在这样的化学史的穿越之别有助于学生形成发展的观点和思想，在分析对比、归纳提炼中提升了学生质疑、反思、概括、综合等多种思维品质。（2）培养创新精神，增强社会责任感融入化工发展史的课堂教学将一些重要的技术原理的变革，通过问题的设置引导学生思考解决，是一个在思想上进行变革、创新的过程。我国化学工业中技术原理应用与改革的一些典型案例与个人，强化了学生对创新、创造价值的认识。通过化工发展史，认识化学科学与技术进步和社会发展的关系，对培养学生的社会责任感和创新精神具有良好的效果。（3）培养技术意识，提高技术素养重理论、轻技术是多年来理科教学存在的一个弊端。目前培养学生的技术素养，渗透技术教育已成为共识，技术课程已成为学生的重要学习领域。渗透化工发展史的课堂教学是培养学生技术素养的一个良好途径。化学原理在化工生产中的运用总是与一定的技术与工艺相联系，如循环利用、逆流原理、热交换器的使用等；原理的变革、产品质量和效益的提升也总是与一定的工艺创新、技术创新密切相关。这能使学生切实感受到技术在实际生产中的应用，体会到技术的独特魅力，以培养学生的技术意识，形成一定的技术素养。

2．2融入化工发展史的课堂教学的适用性和教学中应注意的问题（1）适用性高中化学教材中有关化工原理与技术应用的内容除硫酸工业外，还有其他不少内容也具有相同的教学要求。如氯碱工业［5］、纯碱工业、合成氨工业等，这些化工知识内容的学习，也都可以沿用本案例硫酸工业中的教学设计流程，达到相同的教学效果。总结本节课的设计思想，得出基于“化工发展史”的课堂教学基本授课流程如图2。（2）应注意的问题融入“基础化工发展史”的课堂教学中要注意设置合适的问题情境，引导学生探究思考历史上曾经沿用的技术方法的合理性与局限性，而不能以简单的故事式的描述来学习，否则就违背了这种教学形式的设计初衷。另外，这种课堂教学的安排，每节课涉及内容较多，课堂涉及的问题和阅读量都较大。必须认真分配好一节课的时间，对一些数据、图片或文字材料尽量整合为连贯的课件，以便提高课堂效率，节省时间。涉及文字量较大的内容可事先以讲义的形式提前印制好，让学生预习或课前、课后阅读交流，也可以适当留白，让思维的锤炼引向课后，如本设计中的“铅室法的改进之妙”留作课后思考就是一种妥善的安排。