初中化学九年级下册《海水制碱》教学设计

初中化学九年级下册《海水制碱》教学设计

一、课程基本信息与设计理念

学科：初中化学

年级：九年级（下学期）

课时安排：2课时（共计90分钟）

课程类型：新授课/实验探究课

设计依据：本节课依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》核心素养要求，结合北京版九年级化学下册“海水资源利用”主题内容进行深度开发。设计以“海水制碱”这一真实、复杂且有重大工业与社会价值的课题为情境，旨在引导学生理解化学原理在解决实际问题中的应用，促进“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”、“科学态度与社会责任”五大核心素养的融合发展。

设计理念：本教学设计秉持“从生活走进化学，从化学走向社会”的理念，打破传统知识传授模式，采用“情境-问题-探究-应用-创新”的项目式学习（PBL）路径。以我国著名化学家侯德榜先生发明的“侯氏制碱法”为历史与情感线索，将纯碱（碳酸钠）的工业制备原理（氨碱法及侯氏制碱法）作为知识主干，整合溶液、酸碱盐、物质分离、化学计算等多板块知识，引导学生像化学家一样思考，像工程师一样解决问题。教学过程强调学生的主体参与、合作探究与批判性思维，利用数字化实验、微观动画模拟、工艺流程模型构建等现代教育技术手段，帮助学生跨越宏观现象与微观本质、理论认知与工业实践之间的鸿沟。

二、教学目标

（一）核心素养目标

1.宏观辨识与微观探析：能从宏观上辨识纯碱的物理性质及在海水制碱过程中发生的沉淀、结晶等现象；能从微观角度（离子反应）解释氨碱法及侯氏制碱法的反应原理，理解反应条件（如温度、浓度）对离子平衡移动的影响。

2.变化观念与平衡思想：认识到海水制碱过程中涉及的多步化学反应及物质转化，理解化学变化中的质量守恒、元素守恒思想；初步建立复分解反应发生的条件、溶解平衡、结晶等动态平衡观念。

3.证据推理与模型认知：能基于实验现象和已知化学原理，推理氨碱法各步骤的产物及反应本质；能分析对比氨碱法与侯氏制碱法的工艺流程，构建简化但关键的化工生产认知模型，理解其优化设计的科学思想。

4.科学探究与创新意识：通过模拟氨碱法核心步骤的探究实验，体验科学探究的过程，学习控制变量、对比分析等实验方法；通过评价和改进工艺方案，激发创新意识，体会技术革新对资源利用和环境保护的意义。

5.科学态度与社会责任：了解侯德榜先生的爱国情怀和科学精神，感受化学对人类社会发展的巨大贡献；辩证认识化学生产与资源消耗、环境保护之间的关系，树立可持续发展的社会责任感。

（二）知识与技能目标

1.掌握氨碱法（索尔维法）制备纯碱的主要化学反应原理（氨盐水碳酸化），能书写相关的化学方程式及离子方程式。

2.理解侯氏制碱法（联合制碱法）对氨碱法的改进原理，掌握其同时生产纯碱和氯化铵的工艺流程及核心反应。

3.了解纯碱（碳酸钠）的基本物理化学性质及主要用途。

4.能运用复分解反应、离子反应、溶解性规律等知识分析海水制碱过程中的物质转化。

5.初步学习化工流程图的解读与简单绘制，理解循环利用原料、提高原子利用率等绿色化学思想在工业生产中的应用。

（三）过程与方法目标

1.通过分析真实工业情境，学习从复杂信息中提取关键化学问题的方法。

2.通过小组合作进行实验探究和方案讨论，提升团队协作与交流表达能力。

3.通过对比分析不同制碱工艺，学习评价和改进技术方案的思维方法。

4.利用数字化传感器（如pH传感器）监测反应过程，体验信息技术与化学实验的融合。

（四）情感态度与价值观目标

1.激发探索自然、利用自然资源解决实际问题的兴趣和热情。

2.感悟科学家在艰苦条件下取得的辉煌成就，培养民族自豪感和爱国情怀。

3.树立资源意识、环保意识和创新意识，认同化学在建设生态文明中的重要作用。

三、教学重难点

教学重点：

1.氨碱法制备纯碱的核心化学反应原理（NH₃+H₂O+CO₂+NaCl→NaHCO₃↓+NH₄Cl）。

2.侯氏制碱法的改进思路及其同时生产两种产品的工艺原理。

3.从离子反应和溶解平衡的角度理解碳酸氢钠析出的原因。

教学难点：

1.理解氨气在氨碱法中的作用（增大HCO₃⁻浓度，促进NaHCO₃沉淀析出）——从微观离子平衡角度进行分析。

2.侯氏制碱法中如何实现NH₄Cl的单独析出以及与母液的循环利用——理解温度对溶解度的影响及循环设计。

3.将分散的化学反应知识（酸碱盐、溶解度）系统整合应用于复杂的真实工业流程分析。

四、教学准备

（一）教师准备

1.多媒体课件：包含侯德榜生平介绍视频、氨碱法与侯氏制碱法工艺动画、关键步骤微观模拟、纯碱用途图片、相关习题等。

2.演示实验器材与药品：

1.3.模拟“氨盐水碳酸化”实验：饱和食盐水、浓氨水、二氧化碳气体发生装置（大理石、稀盐酸）、锥形瓶、导管、橡胶塞。

2.4.碳酸氢钠热分解实验：碳酸氢钠固体、试管、酒精灯、澄清石灰水、带导管橡胶塞。

3.5.数字化实验设备（可选）：pH传感器、数据采集器、电脑，用于实时监测氨盐水吸收CO₂过程中pH的变化。

6.学生分组探究实验器材与药品（4-6人/组）：

1.7.药品：饱和食盐水、浓氨水（或氨气饱和溶液）、碳酸氢铵固体、蒸馏水。

2.8.仪器：烧杯（100mL）、玻璃棒、药匙、量筒、抽滤装置（或普通漏斗、滤纸）、表面皿、酒精灯、三脚架、泥三角（或蒸发皿）。

9.模型与图表：

1.10.氨碱法与侯氏制碱法对比挂图或可粘贴的流程卡片。

2.11.NaHCO₃、NH₄Cl、NaCl在不同温度下的溶解度曲线图。

12.学习任务单：包含预习问题、实验记录表、工艺流程分析图、课堂练习与课后拓展项目。

（二）学生准备

1.预习教材，回顾复分解反应条件、常见酸碱盐溶解性、气体溶解性等知识。

2.查阅侯德榜及“侯氏制碱法”的相关资料。

3.分好实验小组，明确组内分工。

五、教学过程

第一课时：探秘“氨碱法”——从海水到纯碱的化学智慧

（一）情境导入，任务驱动（8分钟）

教师活动：

1.播放短片《纯碱——工业之母》，展示纯碱在玻璃、造纸、纺织、洗涤剂等工业及日常生活中的广泛应用。

2.提出问题链：

1.3.“这种重要的化工原料‘纯碱’，它的化学式是什么？是碱吗？”（回顾碳酸钠俗称、化学式及水溶液呈碱性的原因）。

2.4.“自然界中有天然纯碱，但储量有限。如何大规模、低成本地生产它？原料从哪里来？”（引导学生联想到丰富的海水资源，海水中含有大量氯化钠）。

3.5.“能否直接用海水和某种物质反应得到纯碱？NaCl→Na₂CO₃，从元素组成上看，需要引入哪两种元素？”（C、O，引导学生想到含碳、氧的物质，如CO₂）。

4.6.“NaCl和CO₂能直接反应吗？为什么？如何创造反应条件？”

7.引出核心任务：“今天，我们将化身化工工程师，挑战一个世纪难题——如何以海水中提取的食盐为主要原料，大规模生产纯碱？让我们沿着科学家的探索足迹，揭开‘海水制碱’的奥秘。”

学生活动：

观看视频，思考并回答问题，从已有知识出发产生认知冲突（NaCl与CO₂不反应），明确本课核心学习任务。

设计意图：

从社会应用价值切入，激发学习兴趣。通过问题链，激活学生已有知识（NaCl、CO₂、Na₂CO₃的性质），制造认知冲突，引发深度思考，明确探究方向。任务驱动使学生学习目标清晰，角色代入感强。

（二）历史回眸，初识“氨碱法”（10分钟）

教师活动：

1.讲述氨碱法（索尔维法）的发明背景：19世纪中期，纯碱需求激增，天然碱和路布兰法无法满足，比利时化学家索尔维取得突破。

2.展示简化后的氨碱法核心流程框图（原料：NaCl、NH₃、CO₂、H₂O→产品：NaHCO₃→煅烧→Na₂CO₃），不急于解释原理。

3.提出驱动性问题：“索尔维巧妙地加入了一种‘媒介’物质——氨（NH₃）。氨在这里究竟扮演了什么角色？它如何促成了NaCl和CO₂的‘联姻’？”

学生活动：

倾听历史背景，观察流程框图，聚焦于“氨的作用”这一核心问题，产生好奇与猜想。

设计意图：

融入化学史，体现科学发展的历程。呈现简化流程，突出重点，避免信息过载。设置悬疑性问题，聚焦本课第一个核心知识点（氨的作用），引导学生主动思考。

（三）实验探究，揭秘核心反应（20分钟）

环节一：教师演示实验——氨盐水吸收二氧化碳

1.教师组装装置：向盛有饱和食盐水和浓氨水混合液（模拟氨盐水）的锥形瓶中，通入二氧化碳气体。

2.引导学生观察现象：溶液逐渐变浑浊，有细小晶体析出。

3.（若条件允许）连接pH传感器，实时显示并记录溶液pH在通入CO₂过程中的变化曲线。

4.提问：

1.5.“析出的晶体可能是什么？”（引导从元素守恒角度分析，含有Na、H、C、O，可能是NaHCO₃）。

2.6.“为什么通入CO₂前，氨盐水是澄清的？通入后为什么会析出晶体？”（提示从离子反应和溶解平衡角度思考）。

3.7.“pH曲线如何变化？说明了什么？”（pH下降，说明发生了反应，生成了酸性物质）。

环节二：学生分组探究——模拟制备碳酸氢钠

1.分发任务单，明确实验步骤：取一定量饱和食盐水，加入足量氨气（或浓氨水），形成氨盐水。再加入碳酸氢铵固体（作为CO₂来源的替代，因其在水中分解产生NH₃和CO₂，可简化实验），搅拌，观察现象。

2.学生分组实验，记录现象（有白色沉淀生成），并进行过滤操作，得到固体。

3.教师指导学生对所得固体进行简单检验（如加热，将生成气体通入澄清石灰水），初步验证其为碳酸氢钠。

4.引导学生书写可能的反应方程式，并进行小组讨论。

环节三：原理分析与建模

1.教师引导学生分析反应本质：

1.2.第一步：NH₃+H₂O⇌NH₃·H₂O⇌NH₄⁺+OH⁻（氨水呈碱性）

2.3.第二步：CO₂+H₂O⇌H₂CO₃⇌H⁺+HCO₃⁻（CO₂溶于水生成碳酸，进而电离）

3.4.第三步：OH⁻+H⁺→H₂O（中和反应，促使以上两个平衡向右移动，大量生成HCO₃⁻）

4.5.第四步：Na⁺+HCO₃⁻→NaHCO₃（当溶液中[Na⁺]和[HCO₃⁻]浓度乘积大于NaHCO₃的溶度积时，析出沉淀）

6.总结总反应：NH₃+CO₂+H₂O+NaCl=NaHCO₃↓+NH₄Cl

7.强调关键点：氨的作用是“固定”CO₂，生成高浓度的HCO₃⁻，从而与Na⁺结合生成溶解度较小的NaHCO₃析出。这是利用离子反应和溶解平衡原理实现物质转化的经典案例。

8.播放微观模拟动画，展示离子在溶液中的相互作用及NaHCO₃晶体析出的动态过程。

学生活动：

观察演示实验，分析现象；动手进行分组实验，体验“制碱”过程；记录、讨论、书写方程式；在教师引导下，逐步分析反应的微观本质，理解氨的关键作用；观看动画，建立宏观现象与微观本质的联系。

设计意图：

通过“教师演示-学生探究”相结合的方式，既保证了核心实验现象的可观察性，又给予了学生动手实践的机会。数字化实验的引入使反应过程（pH变化）可视化、数据化，增强了科学性。从宏观现象到微观本质的层层剖析，引导学生运用离子反应、平衡移动等核心概念解决复杂问题，突破教学难点。微观动画帮助学生形象化理解抽象过程。

（四）流程初构，认识完整“氨碱法”（7分钟）

教师活动：

1.在揭示核心反应后，回到完整的氨碱法流程图。

2.引导学生补充和完善流程：

1.3.原料：石灰石（煅烧得CO₂和CaO）、食盐、氨（可循环）。

2.4.核心步骤：氨盐水碳酸化，得NaHCO₃沉淀和NH₄Cl母液。

3.5.后续处理：过滤，分离出NaHCO₃；煅烧NaHCO₃（2NaHCO₃△Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O），得到产品纯碱，CO₂回收利用。

4.6.氨的回收：向NH₄Cl母液中加入Ca(OH)₂（由CaO制得）：2NH₄Cl+Ca(OH)₂→CaCl₂+2NH₃↑+2H₂O，回收的氨循环使用。

7.引导学生分析该流程的优点（原料廉价易得，氨循环使用）和缺点（产生的CaCl₂用途不大，造成氯离子浪费，且排放污染环境；食盐利用率低，约70%）。

8.提出问题：“作为一名有责任感的化学工程师，你认为氨碱法有哪些可以改进的地方？如何提高原子利用率，减少废弃物？”

学生活动：

跟随教师思路，构建完整的氨碱法认知模型。分析其优缺点，特别是从绿色化学和原子经济性角度思考其不足，为下一课时学习侯氏制碱法埋下伏笔。

设计意图：

将核心反应置于完整的工业流程中审视，培养学生系统思维。引导学生对已有技术进行批判性评价，建立技术优化与创新的意识，自然过渡到下一部分内容。

第二课时：创新“侯氏法”——绿色化学的典范

（一）承前启后，直面挑战（5分钟）

教师活动：

1.简要回顾氨碱法的原理及存在的两大突出问题：①副产品CaCl₂价值低、处理难；②食盐中的Cl⁻未被利用，原子利用率低。

2.展示真实情境数据或图片：堆积如山的废渣CaCl₂。

3.提出本课时核心任务：“面对氨碱法的缺陷，谁能破局？20世纪上半叶，一位中国化学家给出了令世界瞩目的答案。我们将继续以工程师的身份，研究这项伟大的创新——侯氏制碱法。”

学生活动：

回顾旧知，明确氨碱法的技术缺陷，带着如何改进的问题进入新内容学习。

设计意图：

迅速建立新旧知识联系，强化问题意识。通过真实情境中的环境问题，凸显技术革新的必要性和紧迫性，激发学生学习侯氏制碱法的内在动力。

（二）走进侯氏，感悟精神（10分钟）

教师活动：

1.播放纪录片片段或讲述故事，介绍侯德榜先生的生平：留学归国，立志振兴民族化学工业；在抗战极端困难的条件下，刻苦钻研，打破国外技术垄断；发明“侯氏制碱法”（联合制碱法）。

2.突出其爱国情怀、科学精神和创新魄力。

3.展示侯氏制碱法的基本构想：将合成氨工业与制碱工业联合起来，利用合成氨厂的副产品CO₂和废弃的Cl⁻（以NH₄Cl形式产出肥料），变废为宝。

学生活动：

了解侯德榜先生的感人事迹，感受科学家的人格魅力和创新精神，从情感上认同技术创新的价值。

设计意图：

将科学史教育与情感态度价值观培养深度融合。侯德榜先生的事迹是极佳的爱国主义和科学精神教育素材，能极大地增强学生的民族自豪感和学习化学的责任感。

（三）对比探究，解析“联合”奥秘（25分钟）

环节一：工艺流程对比分析

1.分发任务单，上面并列呈现氨碱法简图和侯氏制碱法简图（关键步骤留空）。

2.学生小组合作，结合教材和预习资料，讨论并尝试填充侯氏制碱法的关键步骤。教师提供“脚手架”：提示关注两点——①NH₄Cl如何从母液中分离出来？②母液如何循环利用？

3.小组汇报，教师利用可粘贴的流程卡片在黑板上动态构建侯氏制碱法流程图，并引导全体学生辨析、修正。

4.最终明确侯氏制碱法的核心流程：

1.5.第一过程（制碱过程）：与氨碱法核心反应相同。NH₃+CO₂+H₂O+NaCl（饱和）→NaHCO₃↓+NH₄Cl（在母液中）。

2.6.关键创新点（第二过程，制铵过程）：将含有NH₄Cl的母液降温，并加入细盐粉（NaCl），利用低温下NH₄Cl溶解度远小于NaCl的特点，使NH₄Cl单独结晶析出，成为氮肥产品。

3.7.循环设计：析出NH₄Cl后的母液（富含Na⁺），再通入NH₃和CO₂，进行下一次制碱循环。原料NaCl得到充分利用，Cl⁻以NH₄Cl形式产出。

环节二：溶解度曲线助力理解

1.展示NaCl、NH₄Cl、NaHCO₃的溶解度随温度变化曲线图。

2.引导学生分析：

1.3.为什么NaHCO₃可以在常温下析出？（溶解度相对较小）。

2.4.为什么NH₄Cl可以通过降温结晶从母液中分离？（其溶解度随温度降低显著减小，而NaCl溶解度变化不大）。

3.5.为什么在降温同时要加入NaCl细粉？（同离子效应，进一步降低NH₄Cl的溶解度，提高产率；补充Na⁺，为循环制碱做准备）。

6.教师总结：侯氏制碱法的精髓在于“联合”与“循环”。联合了合成氨与制碱工业；设计了巧妙的母液循环，将副产品NH₄Cl变为有价值的产品，实现了Na⁺和Cl⁻的双重利用，原子利用率高达95%以上，且无大量废渣排放。

学生活动：

小组合作，对比分析两种工艺，尝试构建新流程。在教师引导下，利用溶解度曲线这一关键工具，从理论上理解NH₄Cl分离的原理。体会侯氏制碱法在化学原理应用和工艺流程设计上的精妙之处。

设计意图：

采用对比分析和小组合作探究的方式，让学生主动发现侯氏制碱法的创新点，而非被动接受。溶解度曲线图是将化学原理（溶解平衡）与实际工艺操作（降温结晶、加盐）联系起来的桥梁，是突破本课时难点的关键工具。培养学生利用图表信息解决实际问题的能力。

（四）评价升华，树立观念（10分钟）

教师活动：

1.引导学生从多个维度系统对比两种制碱方法，完成表格。

对比项目

氨碱法（索尔维法）

侯氏制碱法（联合制碱法）

主要原料

NaCl、CaCO₃（石灰石）、NH₃（循环）

NaCl、NH₃、CO₂（来自合成氨厂）

核心反应

相同

相同

主要产品

Na₂CO₃

Na₂CO₃、NH₄Cl（肥料）

副产品/废弃物

CaCl₂（大量，难处理）

无大量废渣

食盐利用率

约70%

95%以上

原子经济性

较低

高

环境影响

较大

较小

工艺特点

氨循环

母液循环，联合生产

1.组织讨论：

1.2.“侯氏制碱法的‘绿色’体现在哪些方面？”

2.3.“从氨碱法到侯氏制碱法，体现了怎样的科学思想和技术发展观？”

3.4.“如果你是现代工程师，结合可持续发展理念，对纯碱生产还有哪些新的设想？”（开放性问题，如利用太阳能、开发生物固碳技术、进一步整合其他工业流程等）。

学生活动：

完成对比表格，从产品、原料利用率、环境效应等多角度进行系统评价。参与讨论，深入理解绿色化学（原子经济性、循环利用、零排放）原则，并尝试进行开放性思考。

设计意图：

通过系统对比，使学生对两种工艺的认识从零散到系统，从表面到本质。讨论环节旨在将知识学习提升到观念建构和社会责任层面，深刻理解科技创新对资源节约和环境保护的深远意义，培养学生的可持续发展观和未来视野。

（五）整合应用，巩固拓展（10分钟）

教师活动：

1.呈现一道综合性的工艺流程分析题，涉及原料预处理、核心反应、物质分离、循环利用等多个环节的分析。

2.布置课后项目式学习任务（二选一）：

1.3.任务A（模型制作）：以小组为单位，利用纸板、黏土、塑料管等材料，制作一个简易的“侯氏制碱法”工艺流程动态模型或示意图，并录制一段不超过3分钟的讲解视频。

2.4.任务B（调研报告）：调研纯碱在我国主要生产基地、近年产量及消费领域，并撰写一篇小报告，探讨在“碳中和”背景下，纯碱工业可能面临的发展机遇与挑战。

学生活动：

完成课堂练习，巩固知识。选择感兴趣的课后项目，进行深度学习和实践。

设计意图：

通过综合性题目检测学习效果，训练学生应用知识解决复杂问题的能力。课后项目提供差异化选择，将学习从课内延伸到课外，从理论学习延伸到实践创作或社会调研，满足不同兴趣和能力学生的需求，培养综合素养。

六、板书设计（两课时整合）

主板书：

海水制碱——化学智慧与绿色创新

一、氨碱法（索尔维法）

1.原料：NaCl、NH₃、CO₂（来自CaCO₃）、H₂O

2.核心反应：

NH₃+CO₂+H₂O+NaCl=NaHCO₃↓+NH₄Cl

（微观本质：NH₃·H₂O+CO₂→HCO₃⁻+NH₄⁺；Na⁺+HCO₃⁻→NaHCO₃↓）

3.产品获取：过滤→煅烧NaHCO₃→Na₂CO₃

（2NaHCO₃△Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O）

4.氨回收：2NH₄Cl+Ca(OH)₂→CaCl₂+2NH₃↑+2H₂O

5.优点：原料廉价，氨循环。

缺点：产CaCl₂废渣，NaCl利用率低（~70%）。

二、侯氏制碱法（联合制碱法）——侯德榜

1.核心思想：联合合成氨工业，变废为宝，循环利用。

2.流程：

[制碱过程]：同氨碱法核心反应→得NaHCO₃沉淀和含NH₄Cl的母液I。

[制铵过程]：母液I+NaCl细粉→降温→NH₄