初中化学九年级下册：海水制碱与纯碱工业教案

初中化学九年级下册：海水制碱与纯碱工业教案

一、教学目标

（一）化学观念与科学思维

1.宏观辨识与微观探析：通过分析海水制碱的工艺流程，能从宏观上辨识纯碱（碳酸钠）的物理性质和化学性质；能从微观角度（离子反应、化学平衡）理解氨碱法（索尔维法）和联合制碱法（侯氏制碱法）的反应原理，建立“宏-微-符”三重表征的联系。

2.变化观念与平衡思想：认识海水制碱过程中发生的化学变化（如复分解反应、分解反应）和物理变化（如溶解、结晶、过滤），理解化学变化中伴随的能量变化和物质转化。初步建立化学平衡的思想，理解条件（浓度、温度）对碳酸氢钠析出的影响。

3.证据推理与模型认知：基于实验现象和历史事实，通过推理、建模等方式，建构从原料（海水、石灰石、氨气）到产品（纯碱）的工业生产流程模型。能对氨碱法与侯氏制碱法进行对比分析，评价其优劣。

4.科学探究与创新意识：在模拟实验和流程设计中，体验科学探究的基本过程，发展发现问题、设计方案、实验操作、分析解释的能力。感悟侯德榜等科学家在技术创新中体现的科学精神与爱国情怀，激发创新意识。

（二）科学态度与责任

1.科学态度：形成严谨求实、乐于探究的科学态度，尊重实验事实和化学史实。

2.社会责任：认识化学在解决资源利用（如海水综合利用）、促进社会发展（纯碱作为重要化工原料）中的重大贡献。理解绿色化学（原子经济性、循环利用、减少污染）理念在改进化工工艺中的重要性，树立可持续发展的观念。

（三）实践应用

1.能运用复分解反应的条件、物质溶解性等知识，分析和解释海水制碱各步骤的原理。

2.能动手完成模拟“氨碱法”制取碳酸氢钠的简易实验，并正确处理实验数据与现象。

3.能绘制或解读海水制碱（氨碱法/联合制碱法）的简易工艺流程图。

二、学情分析

本课教学对象为九年级下学期学生，他们已经具备以下知识基础和能力特点：

1.知识基础：

1.2.已系统学习酸、碱、盐的基本性质及复分解反应的发生条件。

2.3.了解了氯化钠、碳酸钙、二氧化碳等常见物质的性质。

3.4.初步学习了溶解、结晶、过滤等基本实验操作。

4.5.对化学在生活中的应用有一定感性认识，但将化学知识与大规模工业生产相联系的能力尚在发展中。

6.能力与思维特点：

1.7.初步具备从微观角度解释化学反应的能力，但对于复杂的、多步骤的工业反应原理理解可能存在困难。

2.8.具有初步的探究意识和实验操作能力，但设计完整探究方案、分析复杂工业流程的能力有待提高。

3.9.对化学史和科技发展有浓厚兴趣，能够被科学家事迹所激励。

4.10.抽象思维和系统思维能力正处于快速发展期，适合引导他们建立化工生产的系统模型。

11.可能存在的学习障碍：

1.12.“碱”的日常概念（有涩味、滑腻感）与化学中“纯碱”（碳酸钠，溶液呈碱性，但本身是盐）的概念易混淆。

2.13.对工业流程中物质的循环利用、副产物的处理等“绿色化学”设计思想理解不深。

3.14.对于多步骤、连续化的工业生产过程，难以构建整体、动态的认知图景。

三、教学重难点

1.教学重点：

1.2.氨碱法（索尔维法）制纯碱的主要反应原理、工艺流程及核心化学方程式。

2.3.联合制碱法（侯氏制碱法）对氨碱法的改进及其优点（绿色化学思想体现）。

3.4.纯碱（碳酸钠）的化学性质及其与碳酸氢钠的相互转化关系。

5.教学难点：

1.6.从化学反应原理（离子反应、溶解平衡、化学平衡）角度，深入理解碳酸氢钠从溶液中优先析出的原因。

2.7.对比分析氨碱法与联合制碱法的工艺流程，理解后者在提高原子利用率、减少环境污染、实现资源综合利用方面的先进性。

3.8.建立将实验室化学反应原理放大、优化为实际工业生产流程的系统性工程思维。

四、教学准备

1.教师准备：

1.2.多媒体课件：包含视频（现代化纯碱工厂生产实景、侯德榜生平介绍）、动画（氨碱法与联合制碱法工艺流程动态演示）、高清图片（相关设备、历史照片）。

2.3.模拟实验器材（分组）：烧杯(2个)、玻璃棒、药匙、量筒、抽滤装置（含布氏漏斗、抽滤瓶、真空泵或大注射器替代）或普通漏斗和滤纸、蒸发皿、酒精灯、铁架台、坩埚钳。

3.4.模拟实验药品：饱和氯化钠溶液、浓氨水（或碳酸氢铵固体）、二氧化碳气体发生装置（大理石、稀盐酸）或通入干冰升华的CO₂、酚酞试液、pH试纸。

4.5.演示实验用品：碳酸钠、碳酸氢钠固体及溶液、稀盐酸、澄清石灰水、氯化钙溶液、试管若干。

5.6.教具：氨碱法与联合制碱法对比挂图或可拼接的流程卡片模型。

7.学生准备：预习教材相关内容，查阅纯碱在生活中的用途及侯德榜的生平事迹。

五、教学过程（三课时，共135分钟）

第一课时：情境导入·识“碱”探源

环节一：创设情境，问题激趣（预计时间：10分钟）

1.生活链接：教师展示实物或图片（面粉、馒头、玻璃、肥皂、洗涤剂等），提问：“这些看似无关的物品，有什么共同的‘化学密码’？”引导学生发现它们都与一种叫做“纯碱”（碳酸钠）的化学品有关。

2.历史追溯：播放简短视频或讲述：“在19世纪以前，纯碱主要来自植物灰或天然碱湖，产量低、价格昂贵。工业革命后，玻璃、纺织、造纸等行业急需大量纯碱，如何大规模、低成本地生产它，成为当时的世界性难题。比利时化学家索尔维，在无数次失败后，终于找到了以海盐、石灰石、氨气为原料的‘氨碱法’，开创了纯碱工业的新纪元。”

3.课题聚焦：引出核心问题：“如何从浩瀚的海水中，制取这种名为‘碱’实则属于盐的碳酸钠？这个‘魔术’背后的化学原理是什么？”从而明确本课学习主题。

环节二：初识纯碱，明晰概念（预计时间：15分钟）

1.物理性质探究：学生观察碳酸钠固体样品（白色粉末），阅读资料卡片了解其俗称（纯碱、苏打）、易溶于水、水溶液呈碱性等信息。解释“碱”的俗名来源。

2.化学性质探究（演示实验引导）：

1.3.与酸反应：向盛有少量碳酸钠粉末的试管中滴加稀盐酸，观察迅速产生大量气泡。引导学生回忆并书写化学方程式：Na₂CO₃+2HCl=2NaCl+H₂O+CO₂↑

。

2.4.与碱反应：向碳酸钠溶液中滴加澄清石灰水，观察白色沉淀。分析：实质是碳酸根离子与钙离子反应，生成碳酸钙沉淀。Na₂CO₃+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+2NaOH

。

3.5.与盐反应：向碳酸钠溶液中滴加氯化钙溶液，观察白色沉淀。Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃↓+2NaCl

。

6.归纳总结：引导学生总结碳酸钠的化学性质（属于碳酸盐、可溶性钠盐的通性），并强调其水溶液呈碱性，使其“碱”的俗名得以合理解释。对比碳酸钠与氢氧化钠（火碱），明确“盐”与“碱”的类别差异。

环节三：揭秘原理，微观探析（预计时间：20分钟）

1.核心反应猜想：教师提问：“要制取Na₂CO₃，从元素组成看，我们需要哪些原料？可以从海水中获得什么？”学生讨论得出：需要Na⁺和CO₃²⁻。Na⁺可来自海水中的NaCl，CO₃²⁻可来自含碳、氧的物质，如CO₂。

2.直接反应不可行：设问：“将CO₂通入NaCl溶液，能否得到Na₂CO₃？为什么？”引导学生运用复分解反应条件和物质溶解性知识判断：H₂CO₃酸性弱于HCl，该反应难以发生。

3.引入“媒介”——氨（NH₃）：

1.4.实验探究：学生分组进行微型实验：向一支试管中加入3mL饱和食盐水，滴入2滴酚酞，观察颜色。再向其中通入氨气（或加入少量浓氨水），观察溶液变红，证明形成了碱性环境。再持续通入CO₂气体，观察溶液逐渐变浑浊（或有晶体析出）。

2.5.原理分析：教师引导学生分步分析：

a.NH₃溶于水形成NH₃·H₂O，溶液呈碱性。

b.通入CO₂，首先发生：NH₃+H₂O+CO₂=NH₄HCO₃

（生成碳酸氢铵）。

c.此时溶液中存在大量Na⁺、Cl⁻、NH₄⁺、HCO₃⁻。教师引导学生查阅溶解度表（20℃）：NaHCO₃:9.6g，NH₄HCO₃:21.7g，NH₄Cl:37.2g，NaCl:36.0g。提问：“哪种物质可能最先达到饱和而析出？”引导学生发现NaHCO₃溶解度最小。

d.因此发生反应：NaCl+NH₄HCO₃=NaHCO₃↓+NH₄Cl

。

3.6.动画模拟：播放微观粒子动画，动态展示Na⁺、HCO₃⁻结合成NaHCO₃晶体析出的过程，强化理解。

7.从NaHCO₃到Na₂CO₃：展示碳酸氢钠固体受热分解的实验或视频：2NaHCO₃=Δ=Na₂CO₃+H₂O+CO₂↑

。引导学生思考CO₂的回收利用。

（第一课时结束）

第二课时：模拟实践·工艺初建

环节四：实验模拟，体验“制碱”（预计时间：25分钟）

1.明确任务：各小组利用提供的饱和NaCl溶液、浓氨水（或NH₄HCO₃固体）、CO₂源（干冰或发生器），模拟制取碳酸氢钠晶体。

2.方案设计与实施：

1.3.方案一（使用浓氨水和CO₂气体）：向饱和食盐水中加入适量浓氨水，制成氨盐水。在低温下（可用冷水冷却烧杯）缓慢通入足量CO₂气体，观察现象。

2.4.方案二（使用碳酸氢铵固体）：向饱和食盐水中加入过量碳酸氢铵固体，搅拌，观察在较低温度下的结晶情况。

5.观察记录：学生记录溶液温度变化、是否出现浑浊、晶体析出的量及状态。

6.分离与检验：指导学生使用抽滤装置（或常压过滤）分离出晶体。用少量水洗涤晶体，并取少量晶体于试管中，滴加稀盐酸，检验产生的气体（通入澄清石灰水变浑浊），初步确认产物为碳酸氢盐。

7.反思与讨论：

1.8.为什么强调“低温”？（降低NaHCO₃溶解度，促进析出；防止NH₃和CO₂逸出，防止NH₄HCO₃分解）。

2.9.实验中所用的“氨”起到了什么关键作用？（“媒介”或“载体”，将CO₂以HCO₃⁻形式引入体系，并创造碱性环境吸收更多CO₂）。

3.10.我们得到的NaHCO₃如何变成目标产品Na₂CO₃？（加热煅烧）

环节五：构建模型，初识“氨碱”（预计时间：20分钟）

1.从实验室到工厂：教师引导：“我们刚刚在烧杯中完成了关键一步。但要实现大规模工业生产，还需要解决原料来源、能量供应、设备放大、物质循环、成本控制等一系列问题。”

2.分步解析氨碱法（索尔维法）流程：

1.3.原料准备：海水晒盐得NaCl；煅烧石灰石（CaCO₃=高温=CaO+CO₂）得CO₂和生石灰（CaO）。

2.4.氨盐水制备：将NH₃通入饱和食盐水中。追问：NH₃从何而来？（合成氨工业或上一循环回收）

3.5.碳化：向氨盐水中通入CO₂，生成NaHCO₃悬浮液。

4.6.过滤：分离出NaHCO₃晶体。

5.7.煅烧：NaHCO₃煅烧得纯碱产品Na₂CO₃，并回收CO₂循环使用。

6.8.氨的回收：将过滤母液（含NH₄Cl）与生石灰CaO混合：2NH₄Cl+Ca(OH)₂=Δ=CaCl₂+2NH₃↑+2H₂O

。回收的NH₃循环使用。

9.学生活动——拼图建模：小组利用流程卡片，在黑板上或桌面上拼接出完整的氨碱法工艺流程图。教师展示标准工业流程图，进行比对修正。

10.初步评价：引导学生讨论氨碱法的优点（原料廉价易得、连续生产、部分物质循环）和存在的缺点（母液中CaCl₂用途不大、排放造成环境污染、NaCl利用率仅约70%）。

（第二课时结束）

第三课时：对比升华·创新传承

环节六：深度对比，感悟“侯氏”创新（预计时间：25分钟）

1.引出新挑战：教师展示资料：“20世纪初，我国纯碱依赖进口，被外国公司垄断。爱国实业家范旭东和化学家侯德榜立志破解技术壁垒。但索尔维集团对技术严密封锁。侯德榜在极其困难的条件下，成功掌握了氨碱法并生产出优质纯碱。然而，他并未止步，而是看到了氨碱法的固有缺陷。”

2.问题驱动：“氨碱法最大的‘痛点’是什么？”引导学生聚焦于母液中NH₄Cl的处理和NaCl的利用率问题。

3.探究“侯氏制碱法”（联合制碱法）的原理：

1.4.核心突破：教师提出关键问题：“能否让NH₄Cl也成为有价值的产品，同时提高NaCl的利用率？”

2.5.原理探究：引导学生分析不同温度下NaCl、NH₄Cl、NaHCO₃、NH₄HCO₃的溶解度变化。特别指出：在低温下，NH₄Cl的溶解度显著大于NaCl。

3.6.流程揭秘：播放动画或利用流程挂图，解析联合制碱法的两大循环：

a.制碱循环：与氨碱法前半段基本相同（NH₃+NaCl+CO₂+H₂O→NaHCO₃↓+NH₄Cl）。

b.制铵循环：将含有NH₄Cl的母液降温，并加入细粉状的NaCl固体。由于低温下NH₄Cl溶解度减小、NaCl溶解度变化不大，NH₄Cl会结晶析出，而NaCl则溶解补充到溶液中。过滤得到NH₄Cl产品（化肥）。

4.7.对比分析：组织学生小组讨论，从原料、产品、原子利用率、环境污染、能源消耗等角度，完成氨碱法与联合制碱法的对比表格。

对比项目

氨碱法（索尔维法）

联合制碱法（侯氏制碱法）

主要原料

NaCl、CaCO₃、NH₃（循环）

NaCl、NH₃、CO₂（来自合成氨）

主要产品

Na₂CO₃

Na₂CO₃和NH₄Cl

副产品/废料

大量CaCl₂（用途有限）

无固体废料，母液循环

NaCl利用率

~70%

~96%以上

NH₃的循环

需通过CaO回收，有损耗

在系统内循环，损耗小

原子经济性

较低

高（实现了Na、Cl、N、H、C、O的充分利用）

环境影响

产生CaCl₂废渣废液

基本实现“零排放”，更环保

工艺特点

两产品分离，流程相对独立

纯碱与化肥联合生产，高度集成

1.感悟精神：结合侯德榜先生“宁可丢掉饭碗，也绝不泄露机密”和将技术公之于众、撰写《纯碱制造》专著的事迹，引导学生感悟其爱国情怀、科学精神与开放共享的格局。

环节七：整合应用，拓展延伸（预计时间：15分钟）

1.纯碱用途再认识：学生列举纯碱用途（玻璃、肥皂、造纸、纺织、水处理、食品等），教师补充其在新能源（锂电材料前驱体）、环保（烟气脱硫）等新兴领域的应用，感受其“化工之母”的地位。

2.绿色化学理念升华：以侯氏制碱法为例，总结绿色化学的核心原则在本工艺中的体现：原子经济性（高利用率）、充分利用资源（无废排放）、使用安全试剂（氨、二氧化碳相对安全）、能源节约（低温析铵、热能综合利用）。

3.流程设计挑战（可选，作为课堂延伸或课后思考）：提供新情境“某沿海地区拥有丰富的海水、风能、太阳能资源，计划建设一座现代化纯碱工厂，请结合绿色化学和可持续发展理念，提出你的初步设计构想”，激发学生创新思维。

环节八：总结反思，建构体系（预计时间：5分钟）

引导学生以思维导图形式，从“原料（海水中来）→原理（复分解与平衡）→工艺（氨碱与侯氏）→产品（纯碱与化肥）→价值（工业之基与绿色未来）”这条主线，自主建构关于“海水制碱”的知识、方法与价值体系。

六、板书设计（提纲式与流程式结合）

主标题：海水制“碱”——纯碱的制备与工业智慧

一、识“碱”：碳酸钠（Na₂CO₃）

1.俗名：纯碱、苏打（水溶液呈碱性）

2.性质：（化学方程式略）

1.3.与酸反应→CO₂

2.4.与某些碱（Ca(OH)₂）反应→沉淀

3.5.与某些盐（CaCl₂）反应→沉淀

二、制“碱”原理（微观核心）

1.媒介：NH₃(aq)→NH₃·H₂O(碱性，吸收CO₂)

2.关键反应：NH₃+H₂O+CO₂=NH₄HCO₃

3.析晶反应：NaCl+NH₄HCO₃=NaHCO₃↓+NH₄Cl（低温，利用溶解度差异）

4.转化反应：2NaHCO₃=Δ=Na₂CO₃+H₂O↑+CO₂↑

三、两种工业流程对比

氨碱法（索尔维）：

NaCl+NH₃+CO₂+H₂O→NaHCO₃↓+NH₄Cl

↑↓（加CaO）

循环NH₃CaCl₂(废)

(来自回收)

2NaHCO₃→Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O↑

(产品)(循环)

联合制碱法（侯德榜）：

制碱循环制铵循环

NaCl+NH₃+CO₂+H₂O→NaHCO₃↓+NH₄Cl(母液)

↑↓(过滤)↓(降温，加NaCl粉)

循环NaHCO₃→Na₂CO₃NH₄Cl↓(产品)

(来自合成氨)(产品)(过滤，得化肥)

四、核心思想

1.科学原理：溶解平衡、复分解反应

2.技术思想：循环利用、条件控制

3.价值理念：绿色化学、爱国创新

七、作业设计（分层、实践、开放性）

1.基础巩固题（必做）：

1.2.写出氨碱法和联合制碱法制取纯碱过程中涉及的所有主要化学方程式，并注明反应条件。

2.3.解释为什么向饱和氨盐水中通入二氧化碳，析出的是碳酸氢钠而不是碳酸铵。

4.实践应用题（必做）：

1.5.绘制联合制碱法的工艺流