駱燕波 王建軍

摘要：將純堿工業(yè)發(fā)展史的幾個(gè)不同階段的原理及方法進(jìn)行對(duì)比、歸納，挖掘其中蘊(yùn)含的科學(xué)與人文內(nèi)涵，從化工發(fā)展史的角度進(jìn)行純堿工業(yè)的教學(xué)設(shè)計(jì)，加深學(xué)生對(duì)純堿工業(yè)的理解及其重要性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)技術(shù)觀念與創(chuàng)造精神，發(fā)展化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：純堿工業(yè)；化工發(fā)展史；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1008-0546（2023）12-0055-05 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.012

一、化工生產(chǎn)原理的演變歷程蘊(yùn)含豐富的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)教育素材

基礎(chǔ)化工業(yè)的化工產(chǎn)品，是化學(xué)工業(yè)進(jìn)一步制造、合成各種產(chǎn)品、材料的根基，如無(wú)機(jī)化工生產(chǎn)中的“三酸兩堿”、合成氨、電石、氯氣、焦炭等；有機(jī)化工生產(chǎn)中的塑料、化學(xué)纖維、農(nóng)藥、日用化學(xué)品等?；A(chǔ)化工業(yè)隨著歷史的發(fā)展形成了非常系統(tǒng)的行業(yè)分類和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的比重。近年來(lái)，隨著國(guó)際地緣政治、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的變化，基礎(chǔ)化工作為工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的價(jià)值再次受到關(guān)注重視。

基礎(chǔ)化工品的生產(chǎn)原理和方法，是化學(xué)科學(xué)最基本原理的運(yùn)用，容易被高中生理解和接受，這些原理和方法在社會(huì)發(fā)展的不同階段更新演變，蘊(yùn)含豐富的人文、學(xué)科知識(shí)和技術(shù)思想。如硫酸工業(yè)中硫酸的工業(yè)制備方法經(jīng)歷了熱分解法、硝化法和接觸法三個(gè)重要階段；氯堿工業(yè)經(jīng)歷了苛化法、立式電解槽法、離子交換膜法三個(gè)階段。這些基礎(chǔ)化工品生產(chǎn)原理的演變進(jìn)程中，大量化學(xué)反應(yīng)原理發(fā)生更迭，很多技術(shù)和工藝出現(xiàn)了變革，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)在這些化工實(shí)際應(yīng)用變革中有著生動(dòng)的體現(xiàn)。在這些生產(chǎn)工藝革新的過(guò)程中，科學(xué)家和技術(shù)人員表現(xiàn)的科學(xué)探究精神、創(chuàng)新意識(shí)，是化學(xué)學(xué)科教學(xué)中最好的精神教育和價(jià)值教育素材，它更貼近生活、貼近生產(chǎn)，是生產(chǎn)中的化學(xué)史教育，易于在教學(xué)中整合、實(shí)施，被學(xué)生理解和接受。

二、純堿工業(yè)教材內(nèi)容分析及教學(xué)設(shè)計(jì)構(gòu)思

純堿的生產(chǎn)水平是近代衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的標(biāo)志之一，因?yàn)榧儔A是最基礎(chǔ)的化工原料，廣泛應(yīng)用于玻璃、冶金、食品、醫(yī)藥等制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)，近年來(lái)隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中用到的原材料碳酸鋰的提純需要大量使用純堿，使純堿的產(chǎn)量需求又有了新的提高。

我國(guó)是純堿的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，自2003年以來(lái)我國(guó)的純堿產(chǎn)量一直位列世界第一，體現(xiàn)了我們國(guó)家作為制造業(yè)大國(guó)的特征。純堿制法是中學(xué)化學(xué)最重要的化工學(xué)習(xí)內(nèi)容之一，現(xiàn)行人教版教材作為重要教學(xué)內(nèi)容在兩處出現(xiàn)。第一次是出現(xiàn)在必修第一冊(cè)的“研究與實(shí)踐”欄目，明確給出了“了解純堿生產(chǎn)歷史”的主題，提出了具體研究目的、研究任務(wù)和討論要求。其中“研究任務(wù)”一欄要求了解路布蘭法、索爾維法、侯氏聯(lián)合制堿法的原理，要求比較后一種制堿法相比前一種的優(yōu)勢(shì)，思考侯氏制堿法的意義。第二次是出現(xiàn)在選修課程系列1“實(shí)驗(yàn)化學(xué)”的第3個(gè)主題“化工生產(chǎn)過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)”部分，純堿的制備在提供的參考實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，作為第一個(gè)化工生產(chǎn)研究對(duì)象出現(xiàn)。

純堿生產(chǎn)方法的歷史主要三個(gè)階段，特征顯著，脈絡(luò)清晰，在教學(xué)中易于整合，其中包含了很多技術(shù)原理及技術(shù)思想，侯氏制堿法在化學(xué)史的教學(xué)中更有著其突出的地位?；诩儔A工業(yè)在教材和工業(yè)生產(chǎn)中的特殊地位，也是結(jié)合現(xiàn)行普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，“結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念”。合理地在教學(xué)中將純堿工業(yè)的化工發(fā)展史加以糅合，可以更深入地使學(xué)生了解學(xué)科知識(shí)、科學(xué)方法，培養(yǎng)技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)造精神，在教學(xué)中融入科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任的教育，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)習(xí)更高層次的價(jià)值追求。

三、基于化工發(fā)展史的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施——純堿工業(yè)

1.課前閱讀材料準(zhǔn)備

以“你所不知道的純堿工業(yè)發(fā)展史”為題準(zhǔn)備一份閱讀材料。以三位著名學(xué)者的人名命名的三個(gè)重要純堿化工生產(chǎn)方法，代表了純堿生產(chǎn)的三個(gè)不同歷史階段，初中階段學(xué)生對(duì)我國(guó)科學(xué)家侯德榜有所了解，但路布蘭和索爾維這兩位科學(xué)家對(duì)純堿制造的貢獻(xiàn)，學(xué)生知之甚少，特別是三位科學(xué)家的人生歷史，有很好的教育意義和可讀價(jià)值。這份資料從三位科學(xué)家的生平、學(xué)習(xí)經(jīng)歷、研究制堿歷程等幾個(gè)主要方面編寫，從文史角度突出可讀性和趣味性，相對(duì)詳細(xì)，讓學(xué)生課前閱讀，通過(guò)生動(dòng)的歷史素材，激發(fā)學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)熱情，為提升知識(shí)認(rèn)知和情感認(rèn)知留下伏筆。

2.教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

從純堿工業(yè)發(fā)展史的角度學(xué)習(xí)純堿的制備，重點(diǎn)在于把握制堿原理，通過(guò)對(duì)三個(gè)歷史不同階段的原理的認(rèn)識(shí)，找到各自的優(yōu)缺點(diǎn)。難點(diǎn)在于如何將三個(gè)不同階段的制堿方法的歷史沿革原因鮮活地加以呈現(xiàn)，使學(xué)生在真實(shí)的歷史背景下深刻理解化學(xué)原理的應(yīng)用、變化和發(fā)展，深入感知化學(xué)科學(xué)和社會(huì)、環(huán)境之間的關(guān)系。

3.教學(xué)過(guò)程

【引入】純堿在我國(guó)有悠久的使用歷史，最早期利用的大多是天然堿，利用的主要成分就是碳酸鈉?！侗静菥V目》中曾記載古人以天然堿“浣衣發(fā)面”。但隨著人口增長(zhǎng)和近代紡織、玻璃、造紙工業(yè)發(fā)展的需要，純堿的需求量大幅增長(zhǎng)，而天然堿質(zhì)低量少，已遠(yuǎn)不能滿足需要，進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)勢(shì)在必行。

路布蘭是一名法國(guó)醫(yī)生，他發(fā)明的路布蘭制堿法是較早的用于大規(guī)模生產(chǎn)純堿的方法之一，大家可參閱課前閱讀資料，了解歷史背景。

【投影】路布蘭制堿法的主要反應(yīng)原理。

【設(shè)問(wèn)】根據(jù)反應(yīng)原理，請(qǐng)同學(xué)們觀察思考反應(yīng)的特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)面臨哪些困難和問(wèn)題？

【引導(dǎo)學(xué)生討論得出】路布蘭制堿法的主要缺點(diǎn)：

（1）反應(yīng)都需在較高溫度下進(jìn)行，能耗高；

（2）反應(yīng)多涉及固相反應(yīng)，難充分反應(yīng)和連續(xù)生產(chǎn)，原料利用率低，產(chǎn)品分離較復(fù)雜；

（3）過(guò)程中用到濃硫酸，成本高，設(shè)備腐蝕和污染嚴(yán)重，有廢棄物。

【總結(jié)】客觀評(píng)價(jià)路布蘭制堿法：從現(xiàn)在的角度來(lái)看有很多不足，但在當(dāng)時(shí)作為主流制堿法，很大程度上提高了制堿的效率和產(chǎn)量，存在了近一個(gè)世紀(jì)，在當(dāng)時(shí)有著它的合理和獨(dú)到之處。

【過(guò)渡】19世紀(jì)中期，隨著煤化工的發(fā)展，在煉焦的尾氣中獲取了較多的氨氣，有企業(yè)家發(fā)現(xiàn)溶有氨氣的飽和食鹽水通入二氧化碳后能產(chǎn)生沉淀碳酸氫鈉。

【解決問(wèn)題】給出氯化鈉、氯化銨、碳酸氫銨、碳酸氫鈉溶解度（如表1所示），提出問(wèn)題進(jìn)行分析：

①為什么在氯化鈉的飽和溶液中通入氨氣和二氧化碳能析出碳酸氫鈉？

②已知20℃氯化鈉和碳酸氫銨飽和溶液的密度分別為1.20 g · mL-1、1.10 g · mL-1，試分析，若用兩種飽和溶液混合產(chǎn)生碳酸氫鈉沉淀最多，兩種溶液的最佳體積比約為多少？（分析討論計(jì)算方法，約12∶5）。

【思考】最早發(fā)現(xiàn)這一原理的企業(yè)試圖用于工業(yè)生產(chǎn)都失敗了。讓同學(xué)們思考當(dāng)時(shí)工業(yè)生產(chǎn)失敗的可能原因。

【討論后總結(jié)】列舉幾個(gè)失敗的主要原因：19世紀(jì)初，化學(xué)科學(xué)尚處于發(fā)展的初級(jí)階段，缺少必要的理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)分析依據(jù)；CO2通入飽和食鹽水的氨溶液中，會(huì)使氨氣大量揮發(fā)，導(dǎo)致碳酸氫鈉產(chǎn)率很低，工藝上缺乏支持；當(dāng)時(shí)路布蘭制堿法作為主流技術(shù)，已非常成熟，沒(méi)人愿意做吃力不討好的事，不敢改變，難以創(chuàng)新。

【過(guò)渡】這時(shí)候，被歷史賦予使命的索爾維來(lái)了，引出索爾維的制堿故事（如圖1所示）。

【討論后總結(jié)】介紹索爾維通過(guò)不斷努力將氨堿法從理論終于走向工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程。展示索爾維塔（見(jiàn)圖2）的技術(shù)原理。強(qiáng)調(diào)化學(xué)原理的應(yīng)用必須要有一定的工藝技術(shù)支撐，否則，再好的理論也會(huì)沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值，只能停留在紙面上。

【講述】圖3是索爾維法的簡(jiǎn)易流程圖。大家根據(jù)該圖思考索爾維法涉及的化學(xué)反應(yīng)，并與路布蘭法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較。

【總結(jié)】相比路布蘭法，索爾維制堿法的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）避免了較多的高溫反應(yīng)，降低了能耗；

（2）氨氣、二氧化碳可循環(huán)使用，大大節(jié)約了成本。

（3）缺點(diǎn)是氯化鈉會(huì)浪費(fèi)，原料利用率不高，仍有廢棄物產(chǎn)生。

【講述】索爾維法制造的純堿質(zhì)量好，價(jià)格低，很快取代了路布蘭制堿法，占據(jù)了全球的大部分純堿市場(chǎng)，包括當(dāng)時(shí)正努力發(fā)展工業(yè)社會(huì)制造的中國(guó)，純堿在當(dāng)時(shí)被稱作“洋堿”，進(jìn)口比例最高時(shí)占了我國(guó)純堿市場(chǎng)的80%。資本為了獲得更大的商業(yè)利潤(rùn)，一直對(duì)制堿法的工藝給予嚴(yán)格保密。大家可參閱下發(fā)的閱讀材料。

【過(guò)渡】在20世紀(jì)初復(fù)雜的國(guó)內(nèi)、國(guó)際環(huán)境下，當(dāng)時(shí)的愛(ài)國(guó)實(shí)業(yè)家范旭東聯(lián)合侯德榜在天津成立了永利制堿公司，艱苦創(chuàng)業(yè)，終于克服了工藝上的困難，破解了索爾維法，1926年6月成功生產(chǎn)出了中國(guó)自己的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的純堿，很快將進(jìn)口堿的比例縮小到不到40%，并出口到了日本。1928年侯德榜將近年潛心研制的制堿方法和技術(shù)，用英文寫成了《Manufacture of Soda》巨著，公布于世，贏得了國(guó)際社會(huì)的廣泛贊譽(yù)。

但真正的侯氏制堿法此刻還沒(méi)到來(lái)，有誰(shuí)從之前發(fā)放的閱讀資料里讀到了，是什么主要原因讓侯德榜重新研究，探索出了最終的聯(lián)合制堿法？

【講述】侯氏制堿法是由于當(dāng)年的抗日戰(zhàn)爭(zhēng)，迫使永利制堿廠遷到了四川，而內(nèi)地缺少食鹽且價(jià)貴，索爾維法制堿法中食鹽利用率又不高，促使當(dāng)時(shí)侯德榜決心改進(jìn)索爾維法。他先后一共做了500多次實(shí)驗(yàn)，分析了2000多個(gè)樣品，才摸清了新方法的工藝條件。

【投影】展示聯(lián)合制堿法流程圖（圖4），讓學(xué)生與索爾維法進(jìn)行對(duì)比。

【設(shè)置問(wèn)題】

（1）索法和聯(lián)合制堿法兩種制法的共同點(diǎn)是什么？（本質(zhì)上都是氨堿法）。

（2）兩種制法的原料和產(chǎn)品有哪些區(qū)別？主要由什么因素決定的？（主要在氨氣的需求量上不同，其次是索法需要石灰石作為原料，而侯氏法不需要）。

（3）侯氏制堿法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)有哪些？

【討論后總結(jié)】侯氏制堿法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。

（1）將原材料N2、水、煤（轉(zhuǎn)化為水煤氣，為氨廠供氫氣，為堿廠供 CO2）、食鹽中所有元素均轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品Na2CO3和 NH4Cl，原子利用率極大提高（理論上是100%）；

（2）不必再用石灰石提供熟石灰，省去了石灰窯等輔助設(shè)備的投入；

（3）與合成氨廠巧妙聯(lián)合生產(chǎn)副產(chǎn)品氯化銨，制堿不再產(chǎn)生廢液、廢渣（CaCl2），同時(shí)也使合成氨的廢氣二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸鈉，減少了排放。

【過(guò)渡】純堿工業(yè)發(fā)展的三個(gè)歷史時(shí)期以發(fā)明人名命名，凸顯了三位科學(xué)家對(duì)人類社會(huì)發(fā)展做出的重要貢獻(xiàn)，三種制堿方法的對(duì)比如表2所示。

【投影介紹】當(dāng)前純堿的主要應(yīng)用和不同地域純堿制備的主要路徑，客觀分析不同國(guó)家和地區(qū)選擇不同方法的原因（如圖5所示）。

（1）2003年以來(lái)我國(guó)的純堿產(chǎn)量至今一直位于世界第一，除自給外還有部分對(duì)外出口，早已告別了那個(gè)“洋堿”的年代。

（2）純堿的制法目前主要有天然堿法、氨堿法、聯(lián)堿法三種，2021年全球制堿三種方法的產(chǎn)量占比分別為35%、45%、20%。我們國(guó)家的比例是5%、49%、45%（見(jiàn)圖6）。

（3）純堿的消耗主要是玻璃、食品、醫(yī)藥、紡織等幾個(gè)主要行業(yè)，近年來(lái)光伏行業(yè)對(duì)玻璃的需求量大幅提升，電池行業(yè)提純碳酸鋰也要大量使用純堿。

【布置作業(yè)】

（1）查閱資料，編寫一份我國(guó)純堿目前產(chǎn)能現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的調(diào)查報(bào)告。

（2）查閱資料，分析天然堿法制純堿的分離原理和市場(chǎng)情況。

四、教學(xué)反思

基于純堿化工發(fā)展史的教學(xué)設(shè)計(jì)，將涉及反應(yīng)原理和流程方法在具體的歷史生產(chǎn)背景下去解讀，在真實(shí)的化工生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行綜合考慮和分析，可以使化學(xué)知識(shí)顯得更為生動(dòng)，學(xué)生能更好地理解與資源、能源與環(huán)境等可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的問(wèn)題在化學(xué)中的具體應(yīng)用，理解化學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境之間的相互關(guān)系，認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)社會(huì)的重大貢獻(xiàn)。

純堿的化工發(fā)展史涉及較多的歷史材料和文字?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)施教學(xué)時(shí)要在課前做好充分整合，以便在課堂上呈現(xiàn)時(shí)提高效率、展開(kāi)討論。本設(shè)計(jì)力圖較翔實(shí)地對(duì)一些細(xì)節(jié)加以呈現(xiàn)，既是為了展示科學(xué)研究的真實(shí)性和復(fù)雜性，也是為了展示科學(xué)發(fā)展的故事性和趣味性，讓學(xué)生感受科學(xué)并不枯燥，站得更近、看得更清、學(xué)得更有趣。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］陳歆文.中國(guó)近代化學(xué)工業(yè)史［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］劉懷樂(lè).對(duì)“侯氏制堿法”史料的補(bǔ)充及研究［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2011（9）：36-38.

［4］楊暉馮昱祺.純堿，煥發(fā)新生，行業(yè)景氣持續(xù)上行［N］.華創(chuàng)證券，2022-06-04.