——以铜和稀硫酸为原料制取硫酸铜晶体为例

  摘 要：工艺流程图题是一种重要的中考题型，由于缺乏具体的章节内容可供学习，已成广大教师教学的一大障碍。笔者尝试以铜与硫酸铜的转化为载体开展的“工艺流程图题”教学创新设计和反思为范本，旨为广大教师教学提供借鉴模式和实践参考。
　　关键词：核心素养；工艺流程；创新设计
　　1 、教材、学情分析和问题提出
　　1.1教材分析：笔者查阅了九年级化学各版本教科书，均无具体的关于工艺流程题的章节内容。但部分中考试卷中都有工艺流程图题。这是因为工艺流程图题能很好地把化学基础理论知识和工业实际操作结合起来，落实化学“科学态度和社会责任”的学科素养。 
　　1.2学情分析：九年级的学生具有一定的基础知识和理论。但缺乏具体的工业生产的实际经验，在解题时常常出现思路不明确、答题不完整、表述不准确等现象。
　　1.3问题提出：由于工艺流程图题在各版本教材中缺乏具体章节内容可供参考，这给教学带来一定的困难。怎样设计“工艺流程题”教案，进行课堂教学，已成为急需解决的问题。
　　2 、教学目标
　　2.1 通过对硫酸铜制备方法的探究，了解原料选择和核心反应原理确定的一般原则，形成工艺流程的一般结构，建构物质制备类工艺流程的方法模型。
　　2.2 通过制备硫酸铜，培养学生建构工艺流程知识体系的能力。
　　3 、教学重难点
　　3.1 重点：应用化学所学知识确定制备硫酸铜的核心反应
　　3.2 难点：构建工艺流程题的模型。
　　4、 教学方法：问题诱导法、讲授法。
　　5、 教学过程
　　5.1 [问题驱动，了解硫酸铜晶体]：
　　[教师]同学们对硫酸铜有什么了解呢？
　　[学生]硫酸铜溶液是蓝色的，可用来配置波尔多液等等。
　　[教师]下面我们再来看看硫酸铜还有哪些性质和用途。
　　播放视频《硫酸铜的自我介绍》。
　　[教师]硫酸铜用途广泛，如何制备硫酸铜呢？我们先来复习一下实验室制备气体的一般过程。
　　[学生]选择药品（确定原理）、确定装置、制取和收集气体。
　　[教师]固体物质的制备思路与气体物质的制备思路相似。
　　[教师]物质制备的思路：如图1





　图1物质制备的思路

　　设计意图：创设真实的情景，使学生从已掌握的知识储备中将理论与实际联系起来，建构知识。
　　5.2 [选择原料]
　　[教师]制取氧气要挑选含有氧元素的物质来制取，那么制备硫酸铜应该挑选含有铜元素的物质来制备。哪些物质含有铜元素？
　　[学生]铜、氧化铜、氢氧化铜、铜绿等
　　[教师]这些物质都适合作原料吗？看表1。

表1：含铜物质的价格对比表








　　由此可见，这些物质的单价较高，从成本的角度来看，这些物质都不适用于工业上制备硫酸铜。实际生产中往往会选择铜矿石或含铜废料来制备硫酸铜。以含铜废料来制备硫酸铜，这不仅降低了成本，还节约资源。 
　　设计意图：通过比较物质的价格，让学生了解生产成本因素，体现“科学态度与社会责任”的核心理念。
　　5.3 [原料预处理]
　　[教师]铜废料中杂质较多，以含杂质铁为例，如何除去含铜废料中的铁？请同学们利用已学的知识设计方案。
　　[学生]用磁铁吸引、稀盐酸或稀硫酸、氯化铜溶液等等
　　[教师]预处理方法的选择不能局限于某一种。
　　设计意图：通过除杂方案的选择，了解除杂的一般原则，复习金属的部分物理和化学性质。
　　5.4 [确定核心反应]
　　[教师]对原材料进行预处理后确定核心反应，如何将铜转化为硫酸铜呢？直接将铜加入稀硫酸中可以吗？
　　[学生]根据金属活动性顺序，铜和稀硫酸不发生反应。
　　[教师]那么铜和浓硫酸呢？
　　出示资料：铜和浓硫酸反应的相关信息。
　　这个是最直接的制备方法。其反应方程式为
　　Cu＋2H2SO4（浓）=CuSO4＋2H2O＋SO2↑。
　　随着反应的发生，硫酸浓度的降低，氧化能力变弱，会有其他副产物生成。同时这反应中一部分硫酸转化为SO2，降低了原子的利用率，也产生了有害气体，污染环境，没有体现绿色化学的理念。因此这个方法并不适合制备硫酸铜。
　　[学生]将Cu转变为Cu0后再与稀硫酸反应。反应过程：在空气存在的情况下加热金属铜，发生反应2Cu+02\s\up7（△（△）2Cu0.
　　然后，让Cu0与硫酸反应，CuO+H2S04=CuSO4+H2O.
　　[教师]这个方法提高了硫酸的利用率，也没有SO2的排放问题。但是在实际生产中铜很难被氧化，它的转化率不高，同时能耗较大，所以这个方法也不是一种理想的方法。 
　　[教师]在通常的情况下，铜与稀硫酸是不发生反应的。
　　若有氧气，则？可发生反应：2Cu+2H2S04+02 =2CuS04+2H20. 提高温度时，反应速度更加显著。且成本低，操作简单，是最佳方案。
　　设计意图：从成本、产率、环保、安全等角度分析各个方法的优劣，层层推进深入，得出工艺流程核心反应的最佳制备方案。落实化学“科学态度与社会责任”的核心理念。
　　5.5[分离和提纯]
　　[教师]制得了硫酸铜溶液，如何转为硫酸铜晶体呢？
　　展示硫酸铜的溶解度曲线：图2






图2：硫酸铜的溶解度曲线
　　根据曲线可知，硫酸铜的结晶方法应是降温结晶。下面以含铜废料（杂质是铁）为原料，制取硫酸铜晶体，请你画出流程图：
　　投影学生画的流程，图3：





图3：学生画的流程图

　　设计意图：通过理论和实际操作分析，得出工艺流程图题的结构和组成，旨在让学生明白工艺流程图题产生的背景。体现“证据推理和模型认知”的科学素养。
　　6 、教学反思
　　6.1问题驱动，引领教学
　　课堂教学有一条主线引领，围绕“制取硫酸铜”这一核心问题，设计几个模块，使学生处于学习求知的亢奋状态，在问题驱动下有效达成教学目标。
　　6.2低碳设计，加强环保
　　工艺流程有多种设计，应低碳环保。以落实“科学态度与社会责任”科学素养。
　　参考文献：
　　[1]彭丹  白建娥[J].核心素养下基于文献的化工流程试题命制 中学化学教学参考，2021（1）
　　[2]成素萍  王青岗[J].化学工艺流程题命题分析与备考策略  中学化学教学参考，2021（1）
　　[3]彭志伟  [J].基于学科核心素养发展的主题式教学中学化学教学参考，2021（2）
　　※ 本文系普通高中化学学科安徽教研基地承担的教育部基础教育课程教材发展中心、课程教材研究所2019年立项课题《中考化学学科命题评估研究{2019（25）}》 ；安徽省教育科学研究项目2020年立项课题《中考化学工艺流程题评估实践的研究（项目编号：HX202025）》研究成果。

• 【发布时间】2022/3/22 21:07:56
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