基于“绿色化学”理念的内容结构化教学设计与实践

摘要： 内容的结构化是促进学生从化学学科知识向化学学科素养转化的关键。“绿色化学”具有丰富的内涵，能贯穿化工生产的全过程。以“工业制硫酸”为例，基于“绿色化学”理念开展内容结构化教学的设计与实践：基于知识关联的结构化，分析讨论“工业制硫酸”的生产原理、生产条件、能量利用、三废治理、原料评价等；概括化工生产的基本思路，开展基于认识思路的结构化；不断建构、完善、应用“绿色化学”的核心观念，提升核心观念的结构化水平；基于案例实践经验，形成高中化学内容结构化的“教”“学”设计思路。

关键词： 高中化学； 内容结构化； 绿色化学； 工业制硫酸

文章编号： 10056629（2023）11004908 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

结构化是按照对象内部要素的逻辑关系，进行连接、组合形成结构的过程，重在对事物内部基本结构进行探索，认识各要素之间的基本关系，探索内在基本规律［1］。《高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）中先后共出现了29次与“结构化”相关的表述，指出：内容的结构化是促进学生从化学学科知识向化学学科素养转化的关键，主要有基于知识关联、认识思路、核心观念三种结构化形式，教师在组织教学内容时应高度重视化学知识的结构化设计，充分认识知识结构化对于学生化学学科核心素养发展的重要性，尤其是应有目的、有计划地进行“认识思路”和“核心观念”的结构化设计，逐步提升学生的结构化水平，发展化学学科核心素养［2］。

教育部2022年10月26日印发《绿色低碳发展国民教育体系建设实施方案》，要求基础教育阶段要培养践行绿色低碳理念、适应绿色低碳社会、引领绿色低碳发展的新一代青少年。“绿色化学”是在全球资源日益短缺和环境日趋恶化背景下提出的新理念，Anastas和Warner于1998年提出了“绿色化学”十二条原则，并为国际化学界所公认［3］。蒋叶涛等将这十二条原则分为三块：总体原则（防污优先、原子经济、绿色合成、安全意识），用料原则（原料无毒无害、可再生，产品无毒无害、可降解），过程原则（少用助剂、少衍生化、条件温和、催化高效）［4］。课程标准中共有15处出现了“绿色化学”，其中有8处与化工生产有关。“绿色化学”已成为化工生产领域的共识，是化工生产单元教学的核心观念。

硫酸是最重要的化工产品之一，我国最早的硫酸厂可追溯到1876年投产的天津机器局［5］，硫酸工业目前仍在不断发展中。高中阶段“工业制硫酸”的教学内容既是“非金属及其化合物的性质与应用”的情境素材，又是“运用反应速率和化学平衡原理综合调控化学反应”的真实案例，在帮助学生建立知识结构化、认识思路结构化和核心观念结构化方面大有可为。鉴于此，研究尝试以沪科版必修第二册“工业制硫酸”为例，开展基于“绿色化学”理念的内容结构化的教学设计与实践，尝试提炼高中化学内容结构化的“教”“学”设计思路。

2 教材及思路分析

教材以“硫酸的重要用途→生产原理的确定→原料的选择→反应条件的控制→能量的利用→三废的处理”为线索展开教学内容结构化设计（见图1）。

在分析生产原理时，教材设置了“想一想”栏目，引导学生从硫酸的组成、硫元素的化合价等角度进行分析，教师可以组织学生应用硫的“价类”转化关系设计转化路径，从中概括确定化工生产反应原理和反应原料的基本思路。

在选择原料时，教材从成本、反应条件、废渣和尾气处理、物能循环利用等角度进行了阐述，教师可以组织学生对不同原料进行优劣势分析，引导学生主动思考化工生产对环境和社会的影响，从而领悟“绿色化学”的用料原则。

在介绍生产过程时，教材通过“想一想”栏目，引导学生利用化学反应速率和化学平衡原理，讨论促进SO2又快又多地转化为SO3的反应条件，教师可以组织学生从中概括提高产出的基本思路，领悟“绿色化学”的过程原则和原子经济原则。

在讨论能量利用和三废处理时，教材先提出能耗和污染问题，引导学生运用所学知识解决问题，教师可以组织学生从中概括化工生产中充分利用能量及治理三废的基本思路，领悟“绿色化学”的防污优先、绿色合成、安全意识等原则。

通过深入分析还发现，“原料选择”和“三废处理”存在因果关系，若按照教材顺序，即在学习“三废处理”前讨论“原料选择”，这不利于学生全面自主分析原料的优劣势。因此，本研究将内容逻辑改为“生产原理的确定→生产条件的控制→能量的利用→三废的处理→原料的评价→发展的方向”的顺序。为确保学生能充分开展讨论、探究，本课内容分2课时进行。

3 教学目标设计

（1） 根据硫元素的“价类”转化关系，结合化学史，设计从原料到硫酸产品的转化路径，概括工业制硫酸的一般流程，运用化学反应速率和化学平衡理论讨论和解决硫铁矿制硫酸中的问题，提炼化工生产中确定反应原理和反应原料、提高产出率的基本思路。

（2） 了解硫铁矿制硫酸的实际生产过程、三废处理和能源利用等，从物能利用和环境保护等角度对制备硫酸的不同原料进行评价，概括化工生产中治理三废和充分利用能量的基本思路。

（3） 通过分析工业制硫酸的反应原理、反应原料、生产过程、产品处理、能量利用、工艺发展等，树立并领悟“绿色化学”理念的丰富内涵，形成资源全面节约、物能充分利用的意识。

4 课时内容结构教学流程设计

根据以上分析，具体课时内容和结构化教学流程见图2。

5 教学过程

5.1 第1课时工业制硫酸的反应原理和生产过程

环节一：工业制硫酸的转化路径

［化学史情境］教材第59页：早期的硫酸制备。

［情境任务］根据硫的“价类”转化关系，结合化学史，设计由含硫原料制硫酸的转化路径，用流程图简要表示工业制硫酸的主要阶段，概括化工生产中确定反应原理和反应原料的基本思路。

［学生讨论及评价标准建议］

方案1：1000多年前，绿矾、胆矾煅烧SO3→H2SO4

方案2：18世纪，硫黄、硝石燃烧SO2氮氧化合物SO3→H2SO4

方案3：19世纪后期，硫铁矿煅烧SO2SO3→H2SO4

工业制硫酸简要流程图（见图3）。

确定化工生产反应原理和反应原料的基本思路：从化工产品的组成和性质角度逆向推理，根据反应原理设计科学的转化路径，选择易获取、含量丰富的原料。

设计意图：在化学史情境中利用硫的“价类”关系分析不同历史阶段制备硫酸的方案，从基于知识关联的结构化走向基于认识思路的结构化，提炼确定化工生产中反应原理和反应原料的基本思路，初步领悟“绿色化学”的用料原则。

环节二：接触法制备硫酸的反应原理

［情境任务］建国初期，基于硫铁矿资源较丰富、硫黄资源较匮乏的实际国情，我国硫酸工业的主要原料是硫铁矿。用化学方程式表示硫铁矿制硫酸的反应原理，利用化学反应速率和化学平衡原理讨论在造气、转化、吸收三个阶段，理论上如何提高硫酸的产出，概括化工生产中提高产出的基本思路。

［学生讨论及评价标准建议］

第一阶段：造气 4FeS2+11O2煅烧2Fe2O3+8SO2，通过粉碎硫铁矿、气固逆流等方式，增大接触面积，使反应充分进行。

第二阶段：转化 2SO2+O2高温催化剂2SO3，通过使用高效催化剂、增大反应物浓度等方式，在适宜的温度、较高的压强条件下提高反应速率；在较高压强、较低温度条件下通过通入过量O2、循环利用未转化的原料、及时分离SO3等方式提高SO2的转化率。

第三阶段：吸收 SO3+H2OH2SO4，采用气液逆流的方式，增大接触面积，提高SO3的吸收效率。

化工生产中提高产出的基本思路：调控反应温度、压强、浓度、催化剂等条件加快反应速率；通过调控反应条件促使平衡向生成物的方向移动和原料循环利用等方式提高原料利用率；采用逆流原理使反应充分进行等。

设计意图：以硫铁矿制硫酸的一转一吸工艺为例，从理论角度讨论提高产出的措施，从基于知识关联的结构化走向基于认识思路的结构化，概括化工生产中提高产出的基本思路，引导学生体会化学原理对实际生产的指导作用，初步领悟“绿色化学”的原子经济原则。

环节三：硫铁矿制备硫酸的生产过程

［资料补充］（1） 转化阶段，SO2和O2在不同温度、不同压强下的原料转化率如表1所示。

（2） 转化阶段在475℃、 1atm条件下，使用V2O5作为催化剂时的反应速率比不用催化剂提高1.6×108倍。催化剂对反应具有选择性，其活性受温度影响很大，在长期受热和化学作用时会发生一些不可逆的变化即催化剂中毒。

［分析讨论］根据以上数据和信息，讨论在实际硫铁矿制硫酸的第二阶段适宜采用怎样的反应条件？

［学生讨论及评价标准建议］（1）常压下SO2的转化率已经很高，如果继续加压，会对设备的耐压性能提出更高要求，增加成本，故选择常压。（2）催化剂对提高反应速率至关重要，实际生产中以V2O5作为催化剂，需防止催化剂中毒并为其提供适宜温度（400～500℃），以确保催化剂的催化效能，同时反应速率、SO2的平衡转化率都比较理想。综上，硫铁矿制硫酸的第二阶段的实际反应条件是：V2O5做催化剂、常压、400～500℃。

［真实化工情境］理论分析可以指导实际化工生产，但实际化工生产还需考虑现实因素，观看工厂真实的硫铁矿制硫酸视频。

［情境任务］用流程图简要表示硫铁矿制硫酸的实际生产过程（见图4）。

［学生讨论及评价标准建议］见图4。

［观念提升］在实际化工生产中，需从产量、成本、环保等多角度综合考虑生产条件和工艺流程，其中粉碎硫铁矿、循环利用原料、逆流吸收SO3等措施都是为了提高原料利用率，这正是“绿色化学”所倡导的高原子经济性。

设计意图：以硫铁矿制硫酸为例，结合实际生产的相关数据、生产设备和工艺流程，分析化工生产中所需考虑的实际因素，引导学生进一步领悟“绿色化学”的原子经济、催化高效、条件温和等原则。

5.2 第2课时 我国工业制硫酸的发展

环节一：从物能利用角度全面评价硫铁矿制硫酸

［衔接引入］“绿色化学”不仅倡导高原子经济性，也倡导高能源利用率。

［情境任务］结合教材第58页SO2在接触室中的多段催化氧化示意图（见图5）和第60页“硫酸工业中热能的合理利用”文本，分析讨论硫铁矿制硫酸工业中哪些过程需要消耗能量？在这些过程中如何提高能源利用率？概括化工生产中充分利用能量的基本思路。

［学生讨论及评价标准建议］

矿石粉碎机、鼓风机、电炉、泵等需要电能，接触室内需要为催化剂维持适宜温度，也需要能量。

提高能源利用率的措施：提高煤等燃料的燃烧效率；造气阶段在沸腾炉外设置废热锅炉回收高温废热；转化阶段把热交换器和接触室合为一体，充分利用转化阶段的反应热。

化工生产中充分利用能量的基本思路：提高燃料燃烧效率；充分利用反应自身放出的热量，如采用废热锅炉、热交换器等。

［分析讨论］描述图5接触室中SO2和O2的流动方向，分析转化过程中的能量变化和能量利用。

［学生讨论及评价标准建议］

SO2和O2进入接触室，从热交换器的内管流过，再从接触室顶部进入催化剂层，而后从热交换器外管流出，进入下一层催化剂，最后从转化器下方流出。

SO2转化为SO3是一个放热的可逆反应，使用热交换器，经顶层催化剂反应后的SO2和O2从热交换器外管流出，放出的热量可用于预热内管中还未反应的、待加热的原料，同时为外管中的SO2和O2降温，使其进入下一层催化剂时仍维持在催化剂最佳活性温度。