选修2化学与技术.pdf

（人教新课标）教师教学用书选修 2 化学与技术 说明 本书是根据教育部制订的普通高中化学课程标准（实验）和人民教育出版社、课程教材 研究所化学课程教材研究开发中心编著的普通高中课程标准实验教科书化学（选修2）化 学与技术 的内容和要求，结合高中化学教学实际编写的，供使用普通高中课程标准实验 教科书化学（选修2）化学与技术的高中化学教师教学时参考。 从有利于教师理解和体会课程标准，以及更好地使用教科书出发，全书按教科书的单元、 课题顺序编排，每单元包括单元说明、教材分析与教学建议和教学资源三个部分。 单元说明是按单元编写的，包括教学目标、 内容分析和课时建议。教学目标指出本单元 在知识与技能、 过程与方法和情感态度与价值观等方面所要达到的教学目的；内容分析从地 位和功能、 内容的选择与呈现、教学深广度以及内容结构等方面对单元内容做出分析；课时 建议则是建议本单元的教学课时。 教材分析与教学建议是分课题编写的，包括教材分析和建议、活动建议、问题交流等。 教材分析和建议对各课题的内容特点、知识结构、 重点和难点等作了较详细的分析，并对教 学设计思路、 教学策略、 教学方法等提出建议。活动建议是对“科学探究”“实验”等学生 活动提出具体的指导和建议。问题交流是对“学与问”“思考与交流”等教科书中栏目所涉 及的有关问题给予解答或提示。 练习与实践参考则是对单元后的练习与实践给予解答或提示。 教学资源是按单元编写的，主要编入一些与本单元内容有关的教学资料、疑难问题解答， 以及联系实际、 新的科技信息和化学史等内容，以帮助教师更好地理解教科书，并在教学时 参考。 参加本书编写工作的有：王晶、吴海建等。 本书的审定者：李文鼎、王晶。 责任编辑：吴海建。 图稿绘制：李宏庆。 本书的内容难免有不妥之处，希望广大教师和教学研究人员提出意见和建议，以便修订 改进。 人民教育出版社课程教材研究所 化学课程教材研究开发中心 2005 年 6月 目录 第一单元走进化学工业 单元说明 教材分析与教学建议 课题 1 化工生产过程中的基本问题 课题 2 人工固氮技术合成氨 课题 3 纯碱的生产 练习与实践参考 教学资源 第二单元化学与资源开发利用 单元说明 教材分析与教学建议 课题 1 获取洁净的水 课题 2 海水的综合利用 课题 3 石油、煤和天然气的综合利用 练习与实践参考 教学资源 第三单元化学与材料的发展 单元说明 教材分析与教学建议 课题 1 无机非金属材料 课题 2 金属材料 课题 3 高分子化合物与材料 练习与实践参考 教学资源 第四单元化学与技术的发展 单元说明 教材分析与教学建议 课题 1 化肥和农药 课题 2 表面活性剂精细化学品 练习与实践参考 教学资源 第一单元走进化学工业 单元说明 一、教学目标 1. 以硫酸生产为例，了解化工生产过程中的一些基本问题。 2. 了解合成氨的反应原理、基本生产过程和合成氨工业发展中需要解决的问题。 3. 通过纯碱的两种典型生产过程及其演变的学习，了解化学工艺改进的原因、思路、条件 以及由此带来的社会和经济效益。 4. 初步了解实验室研究与工业化生产的区别和联系。初步认识基本化工产品的种类、资源 和发展概况等。 二、内容分析 1. 地位和功能 硫酸（产品为液体）、纯碱（产品为固体）和合成氨（产品为气体）等属于典型的基本 化工产品， 它们的生产是化学工业及其发展的基础，而了解化工生产过程中的基本问题也是 学习化学与技术选修课程的基础。因此，通过对这些产品生产过程中一些基本问题的学 习，可以帮助学生将所学化学基础知识与实际生产建立有效的教学联系，拉近实际生产过程 与课堂教学之间的距离，有利于学生加深对化学、技术和社会相互关系的认识。 2. 内容的选择与呈现 教科书体现以社会需求为导向、以化学研究基础上的技术发展为重点的总体设计思想， 以“人类需要的物质产品化学反应原理生产过程及其发展”为线索构建单元体系。 除了这一整体设计外， 本单元也体现了课程标准中化学与技术选修课程的目标、定位和要求。 总体而言，教学内容的选择和呈现考虑了以下一些原则： （1）选取典型产品及其生产过程作为内容载体； （2）以必修模块的化学知识为基础，必要时为本模块补充基础知识； （3）以化学反应原理及其应用为重点，以生产基本问题（如原料及其综合利用、能量的利 用、反应条件的控制、环境保护等）为线索展开内容； （4）抓住有价值的问题，引导学生活动与探究，培养学生的问题意识和分析解决问题的能 力； （5）以引导学生体会化学在生产技术中的价值为重点，而不过多地追究生产实际过程的技 术细节； （6）学习顺序注意遵循学生的接受能力。 在某种程度上， 教科书也体现了科学与技术两者之间的区别和联系。科学与技术紧密相 连、相互促进，而又有各自不同的特点。例如，与科学相比，技术更直接地面对人们的实际 需要， 一种产品首先用于满足人们的需要，需要也是生产发展的动力和技术创新的源泉。为 什么要生产这种产品？它可以用来做什么？技术改进的主要目的是什么？当从这些问题展 开时，有利于阐明生产和技术进步的意义，培养学生求知和创新的欲望以及注意技术应用风 险的社会责任感。由于人们的需要是多种多样的，也是不断发展和变化的，因此， 可以凭此 创设许多生动的教学情景。 再如， 除了关于“是什么、为什么？”等问题解决过程外，在化学与技术课程中还强调 关于“做什么、怎么做？”等问题解决过程，后一过程可能会涉及化学以外的物理、生物、 地理等学科知识，体现技术应用的综合性；还会涉及诸如环境保护、经济、风险评估、利弊 权衡等态度、 价值和决策有关的问题，体现技术实践的复杂性和产品设计标准的多元化。通 过思考和解决这些问题，有利于学生对科学探究过程加深理解，也有利于比较全面地培养学 生解决实际问题的能力。 根据课程标准的要求和上述总体考虑，本单元安排的主要内容有： 以硫酸生产为例，说明化学生产过程包括的一些基本问题，如反应原理、 反应发生的条 件、原料的选择、 “三废”的处理以及能量的利用等。使学生对化学生产过程有一个概括的、 初步的认识。 合成氨这种人工固氮技术，不仅为解决人类的吃饭问题作出了重要的贡献，而且， 它也 是近代化学工业发展的基础，在人类的科学技术史上具有重要的地位。学习这部分内容，还 有利于帮助学生了解一个化学原理上可行的反应，当进入实际的工业化生产时，会遇到很多 复杂的技术问题， 实现大规模的工业化生产不是仅仅将实验室试管、烧瓶中发生的化学反应 进行简单放大的过程。 纯碱的生产， 可以帮助学生进一步理解一个化学工艺的发展和完善，可能需要几代人长 期的努力， 从中体会化学工艺改进和发展的思路、角度， 培养他们勇于创新的精神和实践能 力。 本单元内容结构如下： 三、课时建议 课题 1 化工生产过程中的基本问题 2 课时 课题 2 人工固氮技术合成氨 2 课时 课题 3 纯碱的生产 1 课时 复习机动1 课时 小计6 课时 课题 1 化工生产过程中的基本问题 一、教材分析和建议 在化学工业中， 需要化学与技术的有机结合，若要认识和体会化学与技术的关系，就首 先需要了解有关化工生产的基本问题。所以， 作为本书最开始的课题，介绍化工生产过程中 的一些基本问题，以利于学生在后面的学习中对化学与技术相关问题的理解。 化工生产过程比较复杂，但一些最基本的问题是相似的，例如， 任何化工生产都涉及到 传质（物料的流动）、传热（能量的传导）、传动（动力的传输）和化学反应器等。根据课 程标准的要求，结合高中学生的特点，将化学反应原理、反应发生的条件、原料的选择、三 废的处理和能量的利用等作为化工生产过程中的基本问题，结合一些典型产品的生产过程， 使学生对化工生产的基本过程有一个初步的认识。硫酸是学生在初中化学中就学过的物质， 对其性质比较了解，硫酸工业又是典型的基本化学工业，所以本课题以硫酸工业为例，介绍 化工生产基本问题：反应原理的确定、原料的选择、反应条件的控制、能量的利用等。每一 问题都结合硫酸的生产，将化学知识与生产过程、生产工艺等结合，充分体现化学在生产中 的作用。 关于反应原理及生产过程的确定，教科书从硫酸的化学组成、性质及具体的反应进行分 析， 突出化学在物质转化和利用方面的重要性。生产中原料的选择则从综合方面考虑，以“思 考与交流”的形式，让学生思考讨论，培养学生综合思考认识问题的能力。 在介绍生产中反应条件的控制问题时，涉及到了化学平衡的知识，教科书先对概念作了 简单介绍， 然后结合“思考与交流”中给出的一些具体数据，让学生思考并讨论，最后找出 硫酸生产的最佳条件，并归纳给出平衡移动原理。接下来再让学生通过一个“思考与交流” 来认识平衡移动原理。这样将有关的化学原理与生产实际问题结合起来进行教学，也是化学 与技术课程中的主要教学设计思想。 关于环境和能源问题，本课题结合硫酸生产的具体情况进行说明，体现了培养学生环境 和能源意识的观点。 教学重点： 化工生产过程中的基本问题。工业制硫酸的生产原理。平衡移动原理及其对 化工生产中条件控制的意义和作用。 教学难点：平衡移动原理及其对化工生产中条件控制的意义和作用。 二、问题交流 【学与问】硫酸生产过程中的污水，可利用酸碱中和反应进行处理。 【思考与交流1】参见教科书。 【思考与交流2】早期黄铁矿的储量比较大，而天然硫黄资源缺乏，又难以从国外购进，并 且，那时对环境保护也不够重视。目前世界上许多国家都限制以黄铁矿为原料制硫酸，主要 也是考虑到环境污染问题，而且， 随着技术的发展，设备的大型化使以硫黄为原料制硫酸的 成本也逐渐降低。 【思考与交流3】 1从表 1-1 和表 1-2 可以看出，温度越低、压强越大，越有利于SO2的生成，但压强的影 响不是很大。 2思路：低温时有利于SO2的转化，但考虑催化剂活性，温度不能太低。高压有利于SO2 的转化，但试验表明增大压强，SO2的转化率提高并不大，而且考虑设备、成本和能源消耗 问题，压强不应很高，可以考虑常压。（对此问题学生可能会有不同的回答，教师可引导学 生讨论，最后给出实际结果） 课题 2 人工固氮技术合成氨 一、教材分析和建议 本课题围绕着合成氨的反应原理以及实现工业化生产的有关问题展开讨论，帮助学生了 解合成氨工业生产的主要原理和过程，认识并体会由实验室研究到工业化生产所需要经历的 过程。 教科书的设计是，为了说明如何将大气中的氮固定下来这一中心问题，首先， 呈现问题 提出的背景， 也就是人们为什么要想方设法地将大气中的氮固定下来，直接的原因是满足人 类对氮肥、 硝酸等含氮化合物的需要，间接的原因是地壳中氮元素的含量少、分布不均；紧 接着的问题是如何将大气中的氮固定下来，指出合成氨在科学上和技术上的突破。最后， 讨 论和评价并引发思考合成氨工业发展所面临的新问题。 这种设计整体上体现了技术实践中问题解决不断循环发展的一般过程，如下页图所示。 教学建议如下： 1. 注意引导学生思考人工固氮技术合成氨对于人类社会发展的重要意义，体现化 学与技术发展的社会需求导向，并对技术生产评价标准的多元化有一个初步的认识。说明在 化学研究中， 有些课题是属于学术研究的热点和重点，但不一定是技术研究开发的热点和重 点，技术研究往往要解决实际生产和生活中的具体问题，是受社会需求驱动的，这一点贯穿 于整个教科书体系的设计中。另外， 化学技术创新往往要落实在一种产品的生产上，合成氨 就是这方面的典型代表。在课题 1 了解化工生产过程中的基本问题的基础上，引导学生思考 将实验室研究转化成实际生产时面临的一些问题，展示由一种原理上可行的设想转变成实际 生产过程中人们所要付出的艰苦努力。对于有志于理工科的学生来说，在培养科学技术素养 的同时不断提高人文素养；对于有志于人文学科的学生来说，要帮助他们形成对于科学技术 在社会发展中重要作用的正确认识。例如，可以结合对哈伯其人其事（见教学资源）的分 析评价，请同学们讨论和交流各自的看法。 2. 通过实验学习合成氨的反应原理，利用化学反应速率、化学平衡移动原理分析和讨 论合成氨的适宜反应条件。由于氮气具有特殊的稳定性，合成氨是人工固定氮的一种方法， 但反应条件比较苛刻。如何实现这一具有重要意义的反应，需要从实验室研究开始，根据已 有的化学反应有关原理，探究提高氨转化率的适宜反应条件。因此， 影响化学反应速率的因 素、化学平衡以及化学平衡移动的原理，是学生理解这些内容的重要基础。需要注意的是， 在本单元的课题1 中结合硫酸生产，已经涉及到这些内容，在此需要根据合成氨这一具体 反应， 进一步对有关问题加深理解。从更深层次来说，注意揭示现代生产技术发展中科学基 础性作用变得越来越重要的趋势。 3. 结合合成氨的基本生产过程以及合成氨工业的发展，帮助学生理解实际生产过程中 应该考虑的问题， 认识和体会由实验室到工业化生产的转变所要解决的一些具体问题。例如， 如何比较经济地获得的原料气体？为什么要进行原料气的净化？采用什么样的流程才能实 现连续化生产？如何将产品同未发生反应的反应物和其他产物进行分离？今后工艺改进的 重点是什么？等等。所有这些问题， 都与实验室研究存在着哪些区别？考虑的角度和解决的 方法有哪些不同？引导学生认识和体现化学与技术的区别和联系。 4. 设计教学过程时，课题的引入可以有多种形式，如可以从社会、生产和生活的现实 问题引入， 也可以从合成氨在科学技术历史中的地位和作用引入，还可以从实验室研究与大 规模生产的区别与联系，强调技术实践的特殊性引入。总之，需要教师根据学生的今后志向、 基础以及其他具体条件，采用自己擅长的方式导入，展开教学内容， 体现不同的教学风格。 5. 对由实验室研究转化为实际生产的问题，可以指导学生阅读“科学史话”，对其转 化过程的具体情况和解决问题的艰难程度有所体会。另外，还可以结合归纳与整理中的图示， 引导学生思考一些问题，如尽管实验室和工厂中进行的化学反应是完全一样的，但化学工业 必须考虑用较低的成本获得大量的高品质产品，至少有四个关键问题，即工程、效益、 三废 处理以及安全问题。例如， 对于一个放热反应，在实验室中进行时可能不需要考虑热量的回 收和利用问题， 但当反应放大百万倍，连续生产中产生的热量就必须认真对待了。类似的问 题还有很多， 可以由学生自己分析、讨论和提出一些有价值的问题，并设计和交流各自解决 的方案，如果条件允许，可以到化工厂进行实地的考察、参观和咨询。 教学重点：合成氨的反应原理，合成氨生产的适宜条件。 教学难点：合成氨生产的适宜条件。 二、活动建议 【实验 1-1 】本实验模拟工业上合成氨的原理和过程。催化剂也可用5 g 还原铁粉充分 混和在石棉绒上制成，用酒精喷灯或煤气灯加热至红热，混合气体的推入不宜过快。 三、问题交流 【思考与交流1】参考图1-4 中氮在自然界的循环，引导学生讨论在循环过程中，几个 主要环节上氮元素存在的形式，以及它们之间相互转化的化学反应。一要体会氮和含氮化合 物对于人类和其他生物生存和发展的意义；二要指明地壳中含氮化合物（如硝石） 不仅矿藏 数量有限， 而且分布不均，而大气中的氮则是充足、廉价的资源；三要分析含氮物质相互转 化的几种可能过程，如与高温电弧固氮、生物固氮相比， 目前合成氨这种人工固氮的成熟技 术的特点和重要性。 【思考与交流2】 1. 通过实验1-1 可以看到， 在实验室条件下，由氮气、 氢气直接合成氨是可以实现的， 其中，铁丝绒催化剂可以显著地提高反应速率。由此，可以讨论这种合成氨方案的主要优点： 反应物 （生产原料） 氮气和氢气都是比较容易得到的，虽然获得氢气相对来说较难，但自然 界中大量碳氢化合物和水不仅可以提供大量的氢气，还可以提供合成氨所需的能量。虽然实 验室中氨合成的量较少，但在大规模生产中通过改变反应条件（适当的高温、增大压强、使 用便宜易得的催化剂、通过液化及时分离氨等）可以提高氨的转化率。 2. 合成氨反应是一个可逆、放热、气体分子总数减小的反应。因此，根据勒夏特列原 理，温度越低、压强越大，该反应的平衡体系中氨含量越高；但降低温度则反应速率降低， 因此，要实现工业化生产必须选择适宜的反应条件，其中，合适的催化剂将起到关键作用。 一般说来， 正确地选择温度、压强等反应条件和采用适当的催化剂，是提高生产效率、降低 生产成本的重要手段。 3. 原理上可行的化学反应，当用于工业化生产时，应该考虑的问题主要有：从经济上 必须考虑该产品的市场前景如何，物料的使用和转运、能耗、设备的投入和产出是否合算， 等等； 从环境影响考虑，厂址的选定、原料的处理、生产过程以及“三废”处理如何达到国 家有关的法规、 标准；还要考虑现有的设备和技术条件能否合理实现反应的条件，操作安全 是否可靠， 能否实现自动控制等。可以结合后面的科学史话，与同学们共同分析和讨论其中 的具体问题。 【思考与交流3】 1. 使没有起反应的物质从反应后的混合物中分离出来，并重新回到反应器中。从原因 来说， 很多化学反应并不能一次反应进行到底，常常不能得到唯一需要的产品，特别是一些 转化率低、副反应多的有机反应，因此，有必要进行循环操作；从结果来说，循环操作的主 要目的在于充分地利用原料、降低成本； 从工艺设计以及环境保护角度来说，循环操作有利