宋秀丽, 李晓伟, 张亚茹, 丁泽木, 原晓影, 杜炳炎
摘要：化学史在中学化学教学中具有多重教育价值，包括激发学习兴趣、建立正确观念、渗透科学探究思想和理解科学本质等。搜集有关人教版高中化学必修二中“氨和铵盐”该节的化学史，适当增加相关化学家和社会背景的介绍，积极回应和充分满足学生对化学史的关注和需求，通过加工突出其侧重点，力求充分发挥学科育人功能，促进化学学科核心素养的有效落实。
关键词：化学史核心素养氨和铵盐高中化学
随着时代的发展，教育的目的已经从“育分”逐步转变为“在育分中育人”,更加重视学生的全面发展。《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称“课标”)强调要引导学生认识科学本质，充分发挥化学课程的育人功能，促使学生形成正确的世界观、人生观和价值观[1],并将对科学本质的理解融入到学习中[2],以提升学生的学习能力和学科素养。将化学史恰当融入到高中化学教学中，不仅符合课标要求，还能更大程度地激发学生的学习兴趣，帮助学生更好地理解教材知识，学习科学探究的方法和态度，培养创新能力和化学学科核心素养[3]。
该研究通过科学整合与“氨和铵盐”相关的化学史料，以历史线、活动线、知识线为脉络进行教学设计，实现化学史的教育价值。
一、教学流程
该案例教学设计流程如图1所示。
二、教学过程
1.环节1:创设情景——氨从土地走向公路
[师]我国疆域辽阔，各地土壤的类型和肥力状况参差不齐，所以，要使作物正常生长甚至增产，就离不开肥料。首先，我们需要明确植物必需的营养元素有哪些?
[生]碳、氢、氧、氮、磷、钾等，其中氮、磷、钾的需要量相对较大。
[师]缺少任何一种元素都会对作物的生长产生负面影响。如缺氮会导致植物矮小瘦弱、叶片呈黄绿等非正常颜色，严重缺氮时，作物会早衰并早熟，产量显著减少。而施加氮肥能使水稻、小麦、玉米分别增产28.4%、30.9%、26.4%[4]。合成氨工业的发展使我国氮肥产量逐年增加，从1949年的0.6万吨/年增长至2021的3978.5万吨/年[5],中国用占世界9%的耕地养活了世界近20%的人口[6]。
[师]2022年3月28日，清华大学研发团队应用柴油喷雾引燃氨的燃烧技术，实现我国首台适用于重型卡车的“氨柴油”发动机的成功点火。氨是“零碳”燃料，是未来中、重型商用车领域绿色燃料的理想选择之一，能够推动绿色能源产业发展，加快“双碳”目标的实现[7]。
[师]氮肥原料和“氨柴油”发动机燃料是哪种气体?
[生]氨。
[师]氨逐渐从传统农业化肥领域向新能源领域开拓，下面我们以化学史实为线索，跟着化学家们的脚步一起来结识“氨”这位神通广大的朋友。
[设计意图]以氮元素对作物生长的作用引出氮肥的原料——氨对农业的重要性，介绍我国氮肥产量的增长情况及“氨柴油”发动机无限的未来，增强学生的学科自信心和民族自豪感，树立学好化学为人类做贡献的信心，向学生渗透“降碳”和环保观念，培养学生的社会责任感。
2.环节2:根据化学史设计实验，探究氨的性质和实验室制法
[化学史情境1]1727年英国化学家哈尔斯将氯化铵与熟石灰的混合物在用水封闭的曲颈瓶中加热来制氨，结果不仅无气体放出，水反而被吸入曲颈瓶。1774年化学家普利斯特里用汞代替水重复以上实验，成功制得氨[8]。
[师]从这段史实中，推测氨具有哪些物理性质?
[生]变量只有曲颈瓶中的液体(水→汞),猜测氨易溶于水。
[师]氨在水中的溶解度到底有多大呢?
[师]演示实验：氨的喷泉实验。
[师]观察实验现象，小组讨论溶液变色及出现喷泉的原理。
[生]现象：烧杯里的水经玻璃管喷入圆底烧瓶，形成喷泉，烧瓶内溶液由无色变为红色。
原理：圆底烧瓶中氨溶于挤压胶头滴管滴入的水中，烧瓶内压强减小，从而与外界形成较大压强差，在大气压的作用下，烧杯中的水沿玻璃管迅速进入烧瓶，从而形成喷泉。由于氨溶于水形成的溶液呈碱性，无色的酚酞遇碱性溶液变红色。
[师]氨溶于水不是简单的物理变化，而是会发生化学反应。氨和水反应生成一水合氨这一弱碱，一水合氨进一步电离出NH+4和OH-,所以氨溶于水形成的氨水呈碱性。
[师]由喷泉实验可知，氨在水中的溶解度很大，实验测得为1∶700。引发喷泉的关键步骤是什么?
[生]挤入几滴胶头滴管中的水。
[师]小小的几滴水却能引发美丽的喷泉。老师联想到一句谚语：“滴水之恩当涌泉相报”,这不仅是一种美德，更是一种担当，它提醒我们铭记他人的帮助，常怀感恩之心，同时用行动传递正能量、回报社会。
[师]液态氨是一种制冷剂，为食品的运输及储存提供便利。展示氨熔点、沸点及密度数据的资料卡片，请根据资料卡片分析液氨做制冷剂的原因。
[生]液氨在常温下气化会吸收大量热，周围环境温度迅速降低，所以液氨可作制冷剂。
[师]我们来回顾一则2000年发生在杭州的事件：一制冷车间出现氨泄漏事故，方圆数里弥漫着一股刺激性气味，让人呼吸困难。
[师]结合喷泉实验、资料卡片以及氨泄漏事故，总结氨的物理性质。
[生]无色、易溶于水、易液化、密度比空气小、有刺激性气味、有毒、沸点低。
[师]喷泉实验中红色的氨水有刺激性气味，请结合实验现象和结论，小组讨论氨水中的微粒有哪些?
[生]氨水中有水分子；氨水遇酚酞溶液变红，说明氨水中有大量OH-,是一水合氨部分电离得到的，所以氨水中有一水合氨分子；氨水有刺激性气味，说明氨水中仍然有氨分子。
[师]氨水中既有一水合氨分子又有氨分子，说明氨与水的反应不彻底，试书写化学方程式。
[生] ΝΗ 3 +Η 2 Ο ⇌ ΝΗ 3 ⋅Η 2 Ο ⇌ ΝΗ 4 + +ΟΗ [师]一水合氨和氨水是同一种物质吗?
[生]不是，氨水中除一水合氨外还有水分子、氨分子等微粒。
[师]氨水不稳定，受热易分解，试写出氨水分解的化学方程式。
[生] ΝΗ 3 ⋅Η 2 Ο = △ ΝΗ 3 ↑+Η 2 Ο
[师]氨水呈碱性，能与哪类物质发生反应?
[生]酸。
[生]在教师引导下分组实验：氨与浓盐酸的空瓶生烟。
[师]观察实验现象，猜测生成物，尝试书写化学方程式。
[生]产生白烟，即铵盐。触摸集气瓶外壁感觉发热，可知该反应是放热反应。化学方程式：
[师]氨转化为铵盐，氮元素化合价是否发生变化?从化合价角度思考，氨还能与哪类物质反应?
[生]氮元素的化合价没有变化，都是最低价态-3价，所以NH3具有还原性，可与具有氧化性的物质反应。
[师]PPT展示：工业制硝酸的流程如图2所示，其步骤：NH3→NO→NO2→HNO3,第一步是氨与氧气反应，试写出此过程涉及的化学方程式。
[生] 4ΝΗ 3 +5Ο 2 ⇌ △ 催化剂 4ΝΟ+6Η 2 Ο
[师]根据哈尔斯和普利斯特里制氨的化学史料，试写出制氨的化学方程式，小组讨论选择何种装置用于实验室制氨，注意装置要具有科学性、安全性和可行性。
发生装置选择固固加热装置；考虑到氨是碱性气体，净化装置用碱石灰除去水蒸气；因为氨易溶于水且密度比空气小，收集装置用向下排空气法；尾气吸收用水，因为氨易溶于水且逸散到空气中使人中毒，同时污染环境。
[师]展示实验室制氨的简易装置示意图并组装实验装置。注意事项：组装实验装置的基本原则：自下而上，从左到右。
[生]分组组装实验装置，用氯化铵和氢氧化钙混合加热制氨，直至试管装满并检验。
[师]为什么发生装置的试管口略向下倾斜?
[生]防止水蒸气在试管口冷凝，倒流回试管，造成热试管底部炸裂。
[师]如何验证氨是否装满试管?
[生]将湿润的红色石蕊试纸放在试管口，若试纸变蓝，说明氨已收集满；或将蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近试管口，若出现大量白烟，说明氨已收集满。
[师]补充：收集装置的试管口塞有一团棉花是为了防止氨与空气对流而泄漏，提高氨的纯度。
[师]小组讨论制氨的其他方法。
[生]加热浓氨水或浓氨水和生石灰混合制氨。
[设计意图]通过回溯化学史创建情境，从微观角度解释实验现象，理清学生思路；从物质类别和化合价角度推测氨的性质，熟练元素化合物性质的学习思路。引导学生设计反应、收集等装置，帮助学生形成物质制备的基本程序；通过小组实验，让学生在符号表征和实验活动中发展宏观辨识与微观探析、科学探究的核心素养。
[化学史情境2]19世纪工业革命后，欧洲人口迅速增长，1898年，克鲁克斯指出“由于人口的增加，土地变得狭窄，长此下去，粮食不足的时代就会到来，解决方法是必须找到新的氮肥”。
[师]氮肥的主要成分有哪些?
[生]尿素、氨水、碳酸氢铵和氯化铵等铵盐及硝酸铵等硝酸盐。
[师]根据成分将常见的化学氮肥分为硝态氮肥(NO-3)、铵态氮肥(NH+4)和有机态氮肥(尿素等)。施用氮肥能促进植物生长，提高作物中蛋白质含量。
[设计意图]在化学史情境中以初中知识为基础增进学生对氮肥的了解，突出氮肥对植物生长的积极作用，侧面反映合成氨工艺的重要性。
3.环节3:从化学史中归纳合成氨条件的改进
[化学史情境3]1904年，哈伯利用氮气和氢气首次得到氨；1909年，哈伯将未反应的氮气和氢气循环利用，使用锇催化剂，及时分离氨，在20 MPa和600 ℃的条件下获得产率约为8%的氨，但成本过高，无法工业化[9];哈伯、博施和同事们对2500种催化剂进行6500次试验，花费一年半的时间，最终确定让氮气和氢气在20 MPa、400 ℃的条件下，通过含有钾-氧化铝助剂的铁催化剂，产生氨，产率约为10%～20%。此工艺被称为哈伯-博施法[8]。2016年中国科学院大连化学物理研究所的研究团队构筑“过渡金属-氢化锂”这一双活性中心复合催化剂体系，合成氨温度为350 ℃,压强为1 MPa, 实现了氨的低温催化合成。
[师]合成氨工艺几次改进有哪些变化?
[生]压强的变化：20 MPa→20 MPa→1 MPa, 温度的变化：600 ℃→400 ℃→350 ℃,催化剂的变化：锇→含有钾-氧化铝助剂的铁催化剂→“过渡金属-氢化锂”的双活性中心复合催化剂体系。压强和温度总体都呈现降低趋势。
[师]总结：反应条件的要求逐渐降低，因此，工业生产对设备的要求变低，可减小对设备的损耗；并且，使用价格更低廉和高效的催化剂，总体上减少了成本，提高了经济效益。
[师]影响化学反应进行的因素有哪些?
[生]温度、压强、浓度、催化剂。
[师]实际生产中要考虑哪些条件?
[生]生产成本、产率、设备、反应条件是否苛刻、对环境是否有影响等。
[师]氨的合成在不同的环境下可发挥积极与消极2种作用，滴滴涕、火药和硝化甘油与之类似，都具有两面性，一方面它们可以造福人类，另一方面，滥用滴滴涕会对生物产生不良影响；火药和硝化甘油用于军事一定程度上会延长战争持续时间，加重伤亡[4]。因此，我们要学会运用唯物辩证法认识化学和其他事物，客观、辩证地剖析它们对人类的正、负作用，并进行正确、规范地使用。
[课后作业]2015年11月某化妆品品牌设计一段15 s“我们恨化学”广告[10];社会上曾有一种说法：“化学是造成环境污染的罪魁祸首”,请查阅相关资料并表述你的看法。
[设计意图]介绍合成氨工艺的改进历程，引导学生总结影响化学反应的因素和实际生产需考虑的条件，帮助学生形成多角度调控化学反应的意识及从个别到一般的思维。明确几种典型物质的功用与弊端，带领学生从正、反两方面看待事物、看待化学、看待科学研究，提高对化学价值的认可，内化科学态度与社会责任的核心素养。
三、教学反思
（略）
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)[S].北京：人民教育出版社，2020.[2] 钱扬义.《义务教育化学课程标准(2022年版)》解读——科学探究与化学实验[J].化学教育(中英文),2022,43(21):13-20.[3] 王怀永.化学史教学助力学生发展[J].中学化学教学参考，2022,47(2):6-8.[4] 闫湘，金继运，梁鸣早.我国主要粮食作物化肥增产效应与肥料利用效率[J].土壤，2017,49(6):1067-1077.[5] 王文善.中国氮肥工业发展的历史和面临的任务[J].大氮肥，2004(4):224-229.[6] 全国煤化工信息总站.2021年我国合成氨、尿素产能、产量、进出口量统计[J].煤化工，2022,50(3):78.[7] 杨楠楠，梁永锋.主题大概念视角下板块任务式化学教学设计——以“氨和铵盐”为例[J].化学教与学，2023(7):40-49.[8] 徐建中，马海云.化学简史[M].北京：科学出版社，2019.[9] 沈旭东.基于化学史教育的合成氨教学设计[J].化学教育，2004(10):62-64.[10] 梁希瞳，黄佩，柳一鸣.“我们恨化学”对化学教育工作者的警示[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2018,31(2):88-91.