• 徐艳:高考中的“铝”元素(苏州中学)
  • ——高三复习课“铝及其化合物”教学设计
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  • 高考中的“铝”元素

    ——高三复习课“铝及其化合物”教学设计

    江苏省苏州中学     

     

     要:本节高三复习课是以近几年高考试题中铝元素的知识点为主线,以构建转换观为线索,以铝及其化合物的转化关系为载体,以工业炼铝的方法为主题,培养学生的化学核心素养。

    关键词:复习;铝;核心素养

     

    目前江苏高考化学试题的设计,突出与生产、生活、科技的密切联系,关注学生对知识的深层理解能力,注重考查学生的宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、实验探究与创新意识以及科学精神和社会责任五个方面的化学核心素养。

    核心素养是“个体在解决复杂的现实问题过程中表现出来的综合性品质”。化学核心素养是不能通过大量记忆知识或反复训练技能来达成的,是要通过大量感性材料的积累,不断思考、质疑和探究,然后抽象提炼形成理性经验,再将形成的经验规律用于指导学习实践,并在学习实践中不断巩固、完善和发展,最终成为自觉、科学的化学思维惯性。

    高考试题中,铝元素的有关知识点一直是考试的热点、常见考查点。本节课笔者以近几年的高考试题为主线,突破学生惯有的高考真题难、不敢做的心理防线,让学生感到复习的针对性。以构建转换观为线索,让学生通过思考一系列精心设计的“引导式”高考试题,“对话式”问题形式,强化自身的内驱力,自主回忆、归纳、总结铝及其化合物之间的转化,对元素化合物知识和化学反应原理进行有机融合,形成一种自觉、科学的化学思维习惯。以铝的制备为主题,在解决问题的过程中巩固铝及其化合物的性质、转化,逐步建构关于铝元素的知识体系;通过呈现炼铝方法发现的历史过程,在问题情境中,着重再现解决问题时可采用的模仿、类比、综合等基本方法,凸显化学思维品质。

    一、教学目标

    1.理解金属铝及其重要化合物的主要性质及应用,掌握它们之间的相互转化,构建完整的铝元素的知识网络,养成良好的化学思维习惯。

    2.根据已有知识、信息完成冶炼铝的任务,在完成任务的过程中发展知识体系,在体验学习成功的快乐中感悟解决化学问题的思想方法,最终转化为自主学习的能力。

    3.再现铝冶炼的历史过程,促使学生在特定框架下体会科学渐进、曲折变化的发展过程,在认知冲突中,激发质疑、判断、评价与创新意识。

    4.渗透STSE教育,促进对STSE的理解,不断地提高社会责任感。树立可持续发展的理念,从科学发展的角度体会科学、技术、社会与环境的关系。

    二、教学过程

    (一)试题导入,激起关注

    ppt投影】近7年的高考卷部分内容,其中的字眼标注为红色。

    (设计意图:近几年每一年的高考卷上都出现了这个字眼,有些年份出现的频率还很高,不难发现铝及其化合物是高考试题中的常见考点,引起学生对这部分知识学习的关注。)

    (二)试题引领,知识梳理

    ppt投影】高考试题:

    2015江苏高考】5短周期主族元素XYZW原子序数依次增大,X原子最外层有6个电子,Y是至今发现的非金属性最强的元素,Z在周期表中处于周期序数等于族序数的位置,W的单质广泛用作半导体材料。

    2011江苏高考】5短周期元素XYZWQ在元素周期表

    中的相对位置如图1所示。

    【学生】根据铝原子的结构特征以及在元素周期表中的位置,推断出Z元素为铝元素。

    【教师】铝元素在地壳中的含量如何?金属单质有哪些通性?

    (设计意图:结构与性质思想方法是化学学科核心思想方法。重温元素“位--性”三者的联系,强化将宏观与微观相联系的化学思维模式,使学生逐渐形成自觉的思维习惯,这也是化学核心素养的重要内容。)

    ppt投影】高考试题:

    2016江苏高考】6.常温下,下列各组离子一定能在指定溶液中大量共存的是

                  C.与Al反应能放出H2的溶液中:Fe2+K+NO3SO42

    2011江苏高考】4.常温下,下列各组离子在制定溶液中一定能大量共存的是

    D.与铝反应产生大量氢气的溶液:NaKCO32NO3

    【教师】2011年与2016年都考到了与Al反应能放出H2的溶液,该溶液酸碱性如何?

    【学生】归纳金属的通性与铝单质的特性,并在回顾中构建“铝”的如图2所示的“联络图”。

                      

     

    (设计意图:一般与特殊思想是一种哲学思想方法,也是化学学科核心思想方法。学习化学在重视共性学习的同时,还要注意特性的把握,这样才能全面把握物质的性质。学生学会认识物质的共性和特性关系,才能逐步提高对知识的类比和迁移能力。)

    ppt投影】高考试题:

    2011江苏高考】6.下列表示对应化学反应的离子方程式正确的是

    DNaAlO2溶液中通入过量CO2

    2AlO2CO23H2O2Al(OH)3↓+CO32

    2016江苏高考】5.下列指定反应的离子方程式正确的是

    C.向Al2(SO4)3溶液中加入过量氨水:

    Al3+3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH4

    2016江苏高考】13.下列设计的实验方案能达到实验目的是

    A.制备Al(OH)3悬浊液:

    1mol?L1AlCl3溶液中加过量的6mol?L1NaOH溶液

    【教师】由上列三个选项得出制备氢氧化铝的方法有哪些?

    【学生】总结由盐与酸或碱制备Al(OH)3的方法与条件。在学案上完成铝及其重要化合物之间的转化关系,并交流总结出如图3的转化关系。

     

     

    (设计意图:画转化关系是学生自主梳理知识并使之形成网络的过程。要完成这一过程,学生必须对铝及其化合物的性质有全面和整体的认识,建立起物质是普遍联系、物质的变化是有规律的、在一定条件下物质间可以互相转化等观点。其中制备Al(OH)3,需运用“量变与质变”的化学思想方法,是对学生逻辑思维能力和能从定性、定量的角度对化学变化中物质的转化进行综合考查。)

    【教师】对学生给出的转化关系进行讨论分析:

    问题1氧化铝的熔点2000多℃,电解氧化铝制备铝单质,添加冰晶石的目的?

    问题2:氯化铝的熔点190℃,是否可以电解熔融的氯化铝制取铝单质?

    问题3:可以由氯化铝溶液制取无水氯化铝吗?

    【实验】打开盛放无水氯化铝试剂瓶的塞子,观察现象。

    问题4:瓶口上方产生的白雾是什么?可以由无水氯化铝制取氯化铝溶液吗?

    问题5:一般用AlCl3·6H2O来配制氯化铝溶液。配制时要注意什么?

    问题6:偏铝酸根离子、铝离子除了与酸、碱反应可以生成氢氧化铝,还可以跟什么反应,转化为氢氧化铝?

    问题7:难溶性的氢氧化铝具有热不稳定性,可以加热分解转化为氧化铝。氧化铝可以直接转化为氢氧化铝吗?生活中有哪些现象可以证明这一结论?

    问题8氧化铝和氢氧化铝既能和酸反应又能和碱反应,体现了什么性质?金属铝既能和酸反应又能和碱反应,体现的则是铝的什么性质?

    (设计意图:对转化关系图中关键物质的讨论,给学生提供了加深理解所学知识的一个契机。对演示实验以及问题3456的讨论分析,是基于“变化观念与平衡观念”素养培养要求,使水解平衡原理的相关知识也在应用中得到巩固。)

    (三)试题推进,凸显主题

    1.现代炼铝法

    ppt投影】高考试题:

    2017江苏高考】16铝是应用广泛的金属。以铝土矿(主要成分为Al2O3,含SiO2Fe2O3等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下。

    【教师】请用我们复习过的知识完成该题的流程。流程中需注明转化条件。

    【学生】在学案上画出流程,交流讨论得出如图4所示的两种理论流程。

                                            4

    【教师】在实际工业生产中,由于硅元素对于氧化铝的提纯非常有害,所以一般要提前除去。对于低硅铝土矿,在碱溶时,二氧化硅可转化为沉淀除去。试分析工业炼铝的实际流程。

    【学生】当铝土矿中的硅元素被提前或碱溶除去后,方法1中第2步过量盐酸就不需要了,同时第3步氨水应改为CO2;方法2中则不需要第1步加盐酸,两种方法就统一为一种了。

    ppt投影】高考试题:

    2017江苏高考】16铝是应用广泛的金属。以铝土矿(主要成分为Al2O3,含SiO2Fe2O3等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下:

    中学化学资料网(e-huaxue.com),最专业最实用的化学网站!

    注:SiO2在“碱溶”时转化为铝硅酸钠沉淀。

    【教师】我们来看题目中提供的工业流程(部分),与同学们设计的流程基本一致。该流程中加入碳酸氢钠溶液的目的是什么?请写出离子反应方程式。

    【学生】制备氢氧化铝,相当于之前设计的流程中CO2的作用。

    AlO2HCO2H2O Al(OH)3↓+CO32

    (设计意图:对于Al2O3的提纯采用了从理论到实践的处理方法,渗透了化学和技术的思想。设计出有助于自发地产生思维与沟通互动的问题及情境,又设计出包含评价任务的活动,提高课堂教学的有效性,培养学生的探究与创新意识。)

    2.其他炼铝法

    ppt投影】高考试题:

    2012江苏高考】20.铝是地壳中含量最高的金属元素,其单质及合金在生产生活中的应用日趋广泛。

    (1)真空碳热还原-氯化法可实现由低品位铝矿直接制备金属铝,其相关的热化学方程式如下:

    Al2O3(s)AlCl3(g)3C(s)=3AlCl(g)3CO(g)  H=a kJ·mol1

    3AlCl(g)=2Al(l)AlCl3(g)                  H=b kJ·mol1

    反应Al2O3(s)3C(s)=2Al(l)3CO(g)H=             kJ·mol1(用含ab的代数式表示)

    【教师】2012年的高考20题介绍了一种铝的制备方法。虽然题目考查点不在制法上,但题目中介绍了一种非常前沿的制铝的方法——真空碳热还原-氯化法。从人类发现和使用金属的历史来看,铜的发现是较早的。铜器时代以后是铁器时代,铁比铜活泼,炼铁主要采用的是什么方法?钠的发现很晚,直到1807年才用什么方法制得极活泼的钠的单质?从铜、铁、钠3种金属的发现和使用史来看,你认为金属冶炼的方法和金属的活动性之间存在什么关系?

    【学生】用热还原法制铁,用CO还原氧化铁;用电解法制钠,电解熔融的氯化钠。金属越活泼,冶炼的条件越苛刻。

    【教师】钠的单质都已获得,但活泼性介于钠与铁之间的铝单质在这之前却始终没有办法获得。分析一下,在当时的情况下,用电解法或热还原法是否可以冶炼出铝?

    【学生】在冰晶石未发现之前,电解法制铝是行不通的;从2012年的高考题可以看出,就目前的技术来说,氧化铝的热还原,也是通过两步反应来得以实现,氧化铝直接通过其他还原剂还原为铝至今也难以实现。

    【教师】当时也有人用碳热还原-氯化法,但那时氯化剂为氯气,得到的产物也不是低价氯化铝(一氯化铝),而是三氯化铝,无水氯化铝。

    我们已学过钠可以把钛、锆、铌、钽等稀有金属从他们的氯化物中置换出金属单质。

    地壳中钛的含量相当丰富,是铜的含量的60多倍。钛之所以被称为“稀有金属”,目前价格昂贵,其主要原因是金属钛的冶炼技术难度很大,是由电解获得的钠还原得到的,成本居高不下,难以普及应用。

    铝在地壳中的含量也非常大,早期的铝也价比黄金,在当时铝也是稀有金属。可想当时的铝是通过什么方法制得的?

    【学生】是由钠还原三氯化铝得到的,故价值昂贵。

    【教师】如今铝的电解法已广泛推广,使铝走近了平民大众。请对2012年高考题目中介绍的制铝方法——真空碳热还原-氯化法与电解法作对比,讲出真空碳热还原-氯化法的优点。

    【学生】交流讨论得出:一方面,利用此法从含氧化铝的矿物中直接提炼金属铝, 省去了目前从铝土矿制备氧化铝的这一烦琐的过程,也省去了从氧化铝电解生产金属铝的这一高能耗及高污染的过程,从而提高了炼铝的生产效率、同时也降低了能耗。另一方面,从生产原料来看,由于此法的原料不仅仅局限于高品位铝土矿, 从而扩大了铝生产的资源范围 。在世界能源及铝土矿资源紧张的今天,它的成功所能产生的社会效益是不言而喻的。最后,由于是在真空下进行的,整个过程所产生的尾气排放方向控制容易,因此污染的控制也就容易,最终可以成为一个低污染的过程。

    (设计意图:一方面还原了寻找冶炼铝方法的思维历程,培养学生科学的思维品质,同时训练学生运用相关知识综合分析解决问题的能力、逻辑推理能力、吸收整合加工信息的能力。另一方面引导学生关注生产、生活、科技前沿,培养学生的科学精神和社会责任感。)

    (四)试题回顾,前后呼应

    ppt投影】高考试题:

    2011江苏高考】3.下列有关物质的性质和该性质的应用均正确的是

    A.常温下浓硫酸能使铝发生钝化,在常温下用铝制贮罐贮运浓硫酸

    2016江苏高考】3.下列有关物质的性质与用途具有对应关系的是

                         DAl2O3熔点高,可用作耐高温材料

    2014江苏高考】18.碱式碳酸铝镁[MgaAlbOHcCO3d?xH2O]常用作塑料阻燃剂。

    1)碱式碳酸铝镁具有阻燃作用,是由于其受热分解需吸收大量热量和         

    2014江苏高考】4.下列物质性质与应用对应关系正确的是(  )

    B.氢氧化铝具有弱碱性,可用于制胃酸中和剂

    2012江苏高考】5下列有关物质的性质与应用不相对应的是

    A明矾能水解生成Al(OH)3胶体,可用作净水剂

    2013江苏高考】8.下列表示对应化学反应的离子方程式正确的是(  )

    B明矾溶于水产生Al(OH)3胶体:Al3++3H2O ═ Al(OH)3↓+3H+

    【学生】完成练习同时归纳铝及其化合物的用途。

    【教师】在铝、铝盐、氢氧化铝的这些用途中,总结它们分别体现出什么性质?

    (设计意图:这是对开始知识梳理的呼应,前者是从转化的角度对铝及其化合物进行梳理,后者则是从物质的应用角度进行总结,学生通过自主回忆、归纳、总结,逐渐形成自觉、科学的化学思维惯性。)

    三、板书设计

     

    副板书:右箭头: 铜             铁              铝              钠

     

                    湿法还原法      热还原法                          电解法

     

    TiCl4Na ===Ti4NaCl700~8000C

                四氯化钛      

    四、教学反思

    通过对近年来高考题的分析,可以看出江苏高考试卷的整体难度比较稳定,对常规热点题型并不回避,但在考查重心上更加注重了对基础知识的熟练应用的要求,注重了对考生理解知识和灵活应用的能力、良好化学品质的考查。

    本节课以高考试题中有关铝元素的考察点为主线,以铝的制备为主题,在课堂中画铝及其化合物转化关系是学生自主梳理知识并使之形成网络的过程。在完成这一过程,让学生对铝及其化合物的性质有全面和整体的认识。从物质的制备、应用的角度进行总结,则是与上述梳理过程相呼应。既避免知识的单调重复又能使学生通过复习提高学习能力,并在原有的基础上建构和发展化学转化观。在教学过程中,通过将“呈现型”问题、“发现型”问题、“创造性”问题,因地制宜地放在适合区块内,更好地培养了学生的问题意识、科学探索精神,注重在课堂教学中对学生进行思维的灵活性与创新性渗透,关注生产、生活、科技前沿,有利于学生掌握正确的学习方法和科学的思维方法,从学会转向会学,有利于学生个性、特长的发展,有利于真真实实触碰到化学学科核心素养的内核,使培养学生的化学核心素养真正落地。

     

    [   ]

    [1]朱玉军.谈化学教学设计类论文的写作[J].化学教育,2009(9)

    [2]李玲.在高中化学课堂中培养学生认识和应用规律的能力——高三复习课“铝及其化合物的性质及其相互转化”教学设计.现代教育,2016(12)

    [3]姜佳荣,蒋小刚.以观念建构为线索培养学生的化学核心素养——以“宏观辨识与微观探析”素养为例.当代教育理论与实践,2017(7)

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