“发展中的化学科学”项目式教学设计与实施

王延

摘要：以解决酸雨问题为切入点，聚焦如何实现CO还原法脱硫的工业可行性研究，从物质转化、热力学、动力学、催化剂机理4个维度建构分析物质转化工业可行性研究的思维模型，发展学生的高阶思维以及对科学本质的认识。

关键词：还原法脱硫;项目式教学;发展中的化学科学;思维建模

文章编号：1008-0546（2022）06-0053-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.011

一、项目教学主题分析

选修课程“发展中的化学科学”核心在关注“发展”，一是挖掘化学科学的研究进展与高中化学核心知识的关联，寻找合适的情境素材与知识的生长点，二是通过解决真实而复杂的化学问题，培养学生与化学相关的高阶思维能力，关注学生核心素养的发展。通过项目式学习的方式引导学生开展真实问题情境下的相关学习与研究，促使学生通过“发展中的化学科学”的课程学习，自主构建结构化的知识网络体系，推进化学学科思维方式的演变，形成解决各种真实而复杂的问题的综合能力。

本项目依据课程标准，选取工业脱硫这一社会热点问题，适用于高二完成《化学反应原理》学习后的复习课教学。真实情境有助于学科素养的落实，首先是因为SO2及其化合物知识是高中化学必修1第四章的重要内容，学生对S02的转化较为熟悉;其次是因为解决烟气中SO2的排放是重要的环境课题，体现了化学与环境重要关联，凸显化学学科的社会价值;第三是“CO还原法脱硫”反应蕴含着丰富的学科本体素材，如表面催化反应机理的探究，值得深入挖掘;第四，本节课从学生熟悉的物质SO2人手，并不止步于复习元素及其化合物的性质，而是以“CO还原法脱硫”为载体，通过探究该法的工业可行性，从而覆盖《化学反应原理》模块所涉及的“反应方向、平衡移动、反应限度、反应速率、反应机理”等核心知识。

二、项目教学目标

（1）通过开展CO还原法脱硫项目，能认识到化学在缓解人类面临的环境问题中发挥的重要作用，增强学科理解力和社会责任感。在项目活动中，引导学生发现问题、获取信息，进行有依据的解释和推理，培养学生的化学探究能力。

（2）能从热力学和动力学视角出发，对CO还原法脱硫项目进行工业可行性分析，构建解决“物质转化的工业可行性分析”问题的思维模型。

（3）通过对催化剂表面反应机理的探究，能从微观角度分析反应历程中物质转化路径，运用相关化学符号描述反应机理，并能基于实验数据和催化机理对催化剂性能的优劣进行评价并解释。

三、项目任务及教学流程

见图1。

四、教学实录

1.情境引入：还原法脱硫的意义与价值

【情境】我国的能源构成以煤炭为主，燃煤烟气中SO2的排放对环境产生相当严重的污染。单质硫在我国工业生产中占据重要的地位，而我国硫磺矿匮乏，每年要花费巨额资金进口硫磺。因此探讨如何脱除烟气中的SO2，转为单质硫具有重要的意义。

【设疑】如何将SO2转化为S？

【学生】H2S、Na2S等还原剂。

【教师】烟气脱硫技术分为干法、半干法、湿法三大类。干法脱硫由于其工艺简单、设备投资小、运行成本低、无二次污染、无腐蚀和结垢问题，是目前新型工业脱硫技术的研究方向。

【追问】干法脱硫，有哪些合适的还原剂呢？

【学生】C、CO、H2等。

【过渡】CO是烟气中的成分之一，来源方便，如果CO可用于工业脱除烟气中的SO2，就可以达到以废治废，具有广阔的工业应用前景。CO还原脱除烟气中的SO2是否可行呢？

2.任务1：热力学视角探究“CO还原法脱硫”可行性

【资料】2CO（g）+SO2（g） =2CO2（g）+S（s）

△ H=-270 kJ.mol-l，△S=-184 J .mol-l .K-l.

【学生】根据△H-T△S<0，该反应在常温常压下可自发进行。

【追问】当温度到达450℃时，硫以气态存在，高温条件下该反应可自发吗？

【学生】当硫以气态存在时，反应△S变化很小，且该反应△H

【资料】在一定条件下，实验室测得不同CO/SO2进料比下反应的热力学平衡产物分布如图2[1]。发生如下反应：

①2CO（g）+SO2（g） =2CO2（g）+S（g） △H<0;

②C0（g）+S（g）一COS（g）AH<0;

③2COS（g）+SO2（g） =2CO2（g）+3S（g） △H

【設疑】COS是一种比SO：毒性还大的气体。你会如何选择温度条件？

【学生】低温下可提高SO：脱除率，但又需要在高温条件下抑制COS的生成。

【教师分析】这种情况下，我们需要考虑主、副反应的反应限度，以及温度对平衡的影响。

【学生】进料比为2时，产物基本为CO2和S，说明反应①正向进行程度很大。根据A点计算，K2=2.1。推测相同温度下：K1>>K2、K3。

【学生汇报】高温下SO：脱除反应进行限度很大，高温抑制COS的生成，且整体反应速率也较快，综合分析，选择高温条件更优。

3.任务2：动力学视角探究“CO还原法脱硫”可行性

【资料】在工业生产中，烟气排放的温度一般在200-400℃，排放量巨大，每秒约有几百万立方米，但其中SO2的浓度却很低，在这种高空速、低浓度的条件下，So2需要快速反应以达到排放的浓度要求。

【问题】根据CO脱硫反应的特点和工业生产实际，提出合理的工业化应用条件。

【学生】若能在烟气排放的温度范围完成还原脱硫，不需额外加热或冷却，可减少工艺流程及能耗。工业生产中需显著提升脱硫反应速率，同时抑制COS的生成。因此要实现CO还原脱硫的工业化应用，选择合适的催化剂是最有效的途径。

【过渡】研究表明，CO还原脱硫反应中，常以Al2O3为载体，选择Fe、Cu、Co、Ni等过渡金属硫化物（以下简单表示为MS的形式）作为催化剂。

【问题】实验室在一定条件下测得，Al2O3负载的FeS、CuS、CoS、NiS对SO2还原脱硫反应的催化性能如图3[2]，请选择合适的催化剂。

【学生汇报】由图a可知，FeS从300℃开始起催化作用，温度升高后活性迅速升高，380℃下SO2可全部还原;由图b可知，300℃上FeS的选择性可超过80%;由图c可知，FeS上硫收率远高于其他几种硫化物。综合评价，FeS的催化性能远优于其他。

4.任务3：探究“CO还原法脱硫”催化反应机理

【教师】科学研究中通常会分析反应过程中催化剂的质量变化，以推测反应物在催化剂表面的“吸附”和“脱附”过程，并从该角度对催化性能进行评价。

【问题】比较SO2在四种催化剂表面吸附和脱附的过程[2]（图4），评价它们的吸附和脱附性能。

【学生汇报】370℃起，FeS对SO2表现出较强的吸附能力，随着温度的升高吸附量不断增加，到510℃时SO2吸附量达到最大值。吸附饱和后，随着温度的继续升高，SO2吸附量开始减少，580℃时全部脱附，此后催化剂质量基本恒定在初始值。而CoS到脱附基本结束时，仍有大量的SO2吸附在催化剂上。CuS和NiS的曲线类似，没有明显的吸附增量现象。物质在催化剂表面能顺利地吸附和脱附，有利于物质发生催化反应。

【过渡】接下来我们通过对催化机理的分析，进一步探究FeS具有优异催化性能的原因。

【问题】金属硫化物催化CO还原SO2的机理[2]如图5，试着解释该催化反应的历程。

【学生汇报】当SO2和CO同时吸附于催化剂表面时，CO结合SO2中的氧生成CO2而放出，使催化剂由缺硫结构变为富硫结构，富硫结构的催化剂将S释放出去，催化剂又转变为缺硫结构，通过这种动态变换而实现CO还原SO2的过程。

【设疑】在催化过程中，什么因素会影响催化速率？

【学生】可能是缺硫结构和富硫结构之间的切换过程。

【追问】为什么Fe、Co、Ni、Mn的硫化物会是常用的催化剂，而不是其他金属。

【学生】可能是这几种金属元素都有变价元素，利于形成多种硫化物。

【问题】从表1中可知，不同催化剂在反应前后含硫量不同，这是否影响催化效率？

【学生】不同催化剂在反应前后含硫差异越大，说明该催化剂对硫的存储和释放硫的能力越好。在这几种催化剂中，FeS的贫硫和富硫结构具有最大的含硫率差异。

【小结】FeS对SO2的吸附和脱附性能较好，且FeS的贫硫和富硫结构具有较大的含硫率差异。因此FeS具有最高的催化活性。

【教师】一种催化剂从实验室研制到工业化生产通常需要数年时间，是一项十分艰巨的工作。绝大多数的烟气中都含有约3% -5%的氧气，氧气的存在使得催化剂易中毒、使用寿命不长。对于CO还原烟气脱硫法的高效、高选择性、高稳定性的催化剂研发还不断在进行中。

5.任务4：构建物质转化的工业可行性分析思维模型

【师生归纳】从CO还原法脱出空气中的SO2的工业可行性分析的过程中，抽提出分析解决此类问题的一般思路：根据需要解决的真实性问题，寻找物质转化的路径，并运用工程思维进行分析预测较为合理的转化路径，针对此转化问题，分别进行熱力学和动力学视角分析，从反应的自发性、主反应和副反应的限度、反应速率、催化剂的选择等方面进行层层递进的分析，寻找最优的解决方案，最后从催化剂机理方面进行分析和解释，从而构建出较为完整的分析物质转化的工业可行性分析的思维模型，如图6所示。

五、教学效果及反思

课堂观察中发现，面对这样的项目式课题研究，学生的接受度很高，学习热情也空前高涨，通过小组成员之间互助式的研究讨论，同学们积极思考，踊跃发言，主动推动该项目不断的深入研究下去，直至下课，同学们仍然意犹未尽，希望多一些这样的项目式教学课堂。课后访谈中同学们谈到，“高一学习元素化合物的知识，知道可以利用氧化还原方法来进行物质转化;高二学习反应原理的相关知识，知道如何改变反应限度和反应速率，但是将这两块知识有机结合起来，由我们自己提出一个物质转化方式，老师提供数据和资料支持，我们可以自己分析该转化能不能在工业上运用，这件事让我特别有成就感，觉得学习化学知识是很有价值的”。还有同学说到，“在之前的学习中，对催化剂的认识还停留在活化能改变、速率改变这些表层知识，通过今天的学习，让我能够深入催化剂机理的层次上进行探究，对催化剂的理解又上了一个台阶”。还有同学说，“原来我们也可以解决这看起来很高大上的问题，接下来我可以试着去研究其他类似的问题。”等等。

本项目从学生已有的认知出发，以解决发展中的化学科学问题——如何以废治废，利用烟气中的CO气体的还原性脱除烟气中的SO2，为解决酸雨的环境问题，做一些初步的尝试与探究。教学内容的结构化是促进学科知识转向学科核心素养的关键。本项目通过设计4个进阶的学习任务，包括：设计物质转化、热力学视角、动力学视角以及探究催化剂机理。在推进问题解决的进程中，引导学生不断挖掘新的问题，在复习课教学中寻找知识的生长点;鼓励学生深入探究、总结提炼解决一类问题的思维模型;在解决真实、复杂情境问题的过程中，实现知识建构和素养发展，最终达成实现通过学习“发展中的化学科学”课程，实现学科知识、能力和学科素养的全面发展。

参考文献

[1]冯太.活性炭/热解气耦合还原SO2为单质S的过程研究[D].济南：山东大学，2017.

[2]胡大为，秦永宁，马智，韩森.过渡金属硫化物催化剂上SO2的还原[J].催化学报，2002，9（5）：425-429.