資源簡介

第二章 海水中的重要元素——鈉和氯
第一單元 鈉及其化合物
本單元通過對研究鈉及其化合物性質的方法和程序，全面促進化學學科核心素養的提升，重點促進“科學態度與社會責任”，“宏觀辨識與微觀探析”、“科學探究與創新意識”的提升。
核心素養發展重點 內容要求 學業要求
科學態度與社會責任 增強探索未知、崇尚真理的意識，贊賞化學對社會發展的重大貢獻；通過對金屬鈉性質研究等一系列科學探究活動，增強安全意識和培養嚴謹求實的科學態度。 結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解鈉及其重要化合物（Na2O、Na2O2、Na2CO3、NaHCO3等）的主要性質，了解其在生產、生活中的應用和對人類社會發展的影響。 1.具有較強的問題意識，能提出化學探究問題，能做出預測和假設。能依據實驗目的和假設，設計解決簡單問題的實驗方案，能對實驗方案進行評價。 2.能運用實驗基本操作實施實驗方案，具有安全意識和環保意識。能觀察并如實記錄實驗現象和數據，進行分析和推理，得出合理的結論。 3.能預測物質的某些性質，并進行實驗驗證。 4.能列舉、描述、辨識含有鈉元素的典型物質重要的物理和化學性質及實驗現象。能用化學方程式正確表示含有鈉元素的典型物質的主要化學性質。
宏觀辨識與微觀探析 基于研究物質性質的基本方法和基本程序，探究鈉及其化合物的性質。
科學探究與創新意識 根據化學問題設計簡單的實驗方案并完成實驗；觀察并客觀記錄物質及其變化的現象；通過分析、推理獲得實驗結論，依據證據分析和解決實際問題。
1.單元整體設計構思：
本單元以金屬鈉及其化合物在生產、生活中的應用為情境，以鈉單質、氧化鈉、過氧化鈉、碳酸鈉和碳酸氫鈉等物質的性質為主要內容，以實驗探究和對真實情境的分析為主要手段，將本單元分為3個任務主題。
本單元整體構思如下。
2.單元教學目標：
(1)通過實驗探究鈉、氯化鈉、過氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉等物質的性質，引導并發展學生實驗探究的水平；同時提升學生的知識表征水平，要求學生能從現象（宏觀）、變化（微觀）和化學方程式（等號）等方面建立對化學事實的多重表征。
(2)通過對鈉及其化合物的性質、用途及相互轉化的結構化呈現，訓練并發展學生認識事物的結構化水平；通過探究過程的設計、展示和評價，發展學生的證據推理與模型認知水平，培養學生的批判思維能力。
(3)通過鈉電池的研究應用以及抗酸藥的成分檢驗與定量分析等真實情境，讓學生感受化學對人類社會發展的巨大貢獻，進一步提升學生對化學與社會關系的認識水平；能建立物質的性質和用途之間的聯系，在情境演練中提升學生在真實情境中解決問題的能力。
3.課時安排： 建議2課時
1.情境：
我們每天攝入的食鹽的主要成分是氯化鈉，廚房中的堿的主要成分是碳酸鈉，治療胃酸過多的是碳酸氫鈉，這些都是同學們熟悉的鈉的化合物。過氧化鈉可用作潛水艇、航天飛船中的供氧劑，鈉鉀合金已在核反應堆中有著廣泛的應用。近年來關于鈉電池的研究備受關注，大有替代鋰電池的勢頭。金屬鈉及其化合物在生產、生活及航空航天、軍事科研領域都有著極其廣泛的應用。
2.任務及任務分解：
課時 任務 活動 設計意圖
第
1
課
時 【任務1】通過了解鈉電池的研發、學習鈉的性質與應用 1.科學家為什么能從鋰電池聯想到開發鈉電池
2.鈉電池工作時，發生的反應是什么
3.鈉電池在推廣使用上可能有什么局限性
4.鈉電池可能具有什么優勢 從鈉原子的結構出發，分析其易失去最外層的1個電子，性質較活潑，繼而通過探究其與氧氣的反應，與水的反應、與鹽溶液的反應等，分析得出其具有還原性
第
2
課
時 【任務2】認識載人飛船的常用供氧劑——過氧化鈉 1.載人航天飛船的供氧劑可能是什么
2.“滴水生火”——過氧化鈉與水反應
3.“吹氣生火”——過氧化鈉與二氧化碳的反應
4.常見供氧劑——過氧化鈉 通過對選用什么物質作為飛船供氧劑的思考，引出課題。繼而通過對過氧化鈉與水，與二氧化碳反應的分析思考，認識過氧化鈉的有關化學性質，認識過氧化鈉相關性質的對比，較全面認識兩種物質的性質及用途
【任務3】由一瓶抗酸藥探究碳酸鈉與碳酸氫鈉 1.抗酸藥碳酸氫鈉片的適應癥及保存
2.如何設計實驗驗證久置的碳酸氫鈉已發生分解
3.如何設計實驗測定久置的碳酸氫鈉樣品中碳酸鈉與碳酸氫鈉的質量分數 以碳酸氫鈉片在治療胃酸過多癥中的應用為情境，回顧碳酸氫鈉的有關性質，繼而通過對久置的碳酸氫鈉定性、定量的實驗探究與分析，對比碳酸鈉與碳酸氫鈉的性質與差異，了解二者的鑒別與檢驗方法及相互轉化關系
1.教學建議
(1)精心創設情境。情境創設應突出學科核心素養，可從真實的生產、生活、科學史實、科學前沿、實驗等方面多角度展開，如金屬鈉在工業上的制備，金屬鈉的發現史、海水曬鹽、粗鹽提純、氯堿工業、廚房中的鈉的化合物等都可以作為情境引入。這些情境同時可以引導學生化學知識與生產、生活的密切聯系。但是創設情境時要盡量避免選擇負面案例，不要過分強調化學對人類社會的負面影響。
(2)關注學科思維。注意化學學科普遍性和特殊性的辨證統一。例如，鈉及其化合物具有金屬及其化合物的一般性質，又在某些方面體現特殊的性質；既要關注知識的情境化應用，又要關注對情境的剝離性分析。問題和任務的設計應該基于學科知識結構和學生認知結構的結合，注重思維的深層發展。例如，本單元的內容涉及金屬鈉與鹽溶液反應的“異常”現象、用酚酞檢驗過氧化鈉與水反應后溶液的堿性時的“異?！爆F象等，教師要抓住這些教學的最佳時刻，以此作為學生思維訓練和提升的契機。同時注意對學生的思維表現，活動表現應恰當評價，引導學生反思自己的思維過程。
(3)突出科學態度。本單元你是元素化合物知識的學習，可以設計多種多樣的實驗探究活動，教師要有意識地培養學生地實驗觀察、分析、評價能力，同時鼓勵學生尊重實驗事實，大膽提出自己的想法，并根據猜想和假設提出合理的探究路徑，培養嚴謹求實的科學態度。
2.資源支持
金屬鈉的制備
金屬鈉用于生產醫藥中間體、催化劑、石油脫硫劑、氧化劑、漂白劑、染料、農藥、香料、有機化合物生產用的鈉化合物和含鉛汽油添加劑，也用于鉀、鈦、鋯、鈮、釩、鉭等金屬的生產，制生氧劑Na2O2及鈉鉀合金；也應用于核反應堆（鈉冷卻堆）導熱、鈉電池以及電光源等領域。金屬鈉的制備方法主要有以下幾種。
1.燒堿熔融電解法
燒堿熔融電解法也稱卡斯特納法，英國化學家戴維（H.Davy）在1807年第一次用電解氫氧化鈉的方法制得金屬鈉，而后英國人卡斯特納（H.Y.Castner）在1890年建廠用該方法制備金屬鈉，所以得名。燒堿熔融電解法以氫氧化鈉為主要原材料，熔融電解溫度為300330 °C，陽極為鎳制，陰極為鐵或鋼制，在電極之間設置鎳網作隔膜以分離電解產物，電解電壓為45 V，陰極析出金屬鈉。主要化學反應方程式為4NaOH(熔融)4Na+2H2O+O2↑。
2.食鹽熔融電解法
食鹽熔融電解法也稱東斯法，因美國人東斯（J.C.Downs）在1921年研究成功而得名。食鹽熔融電解法以精制鹽為主要原材料，通過熔融電解得到金屬鈉和副產物氯氣，主要化學反應方程式為2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑。食鹽熔融電解法東斯電解槽示意圖如下圖所示。
熔融電解時氯化鈉需要處于熔融狀態，而氯化鈉的熔點達801 °C，能耗較高且對裝置要求較高。為了降低熔融電解時電解質的熔點，一般需加入摻料鹽形成混合電解質，如以氯化鈉、氯化鈣組成的二元體系或以氯化鈉、氯化鈣、氯化鋇形成的三元體系。質量分數分別為40%的氯化鈉和60%的氯化鈣的共熔物，其熔融溫度約為580 °C，可以大幅度降低電解時所需的溫度，同時也降低了鈉的蒸氣壓，對熔融電解裝置的要求也降低了。電解時，金屬鈉和雜質（主要是金屬鈣）同時被還原出來，浮在陰極上方的熔鹽上面，從管道溢出，副產物氯氣在陽極析出。把熔融的金屬鈉和雜質（主要是金屬鈣）的混合物冷卻到105110 °C，因金屬鈣的熔點高達840 °C，而金屬鈉的熔點為97.81 °C，在此溫度下金屬鈣會結晶析出，經過濾就可以把金屬鈉跟金屬鈣分離。上升管中可裝上能定時轉動的刮刀，就可以定時將附在管壁上的鈣刮下，重新進入熔融電解質中，并發生反應Ca+2NaCl(熔融)=CaCl2+2Na，以增加鈉的產量，保持電解質組成的穩定。
3.電解鈉汞齊法
1971年，日本Tekkosha公司首先掌握了電解鈉汞齊法制備金屬鈉的方法并應用于工業化生產。整個系統包括1個由鹽水制取鈉汞齊的電解槽、1個由鈉汞齊制取金屬鈉的電解槽、1個含0.1%0.5%汞的鈉提純系統。在第2個電解槽中，利用第1個電解槽中制取的鈉汞齊作陽極，帶孔的鐵片作陰極。電解液中含有NaOH、NaCl和NaCN。電解時形成的金屬鈉通過陰極上的孔漂浮上來，不斷地從電解槽中析出。為了抑制副反應，電解液中必須充滿氫氣。電解鈉汞齊法需用到汞，汞蒸氣有毒，會污染環境并危害作業人員的健康，因此必須采取嚴格的安全防護措施。
4.-A12O3隔膜電解法
-A12O3是一種固體電解質，由于此種材料具有可允許鈉離子在其中遷移，而其他離子不容易或不能在其中遷移的特性，據此可利用-A12O3管作隔膜，電解熔融燒堿或氯化鈉制鈉。-A12O3隔膜電解法工藝流程簡單、裝置結構簡單，所得金屬鈉純度較高，可省去粗鈉過濾提純的步驟。如能解決高質量-A12O3管的制備和獲得問題，則-A12O3隔膜電解法將是非常有前景的制備金屬鈉的方法。
參考文獻：江瑜，袁小武，胡蘊成.金屬鈉的制備研究[J].東方電氣評論，2013(1)：1-3.
過氧化鈉使酚酞褪色機理的探討
將適量Na2O2加入滴有酚酞的水中，可觀察到溶液先變紅后褪色。通常，人們解釋上述實驗現象的觀點主要有：(l)Na2O2與水反應體系中，酚酞褪色是因為生成的H2O2具有漂白性。(2)Na2O2與H2O反應使酚酞褪色，是Na2O2與H2O2共同作用的結果，pH在813之間時，主要是堿性條件下H2O2氧化了酚酞的醌式結構（見圖），使紅色褪去。(3)酚酞遇到H2O2會導致酚酞的結構發生氧化性破壞或結構性破壞，致使酚酞褪色。(4)Na2O2溶液與酚酞之間的作用實際上就是堿性溶液中H2O2電離出的和酚酞的醌式結構發生了氧化還原反應。
參考文獻：
1.吳星，呂琳，楊侖，等.過氧化氫使酚酞褪色機理的探討［J］.化學教育，2014(11)：79-81.
2.呂秀麗.過氧化鈉與水反應過程中酚酞褪色的新釋疑［J］.化學教學，2005(3)：7-8.
思考：你覺得過氧化鈉與水反應過程中酚酞褪色可能是什么原因？你能否設計實驗證明你的結論？

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