李遠(yuǎn)瀧　李艷梅　孫磊

摘要：溫室效應(yīng)是社會關(guān)注熱點的問題，工業(yè)CO2的吸收對實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。有機胺吸收法是目前工業(yè)中常用的吸收CO2方法，本文基于有機胺吸收法及酰胺載體在CO2吸收中的應(yīng)用進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，在“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定功能，功能決定應(yīng)用”大概念統(tǒng)領(lǐng)下，從結(jié)構(gòu)認(rèn)識胺和酰胺的性質(zhì)。闡述工業(yè)應(yīng)用中有機胺吸收法的優(yōu)勢及酰胺載體的改良研究應(yīng)用，從科學(xué)、工業(yè)技術(shù)應(yīng)用和社會需求三個視角建立氣體吸收的認(rèn)知模型，發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生可遷移的問題解決能力。

關(guān)鍵詞：氣體吸收認(rèn)識模型；胺酰胺；教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-0546（2023）08-0002-06?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.08.001

一、教學(xué)內(nèi)容分析

“胺酰胺”是人教版新教材選擇性必修3《有機化學(xué)基礎(chǔ)》中“第三章烴的衍生物”的“第四節(jié)羧酸衍生物”的第二課時教學(xué)內(nèi)容，主要目的是引入官能團氨基和酰胺基，從而認(rèn)識兩類物質(zhì)胺和酰胺，并介紹相關(guān)常見的有機化合物，討論其性質(zhì)及其用途。工業(yè)中，常用有機胺吸收CO2實現(xiàn)碳捕集與封存，也有科研工作者開發(fā)使用聚丙烯酰胺作為載體負(fù)載有機液胺，制備胺基功能化固體吸附材料。本文基于胺和酰胺在CO2吸收中的應(yīng)用，建立氣體吸收認(rèn)知模型，并進(jìn)行相關(guān)知識的遷移應(yīng)用。

二、教學(xué)理念

以“雙碳”目標(biāo)為情境，將學(xué)生置于社會問題背景下思考CO2的吸收問題。在對有機胺吸收法和酰胺載體的不斷認(rèn)識中，形成對胺及酰胺性質(zhì)的認(rèn)識，強化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定功能，功能決定應(yīng)用”的基本觀念，建立氣體吸收的認(rèn)知模型，形成可遷移的問題解決能力。

三、學(xué)情分析

學(xué)生經(jīng)過之前的學(xué)習(xí)，對CO2的理化性質(zhì)有了充分的了解，并學(xué)習(xí)了NH3和酯的性質(zhì)及銨根離子的形成。在此基礎(chǔ)上，基于CO2的理化性質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生思考吸收 CO2的方法，介紹有機胺吸收法的應(yīng)用及其存在的缺陷，引入科學(xué)研究的改進(jìn)創(chuàng)新，建構(gòu)氣體吸收認(rèn)知模型。

四、教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)理念，將教學(xué)

目標(biāo)設(shè)置如下：

（1）通過有機胺吸收法的介紹，認(rèn)識胺類物質(zhì)及其性質(zhì)。

（2）通過孤對電子認(rèn)識 NH3和胺的堿性，對酸堿的定義進(jìn)行再認(rèn)識。

（3）通過思考，突破有機胺溶液吸收法的工業(yè)應(yīng)用缺陷，認(rèn)識酰胺在CO2吸收中的價值，進(jìn)一步認(rèn)識結(jié)構(gòu)、功能與應(yīng)用之間的關(guān)系。

（4）通過CO2氣體吸收及工業(yè)上的應(yīng)用，建構(gòu)氣體吸收認(rèn)識模型，學(xué)會從化學(xué)學(xué)科、技術(shù)應(yīng)用和社會需求三個不同視角思考?xì)怏w吸收問題。

五、教學(xué)思路

六、教學(xué)過程

1.板塊一：“雙碳”目標(biāo)與CO2的吸收

【學(xué)習(xí)情境】隨著現(xiàn)代文明的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的同時產(chǎn)生大量的CO2，從而導(dǎo)致全球變暖、酸雨等一系列問題。我國政府一直高度關(guān)注氣候變化對國家和社會的影響，并積極推進(jìn)碳減排的工作，于2020年正式提出“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。

【學(xué)習(xí)任務(wù)1】思考 CO2的吸收方法，初步建立物質(zhì)吸收的物理和化學(xué)視角

【思考】思考一下有哪些方法可以吸收CO2？

【學(xué)生】氫氧化鈉；水；植物的光合作用。

【教師引導(dǎo)】這些方法都能夠吸收CO2，可以發(fā)現(xiàn)同學(xué)們是基于CO2的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)來思考的，比如用水吸收 CO2是因為 CO2可以溶于水；氫氧化鈉吸收 CO2，是因為二者可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這就是氣體吸收的學(xué)科視角。實際上，吸收CO2還可以用活性炭吸附的物理法，以及有機胺吸收法和熱鉀堿法等化學(xué)法。

【學(xué)習(xí)任務(wù)2】認(rèn)識到胺是重要的CO2吸收劑

【教師】目前，90%的脫碳技術(shù)都是采用化學(xué)吸收法，其中常用有機胺吸收法，吸收劑大多采用醇胺溶液和有機胺溶液。這種方法具有材料制備方便，工藝技術(shù)成熟，氣體選擇性高和吸收量大等特點。

2.板塊二：從結(jié)構(gòu)視角認(rèn)識胺的性質(zhì)

【學(xué)習(xí)任務(wù)3】基于碳鏈和氨基，認(rèn)識胺類物質(zhì)

【提問】圖2是工業(yè)中常用的醇胺吸附劑和幾種常見的有機胺，同學(xué)們仔細(xì)觀察它們的組成結(jié)構(gòu)，試分析它們與烴的衍生物有什么不同之處？

【學(xué)生】與烴的衍生物比較，組成上：它們含有氮元素；結(jié)構(gòu)上：含有氨基。

【教師】氮元素是組成蛋白質(zhì)和核酸的必要元素，組成人體蛋白質(zhì)中的氨基酸則含有氨基，氨基即是氨分子失去H后剩下的基團。

【設(shè)問】那胺是什么呢？胺是烴基取代氨分子中的H 而形成的化合物，通式可以寫成R-NH2，官能團為氨基。

【提問】觀察圖3中的胺類，比較它們之間有什么不同？

【學(xué)生】氮原子上連接烴基數(shù)目不同。

【教師】根據(jù)氮原子上烴基的數(shù)目進(jìn)行分類，可以分為伯胺、仲胺和叔胺。N 上有四個烴基時，稱為季銨鹽。

【學(xué)習(xí)任務(wù)4】基于孤對電子，認(rèn)識胺的堿性

【提出高階思維任務(wù)】已知有機胺溶液吸收CO2的反應(yīng)原理如下：

R-NH2+CO2+H2O?R- NH3（+） HCO3（-）

大家小組討論，思考該化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。

【提示】大家可以先思考 NH3與 CO2反應(yīng)，方程式如下：

NH3+CO2+H2O=NH4HCO3

該反應(yīng)的本質(zhì)是什么？

【學(xué)生】NH3顯堿性，與酸性氧化物 CO2反應(yīng)生成對應(yīng)的鹽。

【引發(fā)思考】那NH3為什么顯堿性呢？

提示：銨根離子的形成。

【學(xué)生】NH3有一對孤對電子，可以和氫離子反應(yīng)，形成配位鍵，生成銨根離子。

【教師總結(jié)提升】因為氮原子有一對孤對電子，銨根離子的形成是 N 提供孤對電子，H+提供空軌道，二者之間形成配位鍵。這個過程可以表示為 NH3+H+= NH4（+） ，所以氨氣顯堿性的本質(zhì)原因，是因為氮原子含有一對孤對電子，可以和氫離子反應(yīng)。

【追問】同學(xué)們再看有機胺溶液吸收 CO2的方程式，分析二者反應(yīng)的本質(zhì)？

【學(xué)生】胺中的氮原子也有孤對電子，因此胺具有弱堿性，所以能和CO2反應(yīng)生成對應(yīng)的鹽。

【教師】胺和NH3具有相似的結(jié)構(gòu)，因此胺具有弱堿性。

【學(xué)習(xí)任務(wù)5】基于酸堿理論發(fā)展，深化對堿的認(rèn)識

【教師】回顧一下 NH3和胺，二者都具有堿性，但都不符合學(xué)過的酸堿的定義。初中學(xué)習(xí)的酸堿電離理論說在水溶液中電離時產(chǎn)生的陽離子全部是 H+的是酸，電離出的陰離子全是 OH-的是堿，它的一個限定條件是在水溶液當(dāng)中。但在沒有水存在時依然能發(fā)生酸堿反應(yīng)，比如氨氣和氯化氫氣體反應(yīng)生成氯化銨，這些物質(zhì)都未電離，電離理論就不能定義非水溶液中的酸和堿。所以在1923年布朗斯特提出了酸堿質(zhì)子理論，凡是能給出質(zhì)子的物質(zhì)都是酸，凡是能與質(zhì)子結(jié)合的物質(zhì)都是堿。因此，NH3是一種布朗斯特堿。

【教師】同學(xué)們觀察一下這個反應(yīng)：常溫下CaO固體和 SO3反應(yīng)生成硫酸鈣（CaO+SO3=CaSO4），該反應(yīng)能用電離理論或質(zhì)子理論解釋嗎？

【學(xué)生】不能，SO3沒有發(fā)生電離，也沒有釋放質(zhì)子；CaO沒有電離，也未接受質(zhì)子。

【教師】這個反應(yīng)不能用質(zhì)子理論去解釋，那我們又該怎么去解釋這個反應(yīng)呢？

提示：配位鍵的形成。

【學(xué)生】SO3中心原子S 原子有空軌道可以接受孤對電子，CaO中 O2-離子可以提供孤對電子，二者形成配位鍵，從而發(fā)生反應(yīng)。

【教師】它們不存在質(zhì)子交換，但涉及配位鍵的形成，電子對共用，這就是路易斯提出的酸堿電子理論：酸是可以接受電子對的分子或離子，堿是可以給出電子對的分子或離子。所以，SO3是一種路易斯酸，CaO是一種路易斯堿。

【教師】如表1，對于酸堿的認(rèn)識從水溶液中的電離理論，到非水溶液中的質(zhì)子理論，再到存在孤對電子授予的電子理論，這個發(fā)展過程讓我們看到，人們對化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)的認(rèn)識是不斷深化的，科學(xué)具有發(fā)展性和暫定性。

3.板塊三：基于有機胺吸收法存在的缺陷，探究酰胺在CO2吸收中的價值

【學(xué)習(xí)任務(wù)6】思考突破有機胺吸收法缺陷的方法

學(xué)習(xí)資料：使用乙醇胺（MEA ）和甲基二乙醇胺（MDEA ）等醇胺類堿性溶液存在許多缺點，例如溶液揮發(fā)性強、容器設(shè)備腐蝕快，以及溶液再生能耗高等問題。

【教師】思考有什方法可以改進(jìn)突破有機胺工業(yè)應(yīng)用上存在的缺陷呢？大家按小組分別從科研究人員、工廠技術(shù)人員兩個不同的角度考慮，小組內(nèi)進(jìn)行交流討論。

【小組1】從科研人員的角度，可以使用固體吸附材料，比如物理吸附材料，使用活性炭；使用其他揮發(fā)性低、腐蝕性小的有機胺溶液作吸收劑；使用沸點高的溶劑溶解醇胺。

【小組2】從工廠技術(shù)人員的角度，可以改變制備吸收劑的方法，不使用溶劑溶解；可以改變應(yīng)用的條件，比如溫度、壓強等，以減少吸收劑的揮發(fā)；考慮應(yīng)用成本和經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良。

【教師】使用高沸點溶劑或使用揮發(fā)性低的有機胺溶液的確可以減少揮發(fā)，那在此基礎(chǔ)上有沒有更為合適的方法進(jìn)行改進(jìn)呢？比如改變制備吸收劑的方法，不溶于溶劑，那可以怎么制備呢？

【學(xué)生】可以使用固體載體。

【教師】北京化工大學(xué)、重慶大學(xué)的科研人員，將有機胺負(fù)載到聚丙烯酰胺多孔材料上，用來吸附 CO2。在工業(yè)技術(shù)上負(fù)載載體的方法有很多，可以使用物理浸漬法，將多孔材料浸漬到有機胺中，將溶劑蒸發(fā)，有機胺就會負(fù)載到多孔材料中。

【教師】浸漬后，有機胺為什么可以留在多孔材料中？二者間是否存在分子間的相互作用力呢？

提示：胺和酰胺都有氨基。

【學(xué)生】二者之間可以形成分子間氫鍵，還存在范德華力。

【教師】二者之間會形成氫鍵，存在分子間作用力，所以可以將有機胺負(fù)載到聚丙烯酰胺這種多孔材料上。

【學(xué)習(xí)任務(wù)7】基于結(jié)構(gòu)認(rèn)識和比較胺和酰胺的化學(xué)性質(zhì)

【探究】圖4是聚丙烯酰胺的結(jié)構(gòu)式，它也含有氨基，那能否直接使用酰胺來吸收 CO2呢？我們大家一起試著分析一下。

【教師】觀察胺和酰胺的結(jié)構(gòu)，二者有什么異同？【學(xué)生】二者都有氨基，酰胺含有羰基。

【教師】基于二者結(jié)構(gòu)，比較一下二者的性質(zhì)差異。

【學(xué)生】羰基是吸電子基團，吸引N原子上的孤對電子，使 N原子上的電子云密度降低，因而其接受質(zhì)子的能力降低，導(dǎo)致其堿性減弱，所以胺的堿性強。

【教師】在水中胺存在一個電離平衡，可以奪取水中的氫離子，釋放出氫氧根，Kb為平衡常數(shù)，pKb為其負(fù)對數(shù)，Kb越大，pKb越小，堿性越大。

學(xué)習(xí)資料：如表2，酰胺的pKb一般為15-16，脂肪胺的pKb為3-5，所以酰胺的堿性比胺弱。脂肪胺可以吸收CO2，而酰胺與酸不能形成穩(wěn)定的鹽。[1]

【教師】酰胺能否和CO2反應(yīng)？

【教師】現(xiàn)有研究表明，酰胺和CO2是可以反應(yīng)的，只不過反應(yīng)的條件比較苛刻，需要在一定的催化劑作用下，溶于苯，在25℃反應(yīng)24 h（見圖5）。所以，該反應(yīng)不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。[2]

【教師】酰胺其實就是羧酸分子中的羥基被氨基所替代得到的化合物，比如說乙酰胺，可以看作是乙酸分子中的羥基被氨基所替代；苯甲酰胺，可看成是苯甲酸中的羥基被氨基所替代。

【教師】酰胺與胺相比，除具弱堿性以外，與酯類似，在酸或堿加熱的條件下可以發(fā)生水解，水解生成對應(yīng)的羧酸和氨氣。比如在鹽酸條件下水解，產(chǎn)物為對應(yīng)的羧酸和氯化銨；在氫氧化鈉催化下水解，產(chǎn)物為對應(yīng)的羧酸鈉和氨氣。

【教師】我們比較一下胺和酰胺的化學(xué)性質(zhì)，由于結(jié)構(gòu)的不同，可以發(fā)現(xiàn)胺顯堿性，酰胺顯弱堿性，且可以發(fā)生水解，所以胺可以用來吸收CO2，而酰胺則不可以。

【教師】為什么聚丙烯酰胺可以作為有機載體負(fù)載有機胺呢？因為該聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高，剛性大，有較高的力學(xué)強度，并且可以與胺形成分子間氫鍵，可以負(fù)載胺。

【學(xué)習(xí)任務(wù)8】認(rèn)識氨基功能化固體吸附材料

【教師】將有機胺負(fù)載到聚丙烯酰胺多孔材料上的過程就叫作氨基功能化，這種通過一定方式將各種有機液胺負(fù)載到固體多孔材料上得到的材料成為氨基功能化固體吸附材料，它具有成本低、CO2吸附選擇性高、吸脫附能耗低等優(yōu)點，成為吸附CO2最具潛力的材料。

4.板塊四：氣體吸收認(rèn)知模型的建構(gòu)

【學(xué)習(xí)任務(wù)9】基于 CO2的吸收，建構(gòu)氣體吸附認(rèn)知模型

【教師】篩選合適的吸收方法需要考慮哪些條件呢？同學(xué)們結(jié)合剛才學(xué)習(xí)的有機胺吸收法，它有哪些優(yōu)點？我們?yōu)槭裁催x用了這種方法呢？

【學(xué)生1】從工業(yè)技術(shù)應(yīng)用的可行性角度考慮，其具有材料制備方便、CO2選擇性高、吸收量大等特點。

【學(xué)生2】從社會生產(chǎn)的效益角度考慮，其具有成本低、經(jīng)濟效益高等特點。

【教師】可以從技術(shù)應(yīng)用的可行性和社會生產(chǎn)的效益角度，篩選合適的氣體吸收方法，確定對氣體具有高選擇性，材料易制備且成本低、吸收量大、經(jīng)濟效益高和工藝技術(shù)成熟等優(yōu)勢的吸收方法。

【教師】選擇合適的吸收方法進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用時，會發(fā)現(xiàn)存在不足，需要進(jìn)行改進(jìn)。同學(xué)們認(rèn)為可以從哪幾個方面進(jìn)行分析改進(jìn)呢？

【學(xué)生】可以從學(xué)科視角、技術(shù)視角及社會視角。

【教師】改進(jìn)可以從以上三個視角出發(fā)，而科研工作者會針對不同視角發(fā)現(xiàn)的問題加以改進(jìn)，研究新型材料或開發(fā)新技術(shù)，測試不同應(yīng)用環(huán)境下氣體吸收效率，比如：CO2吸收中氨基固體吸附材料的研究。所以科學(xué)前沿的研究會針對已有的問題進(jìn)行探索改進(jìn)，創(chuàng)新開發(fā)新材料、新技術(shù)，用于解決社會實際問題。所以我們可以從科學(xué)、技術(shù)應(yīng)用和社會需求三個視角認(rèn)識氣體的吸收問題，建立氣體吸收的認(rèn)識模型（見圖6）。

【學(xué)習(xí)任務(wù)10】遷移應(yīng)用思考氮氧化物的吸收方法

【教師】工業(yè)煙氣中還含有氮氧化物廢氣，結(jié)合自己所學(xué)知識，思考吸收氮氧化物的方法有哪些？這些方法能否應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中？

七、總結(jié)與反思

1.概念重構(gòu)，酸堿的再認(rèn)識

初中階段學(xué)習(xí)的酸堿電離理論在高中階段存在局限性，無法定義非水溶液中的酸和堿。基于此問題，本節(jié)課在介紹氨氣和有機胺具有堿性的基礎(chǔ)上，對酸堿進(jìn)行了再認(rèn)識。通過分析學(xué)生已有認(rèn)知的不足，舉例介紹了酸堿質(zhì)子理論以及酸堿電子理論，對酸堿概念進(jìn)行重構(gòu)，加強學(xué)生對于酸堿的再認(rèn)識。

2.大概念統(tǒng)領(lǐng)，發(fā)展學(xué)科觀念

本節(jié)課基于“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定功能，功能決定應(yīng)用”大概念的統(tǒng)領(lǐng)，介紹有機胺吸收法，基于胺的結(jié)構(gòu)認(rèn)識胺的堿性，通過類比胺和酰胺的結(jié)構(gòu)，探究酰胺能否直接用于吸收 CO2，比較挖掘酰胺的化學(xué)性質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)認(rèn)識CO2吸附中的相關(guān)應(yīng)用，從而培養(yǎng)發(fā)展學(xué)生學(xué)習(xí)有機化學(xué)的學(xué)科觀念。

3.基于科學(xué)、技術(shù)應(yīng)用及社會需求，建立氣體吸收認(rèn)知模型，解決氣體吸收問題

2020年我國正式提出“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，為實現(xiàn)該目標(biāo)，工業(yè)排放 CO2的捕集與封存顯得尤為重要。本節(jié)課的教學(xué)重點是基于科學(xué)、工業(yè)技術(shù)應(yīng)用和社會生產(chǎn)需求視角認(rèn)識“雙碳”目標(biāo)與 CO2氣體的吸收，介紹有機胺吸收法的方法優(yōu)勢及酰胺載體的改良研究應(yīng)用，在問題探究過程中不斷完善、建構(gòu)氣體吸收的認(rèn)識模型。讓學(xué)生體會化學(xué)學(xué)科知識在生活中的實踐應(yīng)用，發(fā)展學(xué)生從科學(xué)、工業(yè)技術(shù)應(yīng)用及社會生產(chǎn)需求視角解決氣體吸收問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任觀，發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)，激發(fā)其學(xué)習(xí)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)

［1］王許鵬奎. 有機含氮化合物堿性強弱變化規(guī)律［J］. 化學(xué)教育（中英文），2004，25（2）：3-9.

[2] Q. Zhang，X. Lin，N. Fukaya，T. Fujitani，K. Sato and J.Choi，Selective N-formylation/N-methylation of amines and N-formylation of amides and carbamates with carbon diox- ide and hydrosilanes：promotion of the basic counter anions of the zinc catalyst [J]. Green Chem.，2020，22：8414-8422.