教学素材：《天工开物》中的造纸术

【教学素材】 《天工开物》中的造纸术 湖北省石首市文峰初级中学 刘涛（正高级教师） 【背景资料】（人教版上册第3面图5）明代宋应星（1587～约1666）的著作《天工开物》的封面和其中的造纸示意图（局部） 《天工开物》是明代科学家宋应星所著的科技著作，被《大英百科全书》誉为“中国古代科技文献的里程碑”，其中详细记载了中国古代造纸术的工艺流程，首次系统总结了蔡伦改进的造纸术，纠正了欧洲对古代中国无系统造纸技术的误解。第十三卷《杀青》中系统描述了竹纸制作工艺，书中附有的造纸插图，是当时世界上最详尽的造纸工艺记录，对世界造纸技术发展产生了深远影响。 ‌ （1）‌斩竹漂塘‌：将嫩竹砍下后，放入池塘中浸泡，经过一百日以上的时间，利用自然微生物的分解作用，去除竹子表面的青皮，使竹子软化。 ‌（2）煮楻足火‌：将经过浸泡去除青皮的竹子，放入专为蒸煮而设计的“徨”桶中，与石灰一同进行长达八天八夜的蒸煮过程用大火煮竹子，去除杂质并分离纤维。 ‌（3）荡料入帘‌：将煮好的浆料倒入筛子（抄纸模），形成一层薄薄的纸浆薄层，紧紧附着在竹帘之上。浆料上多余的水分通过竹帘四周自然流入槽内。 ‌（4）覆帘压纸‌：将竹帘翻面，让湿纸自然落在板上，从而形成一张张纸张。覆盖帘布压实纸浆，排出多余水分。 ‌（5）透火焙干‌：将累积的湿纸逐张掀起，置于阳光下或送入焙纸设备中干燥成型。 随着造纸工业不断完善和成熟，造纸的步骤基本上没太大改变，造纸原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，蒸煮过程加入碱性物质主要目的是腐蚀、溶解木质素。现代造纸对蒸煮试剂进行了改良，使用碱性更强的氢氧化钠，脱木素能力更强，水解能力更强。现代造纸工业的流程大概如下： 其中，在生产过程中制浆产生的废液，污染最为严重，因其黑色素，所以叫做黑液，工业上处理该废液一般先蒸发浓缩，然后对其中的木质素（含C、H和O元素）进行燃烧，处理有的废液中成分含有氢氧化钠、碳酸钠。 【同步训练设计】 （相关相对原子质量：H﹣1、C﹣12、O﹣16、Na﹣23、Cl﹣35.5、Ca﹣40、Ba﹣137）） 1．《天工开物》中记载了古法造纸工艺。下列步骤中一定发生了化学变化的是（ ） A．煮湟足火 B．斩竹槌洗 C．日晒成干 D．覆帘压纸 2．我国宣纸因原产于安徽省宣城而得名，宣纸是中国文房四宝之一，用于书写和绘画，其制作工艺被列入我国首批非物质文化遗产名录。下列关于宣纸的传统制作工序中主要发生化学变化的是（ ） A．挑选原料   B．加碱燕煮    C．竹帘捞纸     D．剪裁纸张 3．明代科学家宋应星《天工开物》记录了古法造纸术，其中“舂臼水碓”和现代制浆造纸工艺的（ ）工序是一致的。 A．蒸煮 B．打浆 C．成形 D．压榨 4．造纸术是我国古代的四大发明之一。 （1）《天工开物》中记载了造竹纸的过程：斩竹漂塘、煮檀足火、荡料入帘、日晒成干等步骤。 ①“荡料入帘”的“帘”是带筛网的捞纸工具，其原理与实验室中　 　（填基本操作名称）相似。 ②“煮楻足火‌”是造纸术中最关键的一个步骤。其原理是利用石灰浆和草木灰水的　 （填“酸”或“碱”）性，除去竹纤维中的有害物质。请解释这一步骤中，选用石灰浆，而不选择石灰水的理由 。 ③“日晒成干”是将湿纸张逐渐晒干，从微观角度解释是因为 。 （2）现代壁纸、包装用纸板等要求纸张具有阻燃性能。氢氧化铝为难溶性白色固体，是常见的阻燃剂，其受热至220℃开始生成耐高温的氧化铝和水蒸气，从而起到阻燃作用。 ①阻燃时，氢氧化铝受热分解的化学方程式为 。 ②氢氧化铝能够阻燃的原因是　 　（填序号）。 A．阻燃剂氢氧化铝是难溶性白色固体        B．反应分解时吸收热量，降低可燃物的着火点 C．氧化铝覆盖在可燃物表面隔绝空气        D．生成的水蒸气降低了可燃物周围氧气的浓度 5．“造纸术”是我国“四大发明”之一。《天工开物》中记载古法造纸术的流程是原料浸泡→蒸煮→抄制→烘干。 （1）探寻古法造纸 古法造纸术中在蒸煮环节往往选择碱性的石灰水或草木灰水（主要成分K2CO3），如果造纸原料纤维较复杂会选择混合使用石灰水和草木灰。为探究其原因，测得各液体pH值如表所示： 碱性液体 草木灰水 饱和石灰水 草木灰和石灰水混合后上清液 pH 11.2 12.1 12.8 分析上述实验数据可知，混合后溶液碱性　　（填“增强”或“减弱”）填，原因（用化学方程式解释）为 。 （2）制造再生纸 化学小组利用回收的废纸进行“制造再生纸”，在蒸煮时加入了氢氧化钠。造纸后，为处理剩余的废液进行如下探究活动。 【提出猜想】废液中含有氢氧化钠和碳酸钠中的一种或两种。 【实验设计】 实验操作 实验现象 预期实验结论 步骤1：取少量废液于试管中，加入少量的　 （填“BaCl2”或“Ba(OH)2”）稀溶液。 若产生 ； 废液中有Na2CO3 步骤2：取少量步骤1中的上层清液于试管中，滴加　。 若 ； 废液中有NaOH 【方案优化】经过讨论，小组同学认为步骤1不严谨，理由是 。 【实验及结果】实施优化后的方案，结果表明废液中含有氢氧化钠和碳酸钠。 6．《天工开物》记载了古法造纸的工序。其中，蒸煮过程加入碱性物质主要目的是造浆和溶解木质素。下图是模拟蒸煮后的废液净化并回收氢氧化钠的流程图。 已知：木质素属于有机物，充分燃烧产生二氧化碳。 （1）氢氧化钠的俗称是 。 （2）某同学取少量废液Ⅱ，滴入酚酞溶液，观察到溶液变红，得出废液Ⅱ中有NaOH，该说法  （填“正确”或“错误”），请说明理由  。 （3）物质Y转化为Ca（OH）2反应的化学方程式为 ，其基本反应类型是 反应 （4）上述流程除回收氢氧化钠外，还有的优点是 节约能源（合理即可）（写一点）。 7．《天工开物》记载古法造纸术的流程是原料浸泡、蒸煮、抄制、烘干。兴趣小组根据记载，利用回收的废纸进行“制造再生纸”跨学科实践活动，在蒸煮时加入了氢氧化钠。造纸后，为处理剩余的废液进行如下探究活动。 【查阅资料】①BaCl2＋Na2CO3 ＝BaCO3↓＋2NaCl；②BaCl2溶液呈中性； ③碱石灰是氢氧化钠与氧化钙的固体混合物，能吸收水和二氧化碳。 【任务一】废液成分分析 【提出猜想】推测废液中含有氢氧化钠和碳酸钠中的一种或两种 【实验设计与实施】 实验操作 实验现象 预期实验结论 步骤1：取少量废液于试管中，加入少量的　　（填“BaCl2”或“Ba(OH)2”）稀溶液。 若产生 。 废液中有Na2CO3 步骤2：取少量步骤1中的上层清液于试管中，滴加　。 若 。 废液中有NaOH 【任务二】废液中碳酸钠含量测定 兴趣小组设计了如下图所示的实验，取100g废液样品放入装置A的锥形瓶中，先通入一会儿N2，然后称量装置C、D的质量，再向锥形瓶中滴加足量稀硫酸，至不再产生气体，继续通一会儿N2后，测得装置C、D分别增重2.1g和0.1g。 （2）锥形瓶中不再产生气体后，需要继续通一会儿N2，其原因是______。 （3）装置C中反应的化学方程式是______。 （4）废液中碳酸钠的溶质质量分数是______（保留到0.1%）。 （5）如果缺少装置B，会使测定的碳酸钠含量______（填“偏大”或“偏小”）。 【任务三】废液的处理 （6）为使废液中的碳酸钠转化为氢氧化钠循环利用，需根据废液中碳酸钠的含量，加入一定量的某种物质，该物质与碳酸钠反应的化学方程式是______。 8．纸的使用促进了人类文明的发展，在《天工开物》中，就已经详细记载了我国古法造纸的工序（如图所示）。 【查阅资料】 ①造纸原料主要由纤维素、半纤维素和木质素（由碳、氢、氧元素组成的有机物）组成； ②古法造纸蒸煮过程加入的试剂“浸灰水”是草木灰和石灰乳，其目的是腐蚀、溶解木质素。 （1）草木灰和石灰乳的主要成分分别为K2CO3和 （填写化学式）。 石灰法制浆时脱脂脱色能力强，脱木质素能力弱，成纸强度低。现代造纸对蒸煮试剂进行了改良，使用NaOH。某造纸厂对造纸废弃物进行了如图所示处理，并回收苛性钠。经检验“蒸煮”之后的溶液中存在Na2CO3。 （2）气体X的成分为 。 【提出问题1】滤液Ⅰ中是否含有NaOH？ 【实验验证1】小组同学通过图中所示实验进行验证，得出滤液I中含NaOH的结论。 （3）步骤①的化学方程式为 。 【交流讨论】（4）若滤液Ⅰ在蒸发浓缩过程中没有晶体析出，根据溶液的组成可知，浓缩过程溶液中 的质量不变。 【提出问题2】滤液Ⅱ中的溶质（不考虑其中溶解的有机物）是什么? 【作出猜想】猜想①NaOH、Na2CO3； 猜想②：NaOH、Ca（OH）2； 猜想③：NaOH、Ca（OH）2 、Na2CO3。 小组同学经讨论一致认为猜想③不成立，理由是 。 【实验验证2】（6）取少量滤液Ⅱ于试管中， （填写操作过程及实验现象），说明猜想②正确。 【知识拓展】 （7）造纸工业在生产过程中会产生大量污染物，如果不经处理或只轻度处理就将废水直接排放，会造成严重的污染。造纸厂废水主要含有氢氧化钠和一些细小纤维有机物及沉淀物，工厂利用pH计和COD传感器（可以用来表示废水中总有机物含量）测得在污水处理过程中溶液pH和总有机物含量的变化，根据如图所示变化可知当废水的pH在6～9之间，COD的指标范围为 便可排放。 参考答案 1～3．A、B、B； 4．（1）①过滤；②氧化钙微溶于水，石灰浆中比石灰水中氢氧化钙含量多，效果更佳；③分子不断运动着；（2）①2Al（OH）3 ( △ ) Al2O3＋3H2O；②CD。 5．（1）增强；Na2O3＋Ca（OH）2 ＝CaCO3↓＋2NaOH；（2）产生白色沉淀；加入适量的无色酚酞溶液；溶液变红；不能完全除去碳酸钠。 6．（1）火碱、烧碱或苛性钠；（2）错误；碳酸钠溶液呈碱性；（3） CaO＋H2O＝Ca（OH）2；化合；（4）节约能源（合理即可）。 7．（1）产生白色沉淀；加入适量的无色酚酞溶液；溶液变红；（2）使反应生成的二氧化碳全部吸收，防止部分气体残留装置中，影响实验效果；（3）CO2＋2NaOH ＝Na2CO3＋H2O；（4）5.3%；（5）偏大；Na2O3＋Ca（OH）2 ＝CaCO3↓＋2NaOH。 8．（1）Ca（OH）2；（2）二氧化碳和水蒸气（或CO2和H2O）；（3）Na2CO3＋CaCl2 ＝CaCO3↓＋2NaCl；（4）溶质；（5）Ca（OH）2 和Na2CO3会发生反应；（6）通入二氧化碳（或Na2CO3溶液），生成白色沉淀（合理即可）；（7）小于100mg/L。 学科网（北京）股份有限公司 $