運(yùn)用創(chuàng)新技法設(shè)計(jì)探究硝酸氧化性實(shí)驗(yàn)

王緒巖

摘要：化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教學(xué)中一個非常重要的環(huán)節(jié)，對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)體現(xiàn)了教師和學(xué)生的智慧，對師生創(chuàng)新能力的提升作用很大。創(chuàng)新技法可以使創(chuàng)新過程少走彎路，為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)提供思考的方向，起到事半功倍的效果。在創(chuàng)新技法的指導(dǎo)下，運(yùn)用組合技法和缺點(diǎn)列舉技法，設(shè)計(jì)探究硝酸氧化性實(shí)驗(yàn)，取得較好的效果。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新技法；組合技法；缺點(diǎn)列舉技法；硝酸氧化性

文章編號：1005–6629（2016）12–0050–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

當(dāng)代科學(xué)創(chuàng)始人默頓認(rèn)為，人類創(chuàng)造發(fā)明也是有規(guī)律可循的，對同一研究目標(biāo)常有許多人在同一跑道上競爭，而最先到達(dá)終點(diǎn)的天才，只是在發(fā)明過程中發(fā)揮更大的創(chuàng)造力，在運(yùn)用創(chuàng)新方法上勝過了別人[1]。創(chuàng)新技法可以使創(chuàng)新過程少走彎路，為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)提供思考的方向，起到事半功倍的效果。

1 中學(xué)常用的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新技法

常用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新技法有組合技法、缺點(diǎn)列舉技法、比較技法、替代技法等[2]。組合技法指將一些相關(guān)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)按某種關(guān)聯(lián)因素或特征進(jìn)行新的組合，構(gòu)成新的實(shí)驗(yàn)。如利用組合技法，將某種氣體的制備與性質(zhì)探究結(jié)合起來，一次完成全部實(shí)驗(yàn)。

缺點(diǎn)列舉技法指通過發(fā)掘現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的缺陷，且一一列舉出來，然后提出改進(jìn)或革新的一種技法。如利用缺點(diǎn)列舉技法，列舉某種會產(chǎn)生倒吸裝置的各種缺點(diǎn)，然后逐一改進(jìn)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出各種防倒吸的實(shí)驗(yàn)裝置。

比較技法指通過控制反應(yīng)條件，研究某一個因素對實(shí)驗(yàn)的影響。如利用比較技法，控制濃度、溫度、催化劑等變量中的一個變量，研究外界因素對化學(xué)反應(yīng)速率或平衡移動的影響。

替代技法指根據(jù)反應(yīng)原理，用一些簡單、易得的儀器替代一些復(fù)雜的儀器，取得同樣的實(shí)驗(yàn)效果。如利用替代技法，在研究啟普發(fā)生器特殊構(gòu)造的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)各種啟普發(fā)生器的替代裝置。

有些化學(xué)實(shí)驗(yàn)由于受條件的限制，無法做到或做不成功，需要借助模擬實(shí)驗(yàn)來提供學(xué)生熟悉的生動的感性材料，從而達(dá)到揭示問題本質(zhì)的目的。如利用模擬技法，用物理實(shí)驗(yàn)室中的高壓靜電放電裝置，模擬閃電固氮過程。

逆向技法指改變一般思維程序，即把事物反過來看，見人之未見，思人之未思，并由此解決問題，產(chǎn)生新的思路。如證明水的組成常用電解水的方法，也可以逆向思考，從氫氣在氧氣中燃燒生成水來證明。

強(qiáng)化技法指在實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)化關(guān)鍵部分，忽略次要部分。變看不見為看得見，變無聲為有聲，變無色為有色。通過外在的現(xiàn)象，找到內(nèi)在變化的本質(zhì)。如氫氧化鈉和鹽酸反應(yīng)沒有明顯的現(xiàn)象，常用滴有酚酞的氫氧化鈉溶液和鹽酸反應(yīng)，通過顏色變化證明二者發(fā)生了反應(yīng)。

下面列舉組合技法和缺點(diǎn)列舉技法在探究硝酸氧化性的實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

2 組合技法在探究濃、稀硝酸氧化性中的應(yīng)用

將已有的化學(xué)實(shí)驗(yàn)按一些共同特征或功能進(jìn)行合理組合，使其具有某種新的功能也是對原有化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種創(chuàng)新。利用組合技法，設(shè)計(jì)鋅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

2.1 一般做法

多數(shù)教師依照教材建議，選擇較不活潑金屬銅分別和濃、稀硝酸反應(yīng)，來探究濃、稀硝酸的氧化性。若能反應(yīng)，說明硝酸中+5價(jià)的N元素表現(xiàn)出強(qiáng)氧化性。這種直奔主題的做法凸顯的是結(jié)論，缺少探究過程，不符合學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣和學(xué)習(xí)心理。

2.2 創(chuàng)新思路

思考1：學(xué)生已知濃硫酸中+6價(jià)的硫元素表現(xiàn)強(qiáng)氧化性，稀硫酸中+1價(jià)的氫元素表現(xiàn)弱氧化性。學(xué)生從已有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，會類比出硝酸的氧化性與硫酸的氧化性相似。鋅既能被硝酸中+1價(jià)的氫元素氧化，也能被+5價(jià)的氮元素氧化，所以選擇鋅與硝酸反應(yīng)比選擇銅更合理，更有探究和思考的空間。

思考2：鋅與濃硝酸反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生紅棕色氣體，現(xiàn)象明顯。鋅與稀硝酸反應(yīng)時(shí)現(xiàn)象較復(fù)雜，剛開始出現(xiàn)紅棕色氣體，慢慢在液面上方氣體顏色變淺，該氣體是一氧化氮還是氫氣無法說清楚，而且不易被堿液吸收。能否運(yùn)用組合技法，將這兩個反應(yīng)進(jìn)行有效組合？

（1）反應(yīng)試劑組合

鋅和濃、稀硝酸都能反應(yīng)，且隨著反應(yīng)的進(jìn)行濃硝酸逐漸變成稀硝酸；濃硝酸還原的產(chǎn)物能排走空氣而不干擾稀硝酸的還原產(chǎn)物?？紤]到這些相關(guān)因素，可用過量的鋅和濃硝酸一組試劑代替鋅和濃、稀硝酸兩組試劑進(jìn)行反應(yīng)。

（2）氣體吸收組合

濃硝酸生成的二氧化氮能被氫氧化鈉溶液吸收，但稀硝酸生成的一氧化氮不能被氫氧化鈉溶液單獨(dú)吸收。過量的鋅和濃硝酸反應(yīng)，開始生成的二氧化氮和隨后生成的一氧化氮組合起來，一起被氫氧化鈉溶液吸收，收到一舉兩得的效果。

（3）實(shí)驗(yàn)裝置組合

在反應(yīng)試劑和氣體吸收組合的基礎(chǔ)上，可選擇具支試管和雙球干燥管這一套裝置來完成鋅與濃、稀硝酸的反應(yīng)及尾氣吸收實(shí)驗(yàn)。為了探究鋅與稀硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物，需將無色氣體與氧氣接觸，較簡單的方法是通入氧氣。再利用組合技法，將過氧化鈉和水反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣通入反應(yīng)裝置中，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)裝置和產(chǎn)物驗(yàn)證裝置的有效組合。

2.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)裝置：如圖1所示。

（2）實(shí)驗(yàn)過程

①接好裝置，檢查裝置氣密性。

②夾緊彈簧夾。

③向小試管中加入兩藥匙過氧化鈉固體，滴管中吸滿水。向大試管中加入四顆鋅粒（確保金屬鋅過量），加入兩滴管濃硝酸（2：1），快速塞緊雙球干燥管。

可以看到反應(yīng)較劇烈，產(chǎn)生大量的紅棕色氣體。2分鐘后氣體顏色明顯變淡，4分鐘后顏色較淺。此時(shí)將膠頭滴管內(nèi)的水加入小試管，打開彈簧夾，過氧化鈉和水反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣進(jìn)入大試管，大試管內(nèi)氣體顏色立刻由淺變深，證明稀硝酸的還原產(chǎn)物為NO氣體，而不是氫氣。

（3）實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

①用實(shí)驗(yàn)室最常規(guī)的儀器組合一套實(shí)驗(yàn)裝置，操作簡單，對比明顯。

②濃硝酸生成的NO2氣體將裝置內(nèi)的空氣趕走，便于觀察到稀硝酸生成的NO氣體。

③反應(yīng)產(chǎn)生氣體的顏色由深變淺再變深（通氧氣后）。反應(yīng)現(xiàn)象不斷變化，吸引學(xué)生去分析、推理、猜測、質(zhì)疑，在思辨中獲得新知。

3 缺點(diǎn)列舉技法在探究銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)物中的應(yīng)用

缺點(diǎn)列舉技法就是指通過發(fā)掘現(xiàn)有事物的缺陷，每發(fā)現(xiàn)一個缺點(diǎn)，找出一個問題，就找到一個創(chuàng)新發(fā)明的方法。利用缺點(diǎn)列舉技法設(shè)計(jì)無氧條件下銅與稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

3.1 一般做法

在中學(xué)范圍內(nèi)創(chuàng)造無氧環(huán)境，可用以下幾種方法：①液體排空氣法②氣體排氣法③真空法④燃燒法。燃燒法操作較復(fù)雜；氣體排空氣法使用氣體的量不易控制。這兩種方法在實(shí)驗(yàn)中使用較少。液體排空氣法較簡單，運(yùn)用較多。如用針筒做銅和稀硝酸的實(shí)驗(yàn)；或用U型管（一邊低，一邊高）做銅和稀硝酸的實(shí)驗(yàn)。前者實(shí)驗(yàn)中因針筒中預(yù)先放銅片，很難排盡空氣，且針筒的氣密性不高，實(shí)驗(yàn)效果并不理想。后者實(shí)驗(yàn)中的U型管要充滿稀硝酸，硝酸用量太大，也存在不足。通過缺點(diǎn)列舉技法明確了設(shè)計(jì)的方向：努力設(shè)計(jì)出易排盡空氣，易密封，反應(yīng)物用量較少，反應(yīng)現(xiàn)象明顯的反應(yīng)裝置。

3.2 創(chuàng)新思路

思考1：從易排空氣的角度考慮，塑料袋比較容易做到[3]，且越薄的塑料袋排空氣越容易。家用保鮮袋很薄最理想，但干燥的保鮮袋在折疊中也會存留極少量的空氣，但加水潤濕后保鮮袋就緊緊貼在一起，變成“真空狀”了。

思考2：從密封的角度考慮，用線扎住保鮮袋操作并不簡便。在家庭中為防止食品袋中的食物受潮，常使用塑料密封夾夾緊塑料袋，且塑料密封夾開啟或閉合都比較容易。至此，思路一下子豁然開朗。

3.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)用品：一個保鮮袋、兩個塑料密封夾、一個洗耳球、碎銅片、1：2稀硝酸。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置：如圖2所示。

（3）實(shí)驗(yàn)操作：

①向保鮮袋中加入一些碎銅片，固定在保鮮袋的一個角上。

②向保鮮袋中加少量水，然后將水慢慢排凈，利用水膜間的吸附力將袋中空氣完全排凈。

③向保鮮袋中加入4滴管稀硝酸，再排凈空氣，用塑料密封夾1夾緊保鮮袋下半部分，確保保鮮袋下半部分無氧氣。

④用洗耳球向保鮮袋上半部分鼓入空氣，使保鮮袋鼓起來，再用塑料密封夾2夾緊保鮮袋上半部分。

（4）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

剛開始銅和稀硝酸反應(yīng)較慢，可用水浴加熱的方法，加快反應(yīng)。2分鐘后保鮮袋下半部分產(chǎn)生的無色氣體將保鮮袋鼓起，此時(shí)快速打開塑料密封夾1，看到無色氣體迅速變成紅棕色。

（5）實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

①實(shí)驗(yàn)裝置是廚房中常見的物品，使學(xué)生明白創(chuàng)新不神秘，生活中處處有學(xué)問，處處可創(chuàng)新。

②保鮮袋用水潤濕后極易形成真空，塑料密封夾操作簡單，密封效果好。保鮮袋又可水浴加熱，可節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

③實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，成功率高，實(shí)驗(yàn)后給學(xué)生留下深刻印象。

在實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新過程中，所使用的技法并不是單一的，往往是多種技法交融并串的綜合應(yīng)用。當(dāng)前教育綜合實(shí)踐改革正在大力推進(jìn)，要求每個學(xué)生都要開展研究性學(xué)習(xí)，逐步積累研究性學(xué)習(xí)的經(jīng)歷。在教學(xué)中滲透創(chuàng)新技法，在教師的創(chuàng)新示范和創(chuàng)新方法引導(dǎo)下，學(xué)生才會有信心、有目標(biāo)去完成研究性學(xué)習(xí)，真正提高學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能和綜合素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)從知識到能力、從能力到品質(zhì)、從品質(zhì)到理想的教育追求。

參考資料：

[1]馮容士，陳燮榮.物理創(chuàng)造技法與實(shí)驗(yàn)研究[M].上海：上海教育出版社，1998：5.

[2]王祖浩，王程杰.中學(xué)化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[M].南寧：廣西教育出版社，2007：247，258，261.

[3]陶杰，張騰.銅與濃、稀硝酸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2015，（1～2）：55.