從資源循環(huán)利用理念角度淺談高中化學(xué)實驗設(shè)計

摘 要：實驗是高中化學(xué)的重要內(nèi)容，實驗的過程中往往需要消耗大量的實驗試劑，產(chǎn)生一些廢物和垃圾，如果直接進(jìn)行排放會造成浪費，甚至給環(huán)境造成污染。在當(dāng)前注重環(huán)保、提倡資源循環(huán)利用的社會背景下，在高中化學(xué)實驗教學(xué)中，教師應(yīng)注重為學(xué)生灌輸資源循環(huán)利用理念，并通過實驗內(nèi)容的巧妙設(shè)計將資源循環(huán)利用理念有效滲透到實驗教學(xué)中，使學(xué)生在掌握化學(xué)實驗知識的同時，提高資源循環(huán)利用意識，成為注重環(huán)保、節(jié)約資源的積極踐行者。本文以探究硝酸及氮氧化物的性質(zhì)為例，探討如何在高中化學(xué)實驗教學(xué)中滲透資源循環(huán)利用理念。

關(guān)鍵詞：資源循環(huán)利用理念;高中化學(xué);實驗設(shè)計

中圖分類號：G427 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-9192（2021）15-0073-02

引 ?言

高中化學(xué)實驗教學(xué)中積極滲透資源循環(huán)利用理念是貫徹綠色化學(xué)的具體體現(xiàn)，教師應(yīng)從整體上把握高中化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容，認(rèn)真分析教材中各實驗所用的實驗試劑及實驗中生成的物質(zhì)，將實驗內(nèi)容加以有機(jī)整合，最大限度地利用實驗試劑、實驗中生成的物質(zhì)，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，以節(jié)約實驗成本，給學(xué)生帶來潛移默化的積極影響，使其養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣[1]。

一、實驗總體概述

硝酸分為濃硝酸與稀硝酸，其相關(guān)性質(zhì)是高中化學(xué)的重要知識點。為使學(xué)生更好地掌握濃硝酸與稀硝酸化學(xué)性質(zhì)的不同，教師可組織學(xué)生開展相關(guān)的化學(xué)實驗。其中濃硝酸和銅金屬反應(yīng)會生成NO2，溶質(zhì)為Cu（NO3）2，而稀硝酸和銅金屬反應(yīng)則會生成NO，溶質(zhì)為Cu（NO3）2。NO2、NO都具有毒性，不能直接排放，因此，教師在設(shè)計實驗時應(yīng)注重這兩種物質(zhì)的回收和重復(fù)利用。另外，在進(jìn)行實驗的過程中，教師應(yīng)注重將裝置中的O2排凈，此時可考慮使用能夠產(chǎn)生CO2的試劑。

NO2是一種紅棕色氣體，而N2O4為無色氣體。受溫度影響NO2和N2O4之間可相互轉(zhuǎn)化，因此，在進(jìn)行化學(xué)平衡移動教學(xué)時，教師可通過做相關(guān)的實驗，帶領(lǐng)學(xué)生觀察顏色的變化，幫助學(xué)生理解溫度對化學(xué)平衡的影響。

NO2能和H2O發(fā)生反應(yīng)生成硝酸和NO，該過程實現(xiàn)了NO2的回收，生成的硝酸可重新利用。另外，NO可和O2反應(yīng)生成NO2，從而能和水反應(yīng)生成硝酸。

綜上，教學(xué)中為實現(xiàn)資源循環(huán)利用需要進(jìn)行五個實驗：（1）Cu和濃硝酸反應(yīng)的實驗;（2）Cu和稀硝酸反應(yīng)的實驗;（3）NO2和N2O4相互轉(zhuǎn)化的實驗;（4）NO2和H2O反應(yīng)制取硝酸的實驗;（5）NO和O2、H2O反應(yīng)制取硝酸的實驗。

二、實驗?zāi)康募霸矸治?/p>

（一）實驗?zāi)康?/p>

實驗（1）和實驗（2）可使學(xué)生更好地理解濃硝酸的氧化性及濃、稀硝酸產(chǎn)物的不同;實驗（3）通過顏色的變化使學(xué)生直觀地感受到溫度對吸、放熱反應(yīng)平衡移動的影響;實驗（4）和實驗（5）回收實驗（1）和實驗（2）中產(chǎn)生的NO和NO2，將其轉(zhuǎn)化成硝酸，這在避免污染空氣的同時，實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。

（二）實驗原理

實驗（1）依據(jù)的實驗原理為：Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O;實驗（2）依據(jù)的實驗原理為：3Cu+8HNO3（?。?3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O;另外，為排凈裝置中殘留的空氣，可用稀硝酸和Na2CO3（或NaHCO3）反應(yīng)生成的CO2排出殘留的空氣;實驗（3）依據(jù)的原理為NO2（g）N2O4（g），?H<0，溫度升高，平衡逆向移動，氣體顏色變深，降低溫度平衡正向移動，氣體顏色變淺;實驗（4）依據(jù)的原理為：3NO2+H2O=2HNO3+NO、2NO+O2=2NO2，兩個方程式聯(lián)立得到：4NO2+O2+2H2O=4HNO3;實驗（5）依據(jù)的原理為：2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO，兩個方程式聯(lián)立得到：4NO+3O2+2H2O=4HNO3，從中可以發(fā)現(xiàn)只要將NO2、NO和O2的比例控制得當(dāng)，能夠完全反應(yīng)，就可全部轉(zhuǎn)化為硝酸。

三、實驗的具體實施與效果

（一）實驗（1）和實驗（2）的實施與控制

對于實驗（1）和實驗（2）在教材中有相關(guān)的實驗，教師在教學(xué)時可在教材實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。教師可給學(xué)生提供如下實驗器材和試劑：分液漏斗、止水夾、燒杯、大試管、插管、氣囊等，濃硝酸、稀硝酸、銅片、Na2CO3粉末等。課堂上給學(xué)生預(yù)留一定的思考時間，使其依據(jù)實驗原理自行組裝實驗裝置進(jìn)行實驗，并給予學(xué)生一定的指導(dǎo)，確保實驗科學(xué)、合理，尤其要設(shè)計相關(guān)問題，要求學(xué)生在做實驗的過程中進(jìn)行記錄，更好地加深其印象[2]。

最終，學(xué)生經(jīng)過思考、討論，在教材實驗裝置的基礎(chǔ)上使用導(dǎo)管在右側(cè)連接帶旋塞的試管，并在試管中裝入適量的Na2CO3，而后通過控制止水夾，并打開分液漏斗，稀硝酸和Na2CO3發(fā)生反應(yīng)生成CO2，將整個實驗裝置中的空氣排干凈。接著，學(xué)生控制止水夾開始進(jìn)行濃硝酸和銅片的反應(yīng)，待完成反應(yīng)后，繼續(xù)打開和裝入Na2CO3試管相連的止水夾，打開裝入稀硝酸的分液漏斗制取CO2，將裝置中的NO2排干凈。

Na2CO3和稀硝酸反應(yīng)的實驗現(xiàn)象為_________，得出的結(jié)論為____;濃硝酸和銅片反應(yīng)的實驗現(xiàn)象為____，得出的結(jié)論為___;稀硝酸和銅片反應(yīng)的實驗現(xiàn)象為____，得出的結(jié)論為___;為了給做NO2和N2O4實驗做好鋪墊，學(xué)生需要收集NO2，并思考該如何收集NO2。

學(xué)生只要積極動手進(jìn)行實驗，并認(rèn)真觀察實驗現(xiàn)象不難回答上述問題。Na2CO3和稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生大量氣泡，將其通入澄清石灰水中溶液變渾濁，表明實驗中產(chǎn)生了CO2氣體;濃硝酸和銅片反應(yīng)裝置中有紅棕色氣體產(chǎn)生，反應(yīng)后的溶液顏色變綠，反應(yīng)產(chǎn)生了NO2氣體。稀硝酸和銅片反應(yīng)時產(chǎn)生無色氣體，溶液變?yōu)榫G色，當(dāng)打開氣囊中的止水夾，將氣囊中的空氣擠入裝置中，氣體變?yōu)榧t棕色，表明實驗產(chǎn)生了NO，且NO和空氣中的O2反應(yīng)生成了NO2。如要收集NO2氣體，因其能和水發(fā)生反應(yīng)，而且密度比空氣密度大，因此適合使用向上排空氣法收集。

（二）實驗（3）的實施與控制

課堂上，教師可讓學(xué)生使用收集的NO2，進(jìn)行NO2和N2O4相互轉(zhuǎn)化的實驗。一些學(xué)生使用試管，通過向上排空氣收集了一試管的NO2，并迅速將試管口塞緊，將試管分別置入盛有冷水、溫水的燒杯中，觀察試管中氣體顏色的變化。而后，教師要求學(xué)生思考溫度是如何影響化學(xué)平衡移動的。最終，學(xué)生認(rèn)真回顧實驗過程和實驗現(xiàn)象，得出針對NO2（g）N2O4（g），?H<0這一反應(yīng)，溫度升高化學(xué)平衡逆向移動，NO2物質(zhì)的量增加，顏色變深，反之顏色變淺。

（三）實驗（4）和實驗（5）的實施與控制

運(yùn)用實驗（1）和實驗（2）產(chǎn)生的NO2和NO還可通過洗耳球擠入空氣，并將導(dǎo)管倒置于水槽中做實驗（4）和實驗（5）。實驗中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)裝有NO的試管先變?yōu)榧t棕色，之后試管中的水上升，裝入NO2的試管隨著空氣進(jìn)入導(dǎo)管中，導(dǎo)管中的水面不斷上升，最終充滿試管，將石蕊試液滴入試管溶液中溶液變?yōu)榧t色，表明生成了酸。

（四）實驗總體效果評估

高中化學(xué)教學(xué)中通過設(shè)計上述一系列實驗，雖然消耗了硝酸，但整體上來看，實驗不僅充分應(yīng)用了實驗中的產(chǎn)物，而且最終實驗的產(chǎn)物又生成了硝酸，很好地體現(xiàn)了資源循環(huán)利用理念。同時，設(shè)計的實驗使學(xué)生更好地掌握了濃、稀硝酸的性質(zhì)，化學(xué)平衡，NO、NO2的性質(zhì)等知識，取得了良好的授課效果。

結(jié) ?語

在高中化學(xué)教學(xué)中，教師從資源循環(huán)利用理念的角度對硝酸及氮氧化物的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了整合，并結(jié)合經(jīng)驗設(shè)計了一系列實驗，給學(xué)生提供了動手操作的機(jī)會，鼓勵學(xué)生積極思考相關(guān)設(shè)計問題，不僅加深了學(xué)生的印象，使學(xué)生更好地掌握了所學(xué)知識，而且給其帶來了良好的啟發(fā)，即在做化學(xué)實驗時應(yīng)養(yǎng)成良好習(xí)慣，注重資源循環(huán)利用，避免資源浪費。

[參考文獻(xiàn)]

曹永豐.高中化學(xué)實驗校本教材的開發(fā)與設(shè)計[J].學(xué)周刊，2020（36）：87-88.

翁建南.核心素養(yǎng)背景下高中化學(xué)綠色實驗教學(xué)探究[J].家長，2020（29）：111+113.

作者簡介：張麗華（1981.8-），女，福建莆田人，本科學(xué)歷，中學(xué)高級教師，目前主要從事高中化學(xué)教學(xué)與研究工作。