從資源循環(huán)利用理念角度淺談高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張麗華

（福建省莆田哲理中學(xué)，福建莆田 351100）

引 言

高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，認(rèn)真分析教材中各實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)試劑及實(shí)驗(yàn)中生成的物質(zhì)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容加以有機(jī)整合，最大限度地利用實(shí)驗(yàn)試劑、實(shí)驗(yàn)中生成的物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，以節(jié)約實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)習(xí)慣[1]。

一、實(shí)驗(yàn)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(shí)點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)。其中濃硝酸和銅金屬反應(yīng)會(huì)生成NO2，溶質(zhì)為Cu(NO3)2，而稀硝酸和銅金屬反應(yīng)則會(huì)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(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)的過程中，教師應(yīng)注重將裝置中的O2排凈，此時(shí)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(dòng)教學(xué)時(shí)，教師可通過做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生觀察顏色的變化，幫助學(xué)生理解溫度對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用需要進(jìn)行五個(gè)實(shí)驗(yàn)：（1）Cu和濃硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；（2）Cu和稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；（3）NO2和N2O4相互轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)；（4）NO2和H2O反應(yīng)制取硝酸的實(shí)驗(yàn)；（5）NO和O2、H2O反應(yīng)制取硝酸的實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸矸治?/h2>

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

實(shí)驗(yàn)（1）和實(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)（3）通過顏色的變化使學(xué)生直觀地感受到溫度對(duì)吸、放熱反應(yīng)平衡移動(dòng)的影響；實(shí)驗(yàn)（4）和實(shí)驗(yàn)（5）回收實(shí)驗(yàn)（1）和實(shí)驗(yàn)（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(shí)，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。

（二）實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)（1）依據(jù)的實(shí)驗(yàn)原理為：Cu+4HNO3（濃）=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O；實(shí)驗(yàn)（2）依據(jù)的實(shí)驗(yàn)原理為：3Cu+8HNO3（稀）=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(shí)驗(yàn)（3）依據(jù)的原理為NO2（g）N2O4（g），ΔH＜0，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，氣體顏色變深，降低溫度平衡正向移動(dòng)，氣體顏色變淺；實(shí)驗(yàn)（4）依據(jù)的原理為：3NO2+H2O=2HNO3+NO、2NO+O2=2NO2，兩個(gè)方程式聯(lián)立得到：4NO2+O2+2H2O=4HNO3；實(shí)驗(yàn)（5）依據(jù)的原理為：2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO，兩個(gè)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(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施與效果

（一）實(shí)驗(yàn)（1）和實(shí)驗(yàn)（2）的實(shí)施與控制

對(duì)于實(shí)驗(yàn)（1）和實(shí)驗(yàn)（2）在教材中有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，教師在教學(xué)時(shí)可在教材實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)間，使其依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理自行組裝實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并給予學(xué)生一定的指導(dǎo)，確保實(shí)驗(yàn)科學(xué)、合理，尤其要設(shè)計(jì)相關(guān)問題，要求學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為，得出的結(jié)論為____；濃硝酸和銅片反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為____，得出的結(jié)論為___；稀硝酸和銅片反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為____，得出的結(jié)論為___；為了給做NO2和N2O4實(shí)驗(yàn)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(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)（3）的實(shí)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(shí)驗(yàn)。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(dòng)的。最終，學(xué)生認(rèn)真回顧實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出針對(duì)NO2（g）N2O4（g），ΔH＜0這一反應(yīng)，溫度升高化學(xué)平衡逆向移動(dòng)，NO2物質(zhì)的量增加，顏色變深，反之顏色變淺。

（三）實(shí)驗(yàn)（4）和實(shí)驗(yàn)（5）的實(shí)施與控制

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)（1）和實(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)（4）和實(shí)驗(yàn)（5）。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)總體效果評(píng)估

高中化學(xué)教學(xué)中通過設(shè)計(jì)上述一系列實(shí)驗(yàn)，雖然消耗了硝酸，但整體上來看，實(shí)驗(yàn)不僅充分應(yīng)用了實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)物，而且最終實(shí)驗(yàn)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(shí)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生提供了動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考相關(guān)設(shè)計(jì)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(shí)，而且給其帶來了良好的啟發(fā)，即在做化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(fèi)。