數(shù)字化實驗對“雷雨發(fā)莊稼”原理的深度探究

徐軍　楊義洪

摘要：“雷雨發(fā)莊稼”的原理較為復雜，借助數(shù)字化實驗，通過宏觀辨析和微觀探究，可以實現(xiàn)對原理的深度探究，激發(fā)學生的學習興趣，落實核心素養(yǎng)。

關鍵詞：雷雨發(fā)莊稼;注射器;傳感器

文章編號：1008-0546（2022）06x-0078-03?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.020

2020年10月21日，江蘇省優(yōu)秀課大賽在江蘇省靖江中學舉行，B組的課題是“氮及其化合物”，筆者作為選手的指導老師，有幸學習了B組的9節(jié)課。上課內容是“氮及其化合物”新授課的第一課時。無論是蘇教版還是人教版，內容都涉及氮的固定、氮氧化物的相互轉化。以“雷雨發(fā)莊稼”這一情境為主線，可以把本節(jié)課的知識重難點落實到位。如何通過實驗，探究“雷雨發(fā)莊稼”的原理，成為了該節(jié)課的亮點，各位選手在這方面下足了功夫，對筆者的感觸也較深。

一、教材內容及實驗的改進

使用2020蘇教版教材的地區(qū)，上課的內容是《必修二》專題7。教材敘述的脈絡為：通過“雷雨發(fā)莊稼”事例，介紹氮氣在放電條件下與氧氣發(fā)生反應，給出了閃電時生成氮氧化物的圖片，“雷雨發(fā)莊稼”所關聯(lián)的3個主要化學反應方程式。這3個反應是氮氧化物的產生及轉化的重要反應，是課堂教學的重點內容，但課本上沒有給出相關的實驗資料。

使用2020人教版教材的地區(qū)，上課的內容是《必修二》第五章第二節(jié)“氮及其化合物”。教材敘述的脈絡為：在高溫和放電條件下，N2和O2化合生成NO，但沒有交代“雷雨發(fā)莊稼”實例。在“一氧化氮和二氧化氮”內容中，設計實驗如下：在一支50 mL的注射器里注入20 mL 的NO，然后吸入5 mL水，用乳膠管和彈簧夾封住管口，振蕩注射器，觀察現(xiàn)象，打開彈簧夾，快速吸入10mL空氣后，夾上彈簧夾，觀察現(xiàn)象。振蕩注射器，再觀察現(xiàn)象（裝置如圖1）。設計該實驗的目的是探究NO和 NO2的相互轉化。實驗中巧妙使用注射器，方便靈活，微型環(huán)保，可以演示也可以分組實驗，也可以對二氧化氮與水后繼反應進行探究：只要把充分振蕩后的溶液注入燒杯，滴加紫色石蕊溶液或測溶液的pH，就可以說明有硝酸生成。與2004舊版教材相比，這里可以說是實驗的創(chuàng)新，有幾位選手就用了該裝置進行分組實驗，效果較好。但由于針管的體積限制，加之吸入的是空氣，因而產生的NO2量小、濃度小，實驗現(xiàn)象不明顯。

許多選手在人教版實驗基礎上，運用二通閥和三通閥、小儲氣瓶、針筒搭配（如圖2、圖3）改進了實驗裝置。用圖3裝置，針筒或小瓶中分別儲存 NO 和純的 O2，通過控制活塞，簡便快速地實現(xiàn)NO、O2的混合;用小儲氣瓶收集氣體，氣體的用量增加了，這樣操作更簡便、可控，產生 NO2量多、濃度大，實驗現(xiàn)象明顯。圖4中針筒數(shù)目增多，通過控制活塞，針筒可直接相通，可以進行多組實驗，不但方便快捷，同時增加實驗的安全性，可以說是對新教材實驗的進一步創(chuàng)新。

二、問題的提出

九位選手通過放電技術進行了N2和O2化合生成 NO 的演示。兩極電針高壓下放電，裝置中的氣體顏色加深，進而說明N2和 O2在放電條件下先生成 NO，然后 NO 和 O2化合生成 NO2。有一位選手為了使現(xiàn)象更明顯，在實驗結束時在PPT上對實驗過程進行了如圖5的細化。但無論怎么處理，都無法說清下面幾個問題：空氣中成份復雜，在放電條件下就一定生成氮氧化物？實驗中一定有 NO 和 NO2的轉化過程（實驗過程中紅棕色顏色變深也可能是NO2濃度的變化引起的）？在探究NO2與水反應生成硝酸和NO時，如果實驗僅僅是測溶液中酸度的變化來證明NO2氣體與水反應生成的酸性物質就是硝酸，顯然證據(jù)是不充分的。

三、問題的解決

1.通過 NO傳感器直接突破對放電過程中生成 NO 的理解。

通過圖6裝置測定玻璃容器中放電過程中NO 的濃度逐漸升高，說明了 N2和 O2在放電的條件下生成 NO，片刻后容器中顏色逐漸變成紅棕色，說明了NO 又被O2氧化成NO2。現(xiàn)象明顯直觀，容易理解。

2.通過氧氣濃度和壓強傳感器探究放電過程中反應原理

圖7數(shù)據(jù)顯示，放電過程和停止放電后裝置中O2濃度一直減小，可以說明放電前后 O2都參加了反應，但這仍不足以說明 N2和 O2在放電下生成 NO 還是NO2。但結合壓強分析就能說明問題了，放電條件下發(fā)生N2+O22NO，方程式的系數(shù)兩邊相等，如果溫度相同，反應過程中壓強不變。事實上放電過程中，整個體系溫度上升不大，壓強略有增加，原理和實驗事實一致。放電結束后，O2濃度、壓強進一步減小，氣體的顏色逐漸變成紅棕色，充分說明了放電后發(fā)生2NO + O22NO2，如果整個過程只發(fā)生 N2+2O22NO2，則體系的壓強會一直減小。

[反思]上面的解釋忽視了一個實驗事實，開始放電時，壓強數(shù)值瞬間增大，容器內壓強增大，說明容器內瞬間微粒數(shù)目增大。經(jīng)查閱相關資料可知，在放電過程中，可能發(fā)生193個基元反應。主要的反應如下： O2→O+O、N2+O→NO+N、M+NO→M+N+O ，M表示可能存在的碰撞粒子，如 N、O、H、OH、N+、N2+、O+、 O2+、O4+、NO+、H2O+、O-等。由于放電瞬間立即產生大量粒子，且粒子數(shù)目保持相對穩(wěn)定，導致壓強瞬間增大。另外，根據(jù)實驗測得，放電過程中反應體系溫度升高約為3℃。壓強在瞬間增大后，因為溫度的升高，壓強數(shù)值繼續(xù)增大，壓強曲線呈現(xiàn)上升趨勢[1]。

另一個問題是：開始放電，氧氣數(shù)值瞬間增大。通過化學反應方程式分析，O2與N2可發(fā)生反應轉化為 NO或NO2，放電時，O2濃度應該降低，然而實際測得數(shù)值增大。這是氧氣傳感器數(shù)據(jù)采集的特殊原理導致數(shù)值“不降反升”。氧氣傳感器的原理是使用原電池的原理，測量了氧化劑得電子的過程。根據(jù)化學反應的知識，氧氣在反應中首先轉化為氧原子，然后得到電子轉化為-2價的氧元素。盡管O2與N2發(fā)生反應消耗一部分氧氣，由于高壓放電條件下，氧氣更容易轉化為活性氧原子，使得發(fā)生原電池反應的氧原子瞬間增加，所以實際測得數(shù)值是增大的[1]。

3.通過 NO-3、pH傳感器數(shù)值變化突破對NO2與水反應的理解

對于NO2與水反應的原理認證，直接測定反應后溶液pH，無法充分說明生成產物中的酸一定是硝酸，但用數(shù)字化實驗進行探究，就能把原理認證清楚。其中有一位選手進行了如下實驗：

[實驗目的]探究“雷雨發(fā)莊稼”的原理

[儀器用品]電子感應圈、帶閥三頸燒瓶、50 mL針筒、硝酸根離子傳感器、pH傳感器、蒸餾水。

[實驗設計]見表1

[反思]如果從教材中給出的反應原理理解整個實驗過程，三頸燒瓶內最終氣體應為NO2，注入蒸餾水振蕩，發(fā)生3NO2+H2O 2HNO3+NO，得到HNO3溶液， HNO3為強酸，完全電離，溶液中 NO-3、H+濃度為定值，利用傳感器測得的NO3-濃度、pH都為常數(shù)，不可能有變化的曲線。

與實驗數(shù)據(jù)不相符。查閱資料，發(fā)現(xiàn)氮氧化物與水的反應較為復雜，可能發(fā)生反應如下[2]：

首先 NO2實為 NO2與 N2O4的混合物，溶于水時發(fā)生反應：3N2O4+2H2O 4HNO3+2NO;其次，NO2和H2O 反應生成HNO3（3NO2+H2O 2HNO3+NO）;2NO2+H2O HNO2+HNO3;還有N2O4+H2O HNO2+HNO3;NO2+NO+H2O2HNO2。氮氧化物與水的反應過程中，除了生成HNO3外，還生成HNO2。無機化學教材[3]認為“亞硝酸是一種比醋酸略強的弱酸（Ka=4.6×10-4，291K），但很不穩(wěn)定，僅存在于冷的稀溶液中，室溫下放置時，逐漸發(fā)生歧化反應而分解（3HNO2HNO3+2NO + H2O），故立即測量NO2與H2O反應后溶液中的 NO-3、H+濃度，存在 HNO2分解過程，NO-3、H+濃度有一個變化的趨勢。筆者認為，這里不適宜用數(shù)字化實驗，因為如果把實驗數(shù)據(jù)分析清楚，就超出了中學化學教學要求，還是直接用pH試紙測量酸堿性，作一個簡單的描述為好。

四、結語

數(shù)字化傳感器可以把微觀反應的變化顯性化、數(shù)字化、定量化?；瘜W課堂上適度引入數(shù)字技術，發(fā)揮其優(yōu)勢，可以很好地彌補傳統(tǒng)實驗及儀器教學的不足。但數(shù)字化實驗給人以虛擬的感覺，不利于訓練學生的操作能力，難以培養(yǎng)學生的動手、動腦能力。筆者無法知道上述兩位選手使用數(shù)字化實驗時，是否考慮了圖像數(shù)據(jù)中的異常。建議在教學中謹慎使用數(shù)字化實驗，用常規(guī)的方法不好解決、常用的實驗器材不能說明原理的時候才考慮使用。

但數(shù)字化實驗有機融合于課堂，能幫助學生構建從化學的視角認識事物、解決問題的思想、方法和觀點。微型化實驗有它獨特的優(yōu)勢，但我們要知道同一個反應在不同裝置中進行有不一樣的精彩，例如：驗證3NO2+H2O 2HNO3+NO，用帶有活塞橡皮塞的礦泉水瓶進行實驗，操作更簡單，現(xiàn)象更明顯。往收集滿NO2的礦泉水瓶中注入水振蕩，瓶體變癟，瓶中氣體顏色變淺，打開活塞，瓶體恢復，瓶中氣體顏色變深（圖11）;也可直接用集氣瓶做上述實驗，同樣觀察到上述現(xiàn)象，水槽中集氣瓶內液面上升（圖12）。因此未來的實驗必將是實驗方法多樣并舉的有機融合。

（說明：本文的圖片和數(shù)據(jù)主要來自教學現(xiàn)場。）

參考文獻

[1]王保強，劉方云，李增坤.模擬雷雨條件下氮氣和氧氣反應的數(shù)字化實驗探究[J].化學教育，2019（5）：69-70.

[2]王祖浩.普通高中教科書（化學必修第二冊）[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2019.

[3]北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研室.無機化學（下冊）[M].北京：高等教育出版社，2004.