指向“變化觀念”的元素化合物教學(xué)

張靜，張文華

摘要： “變化觀念”是高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容之一。從物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化兩個維度分析蘇教版三冊教材中“變化觀念”的層級進(jìn)階。以“硝酸”的教學(xué)為例，比較新舊教材的編寫結(jié)構(gòu)，構(gòu)建指向“變化觀念”的教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，利用實驗探究，合理地、階段性地發(fā)展和培育學(xué)生的“變化觀念”。

關(guān)鍵詞： 新教材； 變化觀念； 硝酸； 拋光液； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2023）02-0049-06? ??中圖分類號： G633.8? ??文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

化學(xué)乃變化之學(xué)，通過化學(xué)變化創(chuàng)造物質(zhì)是化學(xué)學(xué)科的核心及價值所在，故而“變化觀念”成為高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容之一。2020年秋投入使用的蘇教版高中化學(xué)教材（以下稱“新教材”）在編排順序、內(nèi)容選擇和呈現(xiàn)方式等方面做了較大的調(diào)整，如何整合新教材內(nèi)容，合理培育“變化觀念”是我們需要面對并要解決的問題之一。筆者以高中化學(xué)必修第二冊專題7中的“硝酸”為例，探索指向“變化觀念”的元素化合物教學(xué)，使元素化合物的學(xué)習(xí)成為發(fā)展學(xué)生“變化觀念”的重要載體。

1? 蘇教版新教材關(guān)于“變化觀念”內(nèi)容的層級進(jìn)階

高中階段“變化觀念”的培育并非一蹴而就，而是循序漸進(jìn)、螺旋上升的過程，具有認(rèn)知的進(jìn)階性。“變化觀念”貫穿于整個高中教材的各個主題中，主要分布于必修第一冊、第二冊和選擇性必修《化學(xué)反應(yīng)原理》之中。必修第一冊從“物質(zhì)及其變化”的維度培育“變化觀念”：通過鹵素、鈉、鎂、硫等元素及其化合物的相互轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生體會可以借助不同的反應(yīng)類型，通過改變反應(yīng)條件，利用轉(zhuǎn)化規(guī)律實現(xiàn)物質(zhì)的改變與創(chuàng)造，從而更好地認(rèn)識自然、保護(hù)自然。必修第二冊專題6則從“變化觀念”的另一個維度——“能量轉(zhuǎn)化”，讓學(xué)生知道化學(xué)能可與熱能、電能等多種形式的能量相互轉(zhuǎn)化，豐富學(xué)生對能量變化形式和途徑的認(rèn)識。至此，教材完成“變化觀念”核心內(nèi)容階段性的介紹。在此基礎(chǔ)上，高中化學(xué)選擇性必修《化學(xué)反應(yīng)原理》將進(jìn)一步發(fā)展對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識，從定量的角度深入地認(rèn)識物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，建構(gòu)更加系統(tǒng)的“變化觀念”。

總體來說，“變化觀念”的進(jìn)階性表現(xiàn)以必修階段元素及其化合物的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)，以選擇性必修階段的反應(yīng)原理為提高，對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識從宏觀水平發(fā)展到微觀水平，從定性分析發(fā)展到定量計算，從靜態(tài)認(rèn)識發(fā)展到動態(tài)拓展，從單一角度發(fā)展到多維度、多角度認(rèn)識化學(xué)變化，形成比較系統(tǒng)的以物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化兩個一級維度認(rèn)識、調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的“變化觀念”，從而凸顯相應(yīng)階段的“變化觀念”的內(nèi)涵。

2? 新舊教材中“硝酸”編排的比較及內(nèi)容建構(gòu)

新教材專題7“氮與社會可持續(xù)發(fā)展”是必修基礎(chǔ)階段和選修提高階段的中間過渡部分，在發(fā)展和培育“變化觀念”的進(jìn)階中有著特殊作用，所以相關(guān)的教學(xué)設(shè)計既要加強必修階段對“變化觀念”的認(rèn)識，還要有意識地為選擇性必修教學(xué)積累足夠的事實性知識，以便更加深入地理解這些變化的本質(zhì)。如何才能均衡兩者之間的關(guān)系，筆者嘗試作初步的分析。

2.1? 新舊教材比較

與舊教材［1］相比，蘇教版新教材［2］在編排上做了科學(xué)的調(diào)整和變化，對于“硝酸”這一節(jié)變化最大的是其體系結(jié)構(gòu)上的調(diào)整。

舊教材“硝酸的性質(zhì)”編排于化學(xué)必修1專題4“硫、氮和可持續(xù)發(fā)展”的第二單元——“生產(chǎn)生活中的含氮化合物”。新教材“硝酸”編排于必修第二冊專題7“氮與社會可持續(xù)發(fā)展”的第二單元——“重要的含氮化工原料”。教材編排上的變化體現(xiàn)“硝酸”作為重要的基本化工原料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防上的廣泛應(yīng)用，同時讓學(xué)生認(rèn)識到氮循環(huán)對生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的重要作用，樹立社會可持續(xù)發(fā)展的意識。

“氮及其化合物”專題由原先的專題4調(diào)整至新教材專題5“微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)多樣性”和專題6“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”之后，更有利于幫助學(xué)生多維度認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化：可以從微觀的角度解釋化學(xué)變化，探尋物質(zhì)變化的本質(zhì)；同時還可以聯(lián)系能量變化并利用“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”的理論知識為問題解決打開新思路。相比于舊教材單調(diào)的事實性知識的積累，新教材更注重利用理論知識指導(dǎo)元素化合物的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生自我建構(gòu)、培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力，有利于促進(jìn)學(xué)生“變化觀念”的進(jìn)階發(fā)展。

新教材專題7第二單元“重要的含氮化工原料”包含氨氣和硝酸2種含氮化工原料。由氮氣合成氨氣，氨氣的催化氧化又是工業(yè)上制備硝酸最關(guān)鍵的反應(yīng)，所以“硝酸”一節(jié)內(nèi)容一方面承接著由N2到NH3再到HNO3自然延伸的氮元素化合物的知識線，讓學(xué)生認(rèn)識利用化學(xué)方法和手段轉(zhuǎn)化、使用氮元素化合物可造福人類、促進(jìn)人類進(jìn)步；另一方面HNO3是氮元素最高價態(tài)物質(zhì)，其產(chǎn)物（氮氧化物）的無害化處理為下一單元提供了討論主題，有利于學(xué)生用辯證的、發(fā)展的觀點分析和解決問題。

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)之前，已學(xué)習(xí)了濃硫酸的強氧化性、電離理論、離子反應(yīng)、原子結(jié)構(gòu)、元素周期表及氧化還原反應(yīng)理論等內(nèi)容，為“硝酸”的學(xué)習(xí)作了大量的鋪墊；學(xué)生探究能力的提升也為本節(jié)課參與并設(shè)計實驗提供了重要的保障。教材內(nèi)容正是從實驗入手，類比遷移硫酸，引導(dǎo)學(xué)生對硝酸的性質(zhì)及變化作出解釋和預(yù)測，探索含有同種元素不同價態(tài)物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，多角度認(rèn)識和鞏固氧化還原反應(yīng)的概念，突出核心概念的引領(lǐng)作用，使內(nèi)容知識結(jié)構(gòu)化，有效地促進(jìn)素養(yǎng)的發(fā)展。

2.2? 指向“變化觀念”的“硝酸”教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建

根據(jù)上述新教材的調(diào)整，結(jié)合“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的特點，指向“變化觀念”的教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建思路如圖1所示。

2.3? 指向“變化觀念”的“硝酸”教學(xué)目標(biāo)分析

（1） 能夠說出硝酸所具有的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。

（2） 能根據(jù)硝酸中N元素的化合價預(yù)測其氧化性，結(jié)合實驗現(xiàn)象，能分析得出硝酸與銅、碳等反應(yīng)的產(chǎn)物及硝酸分解的產(chǎn)物，并用化學(xué)方程式進(jìn)行表征；能根據(jù)實驗事實，說明硝酸的氧化性受到濃度、酸度、溫度等多因素的影響。

（3） 能夠自主設(shè)計驗證硝酸鈉氧化性的實驗，從微觀角度認(rèn)識硝酸強氧化性的本質(zhì)；知道可利用“原電池模型”證明鈍化膜的存在，能從能量轉(zhuǎn)化的角度理解鐵在濃硝酸中鈍化的過程，并能用氧化還原反應(yīng)理論解釋相關(guān)現(xiàn)象。

（4） 通過硝酸性質(zhì)的學(xué)習(xí)，能與同學(xué)交流硝酸的應(yīng)用，能夠科學(xué)理性地評價硝酸，能從環(huán)保角度分析如何合理使用硝酸，初步建立“綠色化學(xué)”觀念和可持續(xù)發(fā)展意識。

3? “硝酸”教學(xué)過程實錄

3.1? 創(chuàng)設(shè)情境，體會變化的價值

［創(chuàng)設(shè)情境］光亮、潔凈的銅質(zhì)零部件不僅美觀而且性能優(yōu)越。如何使銅制品擁有光鮮亮麗的表面？銹跡斑斑、凹凸不平的銅制品如何重新煥發(fā)光彩？這節(jié)課我們介紹一種化學(xué)拋光的方法。

［實驗引入］把表面銹跡斑斑、凹凸不平的銅片放入試管內(nèi)，加入拋光液，再用浸有氫氧化鈉溶液的棉花團(tuán)密封管口［3］。半分鐘后取出銅片，兩者形成鮮明對比［見圖2（b）］，用手機(jī)電子顯微鏡觀察拋光前、后的銅片［見圖2（a）（c）］。

［教師提問1］銅制品拋光液簡介（見圖3）。拋光液中的稀硫酸和硝酸各有什么作用？

銅制品加工過程中常常需要用拋光液浸泡，可以除去表面的氧化膜以及細(xì)微的凸起之處（有研究表明金屬的凸起部分優(yōu)先與溶液反應(yīng)），形成平整、光亮的表面。拋光液的主要成分是稀硫酸、硝酸［4］。

拋光時必須嚴(yán)格控制浸泡的溫度和時間。溫度一般在室溫到90℃之間［5］；浸泡時間對拋光質(zhì)量有重要影響。時間太短達(dá)不到拋光效果，時間過長，容易造成銅制品快速溶解而報廢。

［學(xué)生回答］兩者都是酸，均可與金屬氧化物反應(yīng)，去除氧化膜。稀硫酸不與銅反應(yīng)，但資料中顯示凸起的銅被反應(yīng)掉，說明硝酸能與銅反應(yīng)。

［教師追問］硝酸能與銅這樣的不活潑金屬反應(yīng)，對比硫酸，請從氧化還原的角度分析硝酸可能具有的性質(zhì)，并進(jìn)行實驗驗證。

3.2? 實驗探究，認(rèn)識HNO3變化規(guī)律

3.2.1? 分組實驗，探尋濃度因素

［分組實驗］（1）把裝有Cu片的兩支注射器分別插入裝有濃HNO3和稀HNO3的輸液瓶中。（2）用注射器分別從輸液瓶中吸取2mL濃HNO3和稀HNO3。

［學(xué)生匯報展示］詳見表1。

［教師提問2］拋光液為何不能長時間浸泡銅制品？

［學(xué)生回答］常溫下濃、稀硝酸均與銅反應(yīng)，若長時間浸泡，會損失銅。說明不管是稀硝酸還是濃硝酸，均為強氧化劑。且銅與濃硝酸反應(yīng)更劇烈，所以濃硝酸氧化性比稀硝酸強；濃硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物是NO2，稀硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物是NO。

［教師概括］不同濃度的硝酸其還原產(chǎn)物不同，酸越稀，被還原的程度越大。

3.2.2? 設(shè)計實驗，歸納酸度條件

［學(xué)生展示］3Cu+8H++2NO-33Cu2++2NO↑+4H2O。

［教師追問］從定量關(guān)系看，參加反應(yīng)的硝酸為8mol，僅2mol NO-3被3mol Cu還原為NO，這是什么原因？

［學(xué)生解釋］8mol HNO3中只有2mol體現(xiàn)強氧化性，剩下6mol HNO3中N元素化合價未變化，體現(xiàn)酸性。

［教師概括］濃、稀硝酸的強氧化性均由NO-3中+5價的氮元素表現(xiàn)，NaNO3中的氮元素也是+5價，是否也具有強氧化性？請大家設(shè)計實驗進(jìn)行驗證。

［交流討論、匯報］如下表2。

［教師提問3］為什么拋光液中加入稀硫酸？

［學(xué)生回答］稀硫酸為NO-3提供酸性環(huán)境（H+），從而提高NO-3的利用率。

3.2.3? 演示實驗，利用原電池“看見”電子轉(zhuǎn)移

［教師］不活潑金屬銅能與硝酸反應(yīng)，較活潑的鐵與濃硝酸反應(yīng)的情況如何？

［演示實驗］把一段鐵絲放入盛有濃硝酸的培養(yǎng)皿中，觀察現(xiàn)象，重復(fù)幾次。鐵絲表面產(chǎn)生氣泡、變黑，后無明顯現(xiàn)象。

［教師提問4］如何用實驗證明鐵表面生成氧化膜？

［學(xué)生討論、交流］可以將鈍化后的鐵與稀硫酸或者硫酸銅溶液反應(yīng)。

［教師引導(dǎo)］還有其他方法嗎？提示還可以從鈍化的實質(zhì)考慮。

［學(xué)生討論］鈍化的實質(zhì)是發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)是發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。

［教師追問］如何能“看到”電子的移動呢？

［學(xué)生回答］（突然頓悟）使用原電池裝置。

［教師鼓勵］如何設(shè)計原電池？可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

［學(xué)生交流后匯報］選擇鐵和銅作電極，濃硝酸作電解質(zhì)溶液。鐵鈍化前和濃硝酸發(fā)生反應(yīng)，所以開始鐵失電子作負(fù)極，銅作正極；鈍化膜形成后，內(nèi)層的鐵不與濃硝酸接觸，此時銅和濃硝酸發(fā)生反應(yīng)，所以銅作負(fù)極，鐵作正極。

［演示實驗］裝置示意圖見圖4［6］，為防硝酸揮發(fā)，用玻璃塞封住U形管管口；左邊導(dǎo)線接鐵棒，右邊導(dǎo)線接銅棒，用鱷魚夾連接在靈敏電流計上。發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，及時取出兩電極，然后用濾紙擦掉鐵棒表面的黑色物質(zhì)，重復(fù)多次。

［學(xué)生描述］接通后指針向右（銅極）偏轉(zhuǎn)，鐵為負(fù)極，銅為正極；鈍化后指針方向反轉(zhuǎn)（向鐵極偏轉(zhuǎn)），銅為負(fù)極，鐵為正極，因為鈍化生成了氧化膜。

3.2.4? 異常現(xiàn)象，揭示溫度因素

［學(xué)生質(zhì)疑］重復(fù)多次后，當(dāng)指針向鐵棒一極偏轉(zhuǎn)，如果不把電極取出來，指針還能再轉(zhuǎn)向右側(cè)（銅極），這是什么原因？

［學(xué)生1］試管外壁熱，我覺得可能是因為反應(yīng)放熱，溫度高破壞鈍化膜，使得內(nèi)層鐵繼續(xù)和濃硝酸反應(yīng)。

［學(xué)生2］我覺得也可能是經(jīng)過多次反應(yīng)后硝酸的濃度降低，破壞鈍化膜，鐵繼續(xù)和硝酸反應(yīng)，鐵是負(fù)極，指針就轉(zhuǎn)向銅。

［教師小結(jié)］同學(xué)們觀察得非常仔細(xì)，能多角度地分析問題，大家對待科學(xué)的態(tài)度越來越嚴(yán)謹(jǐn)。在常（低）溫下，濃硝酸能使鐵鈍化。除了鐵，濃硝酸還能使金屬鋁鈍化。所以工業(yè)上使用鐵罐車或鋁槽車來貯運濃硝酸。

［過渡］無論是濃度因素還是溫度因素都影響鈍化膜的生成。當(dāng)濃硝酸與非金屬如碳反應(yīng)時，在加熱條件下反應(yīng)更劇烈，所以溫度是影響硝酸強氧化性的因素之一。

［學(xué)生展示］C+4HNO3（濃）△4NO2↑+CO2↑+2H2O。

3.2.5? 提取信息，體會化學(xué)思維

［教師提問5］拋光液使用時要嚴(yán)格控制溫度，為什么溫度不能過高？

［展示資料卡］百度百科——硝酸。

［學(xué)生］沸點為83℃，溫度高硝酸揮發(fā)；另外硝酸不穩(wěn)定，受熱會發(fā)生分解。

［演示實驗］用膠頭滴管取一滴濃硝酸放于試管內(nèi)，塞上浸有氫氧化鈉溶液的棉花，用試管夾夾持在酒精燈上加熱［7］。

［學(xué)生匯報并分析］有紅棕色氣體產(chǎn)生，說明生成NO2，N元素的化合價降低，O元素是-2價，可升高為0價，所以產(chǎn)物有O2，再根據(jù)元素守恒，產(chǎn)物有H2O。反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4HNO3△4NO2↑+O2↑+2H2O。

［教師］HNO3受熱或見光能發(fā)生分解，在實驗室硝酸必須保存在棕色試劑瓶中并置于陰涼處。市售濃HNO3常略帶黃色，請大家解釋原因？

［學(xué)生回答］濃硝酸略帶黃色是因為分解產(chǎn)生的NO2溶于酸中，且濃度越大分解速率越快。

3.3? 選擇決策，感受變化應(yīng)用

［教師提問5］根據(jù)所學(xué)硝酸的性質(zhì)，談?wù)勥@種混酸拋光液有何優(yōu)缺點？并提出改善建議？

［學(xué)生1］優(yōu)點：速度快、操作簡便，用于形狀不規(guī)則的銅制品。

缺點：產(chǎn)物有污染；HNO3分解而損耗；溶解過程損耗銅制品。

［學(xué)生2］可選擇污染不大的物質(zhì)代替硝酸，要有強氧化性，最好常溫能和銅反應(yīng)。我覺得可以用酸性高錳酸鉀或者雙氧水。

［教師評價］正如大家所討論的，針對這種混酸拋光液的弊端，工業(yè)上研發(fā)了很多新型拋光劑，其成分就有同學(xué)們所提及的物質(zhì)。學(xué)習(xí)化學(xué)大家都可以做出合理的決策了，真是前途無量！

［拓展視野］還有一種更加神奇、不可思議的電解拋光，金屬材料通電就變得光亮。

［播放視頻］電解拋光。

［教師概括］化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，電能也可以轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，利用電解可以獲得普通化學(xué)方法難以企及的物質(zhì)。這是利用化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造新物質(zhì)的重要方法。

［教師］通過以上的分析，你對硝酸有哪些新的認(rèn)識？

［師生歸納整理］形成板書（見圖5）。

［教師總結(jié)］美好的化學(xué)創(chuàng)造美好的未來。所以我們要正確對待化學(xué)，合理使用化學(xué)物質(zhì)，這樣化學(xué)會讓我們的生活更加美好！

4? 教學(xué)效果與反思

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計以“銅制品拋光液”為情境載體，創(chuàng)設(shè)真實問題情境，開展豐富的實驗探究活動，促進(jìn)學(xué)生全程積極參與，同時引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化等多維度認(rèn)識硝酸的變化；從濃度、溫度、酸度等多角度全面而深入地認(rèn)識硝酸的強氧化性，從而幫助學(xué)生構(gòu)建階段性的“變化觀念”。整節(jié)課學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情很高，基本完成了預(yù)設(shè)目標(biāo)。

縱觀整節(jié)課，給學(xué)生留下印象最深的是利用“鐵、銅、濃硝酸”組成的原電池證明鈍化膜存在的實驗。電流計指針出乎意料地一偏一轉(zhuǎn)，讓許多學(xué)生感到很神奇，在指針偏轉(zhuǎn)中學(xué)習(xí)了硝酸的知識，明白了變化的乾坤。學(xué)生對此描述為“如同打開視頻，直接看到動態(tài)畫面一般清晰”。專題6學(xué)習(xí)的原電池知識，在這個實驗中完美演繹，據(jù)此讓學(xué)生深刻認(rèn)識到了氧化還原反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，為學(xué)習(xí)《化學(xué)反應(yīng)原理》中利用原電池原理驗證物質(zhì)氧化性強弱以及證明可逆反應(yīng)等內(nèi)容作了強有力的鋪墊。因此，關(guān)聯(lián)不同的知識模塊，打通知識點之間的“隔膜”，可以豐富學(xué)生對“變化觀念”的認(rèn)識思路和維度。

本節(jié)課的不足之處是研究多停留在定性地認(rèn)識化學(xué)變化上，后續(xù)的教學(xué)可嘗試進(jìn)行定量描述。如上述原電池實驗中，可使用溫度—電流傳感器或pH—電流傳感器，實現(xiàn)溫度或pH變化與電流的曲線表征，用具體的數(shù)據(jù)和圖形變化更有說服力地解決課堂實驗的異?，F(xiàn)象，同時也有助于培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理和分析推理能力。

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