基于證據(jù)推理思維培養(yǎng)的高中化學(xué)一體化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)
——以氮氧化物的轉(zhuǎn)化為例

杜鵬程 趙麗娜

吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院(136000)

1 問題的提出

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),化學(xué)實(shí)驗(yàn)是連接學(xué)生對(duì)于化學(xué)方程式等符號(hào)表征與宏觀現(xiàn)象的橋梁,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)至關(guān)重要?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》指出,學(xué)生應(yīng)能根據(jù)各類物質(zhì)及其反應(yīng)的不同特征尋找充分的證據(jù),并能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系,并且將證據(jù)推理作為思維核心。然而,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,教師僅“演示”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,缺少引導(dǎo)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與證據(jù)之間的關(guān)系,不利于學(xué)生證據(jù)推理思維的發(fā)展。以氮及其氧化物為例,在人教版高中化學(xué)必修2中,氮氧化物的制備和性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)缺少完整的通路且可視化程度不高。教材實(shí)驗(yàn)缺少從一氧化氮制備到二氧化氮溶于水生成硝酸的完整轉(zhuǎn)化過程。在其他學(xué)者的改進(jìn)中,如姚亮發(fā)等老師的銅與稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[1]、陳方等老師的NOx溶于水實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[2]雖各有所長,但還是存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象單一,缺少完整的產(chǎn)物檢驗(yàn)流程等缺陷。因此,本文從證據(jù)推理以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化角度設(shè)計(jì)改進(jìn)。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)目的

本文通過改進(jìn)NO制取與NO2性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置,整合稀硝酸與銅、一氧化氮與氧氣,二氧化氮與水、硝酸與甲基橙多個(gè)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)一體化,基于證據(jù)推理推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué),有利于學(xué)生深入理解氮氧化物的轉(zhuǎn)化,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理思維。該實(shí)驗(yàn)易于演示,使用“U型管”裝置使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象多變且趣味性強(qiáng)。

證據(jù)推理中證據(jù)的呈現(xiàn)與三重表征相結(jié)合,分為宏觀證據(jù)、微觀證據(jù)、符號(hào)證據(jù)[3]。課標(biāo)中將證據(jù)推理的水平分為4個(gè)維度。經(jīng)分析,本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理思維的水平1,即“宏觀”證據(jù)。學(xué)生能從物質(zhì)及其變化的事實(shí)中提取證據(jù),對(duì)化學(xué)問題提出假設(shè),并依據(jù)證據(jù)證明或證偽假設(shè)。在本實(shí)驗(yàn)過程中,教師引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測現(xiàn)象,并通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化激發(fā)學(xué)生的證據(jù)意識(shí),引導(dǎo)學(xué)生探究產(chǎn)生現(xiàn)象的原因,并解釋證據(jù)和結(jié)論之間的關(guān)系。例如,無色氣體、紅棕色氣體、U型形管水柱高度變化、甲基橙指示劑變色等客觀事實(shí)。在這個(gè)基礎(chǔ)上,學(xué)生能充分地了解氮氧化物的性質(zhì)以及轉(zhuǎn)化過程。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)藥品和器材

實(shí)驗(yàn)藥品:銅片、稀硝酸(3 mol/L)、甲基橙、氫氧化鈉溶液、高錳酸鉀溶液。

實(shí)驗(yàn)器材:具支試管、橡膠管、集氣瓶、玻璃管、U型形管、燒杯、玻璃兩通活塞(可用彈簧夾代替)。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)通過銅片與稀硝酸生成一氧化氮。生成的一氧化氮與具支試管以及集氣瓶中的氧氣反應(yīng),生成紅棕色的二氧化氮?dú)怏w。由于二氧化氮易溶于水生成硝酸,二氧化氮溶于水后U型形管內(nèi)壓力改變,左右兩側(cè)產(chǎn)生高度差,生成的硝酸能使U型形管內(nèi)甲基橙變紅。

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示(省略夾持裝置)。

圖1 NO制取與NO2性質(zhì)檢驗(yàn)一體化實(shí)驗(yàn)裝置

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

連接好裝置,檢查氣密性后填入藥品。關(guān)閉K1,打開K2,此時(shí)U型形管兩側(cè)水柱平行,如圖2所示。

圖2 U型形管甲基橙高度

3.4.1 NO的制備

稀硝酸與銅片反應(yīng)一段時(shí)間后,銅片表面開始有無色氣泡生成,該無色氣泡為一氧化氮,如圖3所示。此時(shí)打開K1,U型形管左右出現(xiàn)高度差,甲基橙指示劑未變色,如圖4所示,出現(xiàn)高度差后關(guān)閉K1。本部分實(shí)驗(yàn)推理過程如下。

圖3 銅片表面生成NO

圖4 U型形管甲基橙

實(shí)驗(yàn)預(yù)測:首先,教師引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)組成和氧化還原反應(yīng)的角度預(yù)測銅片和硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物。其次,打開K1后,觀察U型形管的高度差會(huì)有什么變化,以及為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的變化。

實(shí)驗(yàn)觀察1:銅片表面產(chǎn)生無色氣體。打開K1后,U型形管的高度差從兩端高度相平變成了左低右高。

事實(shí)證據(jù)1:銅片與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生NO氣體。生成的NO與空氣中O2發(fā)生反應(yīng),生成NO2。NO2易溶于水。

分析推理1:根據(jù)U型形管液柱變化原因推測,NO沒有與O2轉(zhuǎn)化為NO2。

實(shí)驗(yàn)觀察2:教師引導(dǎo)學(xué)生觀察集氣瓶內(nèi)和甲基橙顏色變化,發(fā)現(xiàn)集氣瓶內(nèi)沒有生成紅棕色的氣體,甲基橙顏色沒有發(fā)生變化。

事實(shí)證據(jù)2:NO2為紅棕色氣體;NO2溶于水生成的硝酸使甲基橙變紅。

得出結(jié)論:具支試管中銅片與稀硝酸發(fā)生反應(yīng),生成NO氣體導(dǎo)致U型形管左側(cè)氣壓增大。此時(shí)NO沒有轉(zhuǎn)化為NO2。

3.4.2 NO轉(zhuǎn)化為NO2

反應(yīng)一段時(shí)間后,銅片表面出現(xiàn)的氣泡增多,具支試管中現(xiàn)紅棕色氣體,試管中溶液變藍(lán),如圖5所示。一段時(shí)間后集氣瓶中出現(xiàn)大量紅棕色氣體,如圖6所示。

圖5 具支試管中NO轉(zhuǎn)化為NO2

圖6 集氣瓶中收集到大量NO2

本部分的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且顏色豐富,將學(xué)生的注意力吸引在氣體和溶液顏色的變化上,實(shí)驗(yàn)推理過程如下。

實(shí)驗(yàn)預(yù)測:結(jié)合本部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,上一部分的實(shí)驗(yàn)推理是否正確。應(yīng)該怎樣檢驗(yàn)無色氣體NO。

實(shí)驗(yàn)觀察1:具支試管、集氣瓶中出現(xiàn)紅棕色氣體;具支試管中溶液顏色由無色變?yōu)樗{(lán)色。

事實(shí)證據(jù)1:銅與稀硝酸反應(yīng)方程式為8HNO3(稀)+3Cu=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。Cu(NO3)2溶液為藍(lán)色。一氧化氮與氧氣反應(yīng)方程式為2NO+O2=2NO2。

分析推理1:根據(jù)顏色變化推斷先有無色氣體NO生成,NO與O2反應(yīng)生成紅棕色氣體NO2。

得出結(jié)論:上一部分實(shí)驗(yàn)推理正確,檢驗(yàn)NO氣體的方法是觀察無色氣體變?yōu)榧t棕色。

3.4.3 NO2轉(zhuǎn)化HNO3

隨著反應(yīng)的進(jìn)行,集氣瓶中紅棕色氣體不斷增多。當(dāng)連接集氣瓶與U型形管的玻璃管中出現(xiàn)紅棕色氣體時(shí),打開K1。打開K1后,U型形管左右兩側(cè)高度差進(jìn)一步增大,如圖7所示。

圖7 U型形管甲基橙高度

一段時(shí)間后,U型形管左右甲基橙指示劑高度差逐漸減少。最終,左側(cè)高度大于右側(cè),且左側(cè)甲基橙指示劑由黃色逐漸變?yōu)榧t色,如圖8所示。

圖8 U型形管甲基橙高度及顏色變化

本部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與學(xué)生預(yù)測的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不同,教師引導(dǎo)學(xué)生觀察具支試管內(nèi)的氣體顏色變化,基于以上證據(jù)進(jìn)一步探究現(xiàn)象成因。實(shí)驗(yàn)推理過程如下。

實(shí)驗(yàn)預(yù)測:打開K1后,觀察U型形管的高度差會(huì)有什么變化。產(chǎn)生變化的原因是什么?

實(shí)驗(yàn)觀察1:打開K1后,U型形管的高度差進(jìn)一步增大。一段時(shí)間后,高度差又逐漸降低,左側(cè)的甲基橙變紅且顏色逐漸加深。

事實(shí)證據(jù)1:NO2密度大于空氣密度;NO2溶于水生成HNO3導(dǎo)致U型形管左側(cè)氣壓降低,發(fā)生倒吸。

分析推理1:根據(jù)U型形管液柱變化原因推測NO2與水反應(yīng)生成HNO3速度較慢。

實(shí)驗(yàn)觀察2:具支試管中的紅棕色消失,溶液藍(lán)色加深,銅片表面仍產(chǎn)生無色氣泡,如圖9所示。

圖9 具支試管中紅棕色氣體消失

分析推理2:具支試管中的全部氧氣與生成的NO反應(yīng)生成NO2進(jìn)入集氣瓶中。集氣瓶中仍有空氣存在,所以打開K1后,集氣瓶中壓力大于U型形管右側(cè)壓力。NO2擴(kuò)散速度小于其他氣體,高度差進(jìn)一步加大。

事實(shí)證據(jù)2:3NO2+H2O=2HNO3+NO;硝酸可使甲基橙變紅;4NO+3O2+2H2O=4HNO3。

分析推理3:NO2在溶于水的過程中會(huì)產(chǎn)生NO。NO與U型形管內(nèi)氧氣反應(yīng)生成NO2,最終轉(zhuǎn)化為硝酸,加快U型形管左側(cè)壓力的降低速度。

得出結(jié)論:上述推理正確。

3.4.4 尾氣處理

(1)NO2尾氣處理。NO2具有毒性,要防止擴(kuò)散到空氣中。所以處理NO2方法為一直打開K1,利用壓力將集氣瓶內(nèi)NO2和U型形管內(nèi)液體擠入裝有氫氧化鈉的燒杯中,氫氧化鈉中和HNO3后,甲基橙恢復(fù)黃色。

(2)NO尾氣處理。NO不與NaOH反應(yīng),故通過氧化還原反應(yīng)將其氧化處理。所以當(dāng)紅棕色氣體排出后關(guān)閉K2,將玻璃管接入到盛有高錳酸鉀的燒杯中后再打開K2將NO轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。

4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)本實(shí)驗(yàn)基于課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置,操作簡單,現(xiàn)象多變,易于學(xué)生觀察。

(2)本裝置整合氮氧化物的轉(zhuǎn)化,反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)氣體顏色的變化、U型形管內(nèi)液柱的高度差和甲基橙的變色有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和所學(xué)知識(shí)進(jìn)行證據(jù)推理得出原因,發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

(3)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置制備尾氣處理一體化,無有毒氣體排放,符合綠色化學(xué)的理念。

5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)本實(shí)驗(yàn)裝置使用的是玻璃兩通活塞,活塞可用彈簧夾代替,為保證氣密性應(yīng)該使用凡士林涂在裝置接口處。

(2)藥品裝入后要塞緊具支試管上的橡膠塞,否則試管內(nèi)壓力增大會(huì)將橡膠塞彈出,導(dǎo)致NO2擴(kuò)散到空氣中。

(3)K1打開后要根據(jù)U型形管內(nèi)液柱變化迅速關(guān)閉,時(shí)間過長會(huì)將U型形管內(nèi)甲基橙擠入裝有氫氧化鈉的燒杯中。