從資源循環利用理念角度淺談高中化學實驗設計

張麗華

（福建省莆田哲理中學，福建莆田 351100）

引 言

高中化學實驗教學中積極滲透資源循環利用理念是貫徹綠色化學的具體體現，教師應從整體上把握高中化學實驗教學內容，認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，將實驗內容加以有機整合，最大限度地利用實驗試劑、實驗中生成的物質，實現資源的循環利用，以節約實驗成本，給學生帶來潛移默化的積極影響，使其養成良好的實驗習慣[1]。

一、實驗總體概述

硝酸分為濃硝酸與稀硝酸，其相關性質是高中化學的重要知識點。為使學生更好地掌握濃硝酸與稀硝酸化學性質的不同，教師可組織學生開展相關的化學實驗。其中濃硝酸和銅金屬反應會生成NO2，溶質為Cu(NO3)2，而稀硝酸和銅金屬反應則會生成NO，溶質為Cu(NO3)2。NO2、NO都具有毒性，不能直接排放，因此，教師在設計實驗時應注重這兩種物質的回收和重復利用。另外，在進行實驗的過程中，教師應注重將裝置中的O2排凈，此時可考慮使用能夠產生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之間可相互轉化，因此，在進行化學平衡移動教學時，教師可通過做相關的實驗，帶領學生觀察顏色的變化，幫助學生理解溫度對化學平衡的影響。

NO2能和H2O發生反應生成硝酸和NO，該過程實現了NO2的回收，生成的硝酸可重新利用。另外，NO可和O2反應生成NO2，從而能和水反應生成硝酸。

綜上，教學中為實現資源循環利用需要進行五個實驗：（1）Cu和濃硝酸反應的實驗；（2）Cu和稀硝酸反應的實驗；（3）NO2和N2O4相互轉化的實驗；（4）NO2和H2O反應制取硝酸的實驗；（5）NO和O2、H2O反應制取硝酸的實驗。

二、實驗目的及原理分析

（一）實驗目的

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

（二）實驗原理

實驗（1）依據的實驗原理為：Cu+4HNO3（濃）=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O；實驗（2）依據的實驗原理為：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）反應生成的CO2排出殘留的空氣；實驗（3）依據的原理為NO2（g）N2O4（g），ΔH＜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）依據的原理為：3NO2+H2O=2HNO3+NO、2NO+O2=2NO2，兩個方程式聯立得到：4NO2+O2+2H2O=4HNO3；實驗（5）依據的原理為：2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO，兩個方程式聯立得到：4NO+3O2+2H2O=4HNO3，從中可以發現只要將NO2、NO和O2的比例控制得當，能夠完全反應，就可全部轉化為硝酸。

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）在教材中有相關的實驗，教師在教學時可在教材實驗的基礎上進行適當的改進。教師可給學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。課堂上給學生預留一定的思考時間，使其依據實驗原理自行組裝實驗裝置進行實驗，并給予學生一定的指導，確保實驗科學、合理，尤其要設計相關問題，要求學生在做實驗的過程中進行記錄，更好地加深其印象[2]。

最終，學生經過思考、討論，在教材實驗裝置的基礎上使用導管在右側連接帶旋塞的試管，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發生反應生成CO2，將整個實驗裝置中的空氣排干凈。接著，學生控制止水夾開始進行濃硝酸和銅片的反應，待完成反應后，繼續打開和裝入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和稀硝酸反應的實驗現象為，得出的結論為____；濃硝酸和銅片反應的實驗現象為____，得出的結論為___；稀硝酸和銅片反應的實驗現象為____，得出的結論為___；為了給做NO2和N2O4實驗做好鋪墊，學生需要收集NO2，并思考該如何收集NO2。

學生只要積極動手進行實驗，并認真觀察實驗現象不難回答上述問題。Na2CO3和稀硝酸反應產生大量氣泡，將其通入澄清石灰水中溶液變渾濁，表明實驗中產生了CO2氣體；濃硝酸和銅片反應裝置中有紅棕色氣體產生，反應后的溶液顏色變綠，反應產生了NO2氣體。稀硝酸和銅片反應時產生無色氣體，溶液變為綠色，當打開氣囊中的止水夾，將氣囊中的空氣擠入裝置中，氣體變為紅棕色，表明實驗產生了NO，且NO和空氣中的O2反應生成了NO2。如要收集NO2氣體，因其能和水發生反應，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，教師可讓學生使用收集的NO2，進行NO2和N2O4相互轉化的實驗。一些學生使用試管，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，教師要求學生思考溫度是如何影響化學平衡移動的。最終，學生認真回顧實驗過程和實驗現象，得出針對NO2（g）N2O4（g），ΔH＜0這一反應，溫度升高化學平衡逆向移動，NO2物質的量增加，顏色變深，反之顏色變淺。

（三）實驗（4）和實驗（5）的實施與控制

運用實驗（1）和實驗（2）產生的NO2和NO還可通過洗耳球擠入空氣，并將導管倒置于水槽中做實驗（4）和實驗（5）。實驗中，學生發現裝有NO的試管先變為紅棕色，之后試管中的水上升，裝入NO2的試管隨著空氣進入導管中，導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為紅色，表明生成了酸。

（四）實驗總體效果評估

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

結 語

在高中化學教學中，教師從資源循環利用理念的角度對硝酸及氮氧化物的有關內容進行了整合，并結合經驗設計了一系列實驗，給學生提供了動手操作的機會，鼓勵學生積極思考相關設計問題，不僅加深了學生的印象，使學生更好地掌握了所學知識，而且給其帶來了良好的啟發，即在做化學實驗時應養成良好習慣，注重資源循環利用，避免資源浪費。