運(yùn)用“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型促進(jìn)元素化合物的深度復(fù)習(xí)
——以高三一輪復(fù)習(xí)課“硝酸的制備”為例

林秀鑾

（永安市第一中學(xué)，福建 永安 366000）

一、問題的提出

元素化合物知識(shí)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分，是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)概念原理及化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，更是學(xué)生自主建構(gòu)與發(fā)展化學(xué)基本觀念的載體［1］。通過《必修1》的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)儲(chǔ)備了一些有關(guān)單質(zhì)及化合物性質(zhì)的知識(shí)。但是由于存儲(chǔ)的知識(shí)是單個(gè)物質(zhì)的孤立知識(shí)，當(dāng)需要綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決復(fù)雜問題時(shí)，學(xué)生的拓展能力和遷移能力還比較薄弱。學(xué)生在學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)時(shí)如果沒有掌握一個(gè)核心方法，當(dāng)需要用化學(xué)知識(shí)去解決陌生問題時(shí)，很難形成一個(gè)系統(tǒng)的思維過程和方法［2］。“價(jià)—類二維圖”串聯(lián)了元素價(jià)態(tài)線與物質(zhì)類別線，引導(dǎo)學(xué)生從價(jià)、類二維角度思考物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化。教師在引領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建“價(jià)—類二維圖”的過程中，輔以工業(yè)生產(chǎn)等應(yīng)用實(shí)例能夠取得較好的教學(xué)效果［3］。

二、基于“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型的教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)背景分析

氮及其化合物是高中化學(xué)的重要內(nèi)容，通過《必修1》的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)氮的固定；銨鹽、硝酸、氨氣的性質(zhì)；氨氣的實(shí)驗(yàn)室制法；含氮物質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響等有了一定的認(rèn)識(shí)。高三一輪復(fù)習(xí)如果按照原來的知識(shí)體系進(jìn)行，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也無(wú)法幫助學(xué)生從繁雜、瑣碎的知識(shí)中提煉出本質(zhì)性知識(shí)，優(yōu)化重組物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，提升核心素養(yǎng)。本節(jié)課以自然界氮循環(huán)為切入點(diǎn)，通過建構(gòu)“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型把氮循環(huán)中涉及的氮及其化合物知識(shí)進(jìn)行歸納整理，提升對(duì)氮及其化合物相互轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)；以硝酸的制備為載體，理解實(shí)驗(yàn)室制法與工業(yè)生產(chǎn)中反應(yīng)原理的選擇、反應(yīng)條件與裝置的優(yōu)化、物質(zhì)與能量的綜合利用、尾氣處理等科學(xué)的思想與方法。

（二）教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1.環(huán)節(jié)一：自然界氮循環(huán)，提煉認(rèn)知模型

【回顧】自然界是一位神奇而偉大的“化學(xué)家”，在氮循環(huán)中（見圖1）實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)化合物與有機(jī)化合物的完美轉(zhuǎn)化。

圖1 自然界中氮循環(huán)

【思考】分析自然界氮循環(huán)過程中涉及哪些含氮元素的物質(zhì)？

【活動(dòng)】在“價(jià)—類二維”圖中對(duì)氮循環(huán)中的重要物 質(zhì)（N2、NH3、NH3·H2O、NH4Cl、NO、NO2、HNO3、NaNO3）進(jìn)行標(biāo)注，并用箭號(hào)表示它們之間轉(zhuǎn)化關(guān)系。

【歸納】氮元素“價(jià)—類二維”圖如圖2 所示。

圖2 氮元素“價(jià)—類二維”圖

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生回憶氮循環(huán)，感受大自然的神奇與科學(xué)家的偉大。通過自主建構(gòu)氮及其化合物的“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型，引導(dǎo)學(xué)生通過“價(jià)維”和“類維”分析含氮元素的單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)和相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，促進(jìn)元素觀、分類觀和轉(zhuǎn)化觀的建構(gòu)。

2.環(huán)節(jié)二：合成路線設(shè)計(jì)，運(yùn)用認(rèn)知模型

【介紹】硝酸是一種重要的化工原料，產(chǎn)量?jī)H次于硫酸。稀硝酸主要用于制造硝酸鹽；濃硝酸在國(guó)防工業(yè)、制藥、塑料、有色金屬冶煉等方面應(yīng)用廣泛。

【活動(dòng)】根據(jù)所學(xué)知識(shí)，分組討論制備硝酸的方案。每組請(qǐng)一位代表匯報(bào)本組的方案。

【小結(jié)】設(shè)計(jì)方案：

（1）利用氧化還原反應(yīng)制備硝酸，流程見圖3。

圖3 制備硝酸流程圖

（2）利用復(fù)分解反應(yīng)制備硝酸。

（3）利用電化學(xué)裝置制備硝酸：以石墨為電極電解AgNO3或Cu（NO3）2溶液。

設(shè)計(jì)意圖：通過設(shè)計(jì)制備硝酸的方案，讓學(xué)生領(lǐng)悟到在物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中，如果元素的化合價(jià)沒有發(fā)生變化，通常可以通過復(fù)分解反應(yīng)實(shí)現(xiàn)；如果元素的化合價(jià)發(fā)生變化，可以通過氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，從而提升學(xué)生運(yùn)用“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型分析問題、解決問題的能力。

3.環(huán)節(jié)三：實(shí)驗(yàn)室制硝酸，培養(yǎng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀

【討論】分析以上設(shè)計(jì)的合成路線，分組討論實(shí)驗(yàn)室制備硝酸的方案。每組請(qǐng)一位代表匯報(bào)本組的方案，并闡述選擇此方案的理由。

【小結(jié)】實(shí)驗(yàn)室制備硝酸的反應(yīng)原理：

【思考】實(shí)驗(yàn)室用濃硫酸與硝酸鈉固體加熱反應(yīng)制取少量硝酸。試回答：

（1）如圖4 所示實(shí)驗(yàn)裝置中，最好選用裝置_____

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

（填“A”或“B”）制取硝酸，簡(jiǎn)述你的理由。

（2）實(shí)驗(yàn)過程中，加熱的方式是____

A.猛火加熱 B.小火加熱

（3）制得的硝酸應(yīng)如何保存？

設(shè)計(jì)意圖：通過討論實(shí)驗(yàn)室制備硝酸方案、實(shí)驗(yàn)裝置、加熱方式、保存方法，建構(gòu)物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的思維模型，培養(yǎng)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”。

4.環(huán)節(jié)四：工業(yè)生產(chǎn)硝酸，滲透化學(xué)價(jià)值觀

【活動(dòng)】寫出工業(yè)生產(chǎn)硝酸轉(zhuǎn)化關(guān)系（NH3→NO→NO2→HNO3）中各步反應(yīng)的化學(xué)方程式。

【小結(jié)】三步反應(yīng)的化學(xué)方程式分別為：

【介紹】工業(yè)上制備硝酸的流程如圖5 所示。

圖5 工業(yè)上制備硝酸的流程

【思考】工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的熱量如何利用？

【介紹】熱交換器工作原理，關(guān)注能量的綜合利用。

【思考】流程中哪些措施可以提高硝酸的生產(chǎn)效率？

【小結(jié)】（1）逆流吸收、噴霧狀水等措施增大氣體與水的接觸面積；（2）氣體的循環(huán)利用提高原料利用率；（3）利用反應(yīng)產(chǎn)生的熱能對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行預(yù)熱，加快反應(yīng)速率。

設(shè)計(jì)意圖：通過分析工業(yè)生產(chǎn)硝酸的流程，認(rèn)識(shí)能量綜合利用的重要性以及逆流原理、氣體循環(huán)利用等在提高產(chǎn)率中的重要作用，體會(huì)化學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)中的價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生“變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng)。

5.環(huán)節(jié)五：尾氣處理方案，培養(yǎng)高階思維

【思考】硝酸工業(yè)產(chǎn)生的NOx 尾氣有哪些危害？

【小結(jié)】①酸雨②霧霾③光化學(xué)煙霧等。

【思考】硝酸工業(yè)中尾氣如何處理？

【引導(dǎo)】思路一：變有毒物質(zhì)為無(wú)毒物質(zhì)；思路二：變廢為寶。

【活動(dòng)】在“價(jià)—類二維”圖中尋找合適的路線實(shí)現(xiàn)尾氣處理。

【小結(jié)】尾氣處理方案見圖6，其中方案①②把NOx 轉(zhuǎn)化為對(duì)環(huán)境無(wú)污染的氮?dú)猓环桨涪邰馨袾Ox 轉(zhuǎn)化為有用的副產(chǎn)品硝酸鹽和亞硝酸鹽。

圖6 尾氣處理方案

【介紹】NOx 尾氣處理的方法：堿液吸收法、催化轉(zhuǎn)化法、電解法等。

【活動(dòng)】（1）硝酸工業(yè)產(chǎn)生的廢氣中含有較多的NO、NO2，可采用強(qiáng)堿溶液進(jìn)行吸收，同時(shí)獲得副產(chǎn)品NaNO3和NaNO2。

①寫出NO2與NaOH 溶液反應(yīng)生成NaNO3和NaNO2的化學(xué)方程式。

②寫出等物質(zhì)的量的NO、NO2與NaOH 溶液反應(yīng)生成NaNO2的化學(xué)方程式。

③當(dāng)混合氣體中NO2、NO 的物質(zhì)的量之比滿足什么條件能被足量的燒堿溶液完全吸收？

（2）在催化劑、加熱條件下，氮氧化物通過與氨氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的N2，寫出該條件下NO（或NO2）與NH3反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N2的化學(xué)方程式。

（3）工業(yè)上電解NO 制備NH4NO3工作原理見圖7。

圖7 工業(yè)上電解NO 制備NH4NO3

①寫出電解時(shí)陽(yáng)極、陰極的電極反應(yīng)式。

②為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3，需補(bǔ)充物質(zhì)A 為_____，說明理由。

【討論】氨氮廢水主要來源于化肥、煉油、稀土、鋼鐵等工業(yè)。氨氮廢水的排放是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素。某化肥廠的氨氮廢水中氮元素主要以NH4+和NH3·H2O 的形式存在，請(qǐng)你設(shè)想該廢水的處理方案。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型設(shè)計(jì)硝酸工業(yè)尾氣處理方案，讓學(xué)生了解NOx 對(duì)環(huán)境的影響，形成綠色化學(xué)的思想，促進(jìn)化學(xué)價(jià)值觀的形成。通過分析尾氣、廢水的處理等實(shí)際問題培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。

6.環(huán)節(jié)六：方法遷移應(yīng)用，升華認(rèn)知模型

【小結(jié)】“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型研究的對(duì)象是元素或物質(zhì)，將具有相同核心元素的不同物質(zhì)高度融合在“價(jià)—類二維”圖上。通過“類維”明確物質(zhì)所屬的類別，再結(jié)合該類物質(zhì)的通性預(yù)測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)；分析該物質(zhì)核心元素所屬種類、在元素周期表中的位置等，根據(jù)同周期、同主族元素性質(zhì)的相似性和遞變性推測(cè)性質(zhì)。“價(jià)維”關(guān)注的是元素的化合價(jià)，依據(jù)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律，判斷該物質(zhì)具有還原性或氧化性，根據(jù)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中化合價(jià)的變化，推測(cè)所需試劑為還原劑或氧化劑。“價(jià)維”和“類維”是兩條明線，“原理維”是一條暗線。“原理維”指從能量和平衡角度分析物質(zhì)間變化的方向及程度，多種反應(yīng)共存時(shí)由平衡常數(shù)與濃度商評(píng)估反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果，學(xué)會(huì)控制和改變反應(yīng)體系的條件，讓反應(yīng)朝著人類需要的方向進(jìn)行。［4］

【思考】從S、Cl、C、Fe、Al 等5 種元素中任選一種作為核心元素繪制“價(jià)—類二維”圖，并分析物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步理解“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型的內(nèi)涵，形成基于“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型復(fù)習(xí)元素化合物的一般思路和方法，提升“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。

三、基于“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型的復(fù)習(xí)課教學(xué)思考

（一）化繁為簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)思維可視化

含氮物質(zhì)種類繁多，其中氮元素的化合價(jià)也有多種變化。如何把含氮元素的單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)以及它們之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系直觀、清晰、系統(tǒng)化地表示出來，“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型有效解決了這個(gè)問題。

教學(xué)中，教師讓學(xué)生回顧自然界氮循環(huán)中涉及的物質(zhì)以及相互間的轉(zhuǎn)化，學(xué)生在這個(gè)過程中充分感受到氮及其化合物的豐富，但也有知識(shí)點(diǎn)比較散亂的感覺。當(dāng)要求學(xué)生把這些物質(zhì)在“價(jià)—類二維”圖上進(jìn)行標(biāo)注，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)每一種物質(zhì)都能在圖上找到恰當(dāng)?shù)奈恢茫撐恢镁腕w現(xiàn)該物質(zhì)獨(dú)有的性質(zhì)。根據(jù)類別的通性以及氧化還原反應(yīng)規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)相互間轉(zhuǎn)化。通過設(shè)計(jì)硝酸制備的流程圖，讓學(xué)生進(jìn)一步感受到“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型在研究物質(zhì)性質(zhì)以及實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的引導(dǎo)作用，使學(xué)生的認(rèn)知思維可視化。通過自主建構(gòu)，賦予原本靜態(tài)、平面的“價(jià)—類二維”圖豐富的內(nèi)涵與科學(xué)的靈魂，有利于學(xué)生發(fā)展元素觀、分類觀、轉(zhuǎn)化觀。

（二）層層進(jìn)階，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型鏈接了元素化合物知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)，當(dāng)聚焦到具體的物質(zhì)或是真實(shí)的情境中，就可以運(yùn)用“原理維”全面、深入、本質(zhì)地認(rèn)知物質(zhì)以及相互間的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)學(xué)生對(duì)元素化合物知識(shí)的深度學(xué)習(xí)。

對(duì)學(xué)生來說，實(shí)驗(yàn)室制備硝酸是一個(gè)完全陌生的情境。首先，需要考慮反應(yīng)原理的選擇。制備硝酸有多種方案，哪種方案最適合實(shí)驗(yàn)室制備硝酸？教師讓學(xué)生分組討論，并闡述理由。這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到并不是每個(gè)方案都適合實(shí)驗(yàn)室制備硝酸，需要考慮實(shí)驗(yàn)室條件下原料來源、反應(yīng)條件、實(shí)驗(yàn)操作等是否容易實(shí)現(xiàn)。接著，教師提供兩種實(shí)驗(yàn)裝置，引導(dǎo)學(xué)生討論哪種裝置更適合實(shí)驗(yàn)室制取硝酸。這個(gè)問題引發(fā)學(xué)生的熱烈討論。裝置A 用分液漏斗添加濃硫酸，容易控制用量，進(jìn)而控制反應(yīng)速率；根據(jù)HNO3的密度比空氣大，采用向上排空氣法收集，但是硝酸容易從集氣瓶口逸出；硝酸具有強(qiáng)腐蝕性，會(huì)腐蝕裝置中橡膠塞（管）。裝置B 采用曲頸甑作為發(fā)生裝置，避免了硝酸對(duì)橡膠的腐蝕，生成的硝酸進(jìn)入浸泡在冷水中的圓底燒瓶，減少揮發(fā)造成的環(huán)境污染與損失。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備硝酸的一系列問題進(jìn)行深入探討，實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階，有助于提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生正確的化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀。

（三）真實(shí)情境，引發(fā)高階思維

高階思維產(chǎn)生在較高認(rèn)知程度上的心智活動(dòng)，在教學(xué)目標(biāo)中表現(xiàn)為分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造三個(gè)維度，［5］高階思維能力包括決策能力、問題求解能力、創(chuàng)新能力和批判性思維能力。［6］真實(shí)且富有價(jià)值的問題情境為形成和發(fā)展高階思維提供重要的平臺(tái)。

硝酸工業(yè)尾氣處理有兩條非常重要的思路：變廢為寶或變有毒物質(zhì)為無(wú)毒物質(zhì)。從變廢為寶的思路出發(fā)，根據(jù)NO2中氮元素顯+4 價(jià)，可以轉(zhuǎn)化為+5 價(jià)硝酸鹽與+3 價(jià)亞硝酸鹽；NO2與NO 可以通過氧化還原反應(yīng)生成+3 價(jià)亞硝酸鹽。從變有毒物質(zhì)為無(wú)毒物質(zhì)的思路出發(fā)，可以考慮加入合適的還原劑把NOx 轉(zhuǎn)化為對(duì)環(huán)境無(wú)污染的N2。通過對(duì)工業(yè)上電解NO 制備NH4NO3的原理分析，開拓學(xué)生的視野，使之進(jìn)一步感受化學(xué)學(xué)科的價(jià)值。設(shè)計(jì)廢氣處理方案的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生設(shè)計(jì)廢水處理方案非常重要，不能簡(jiǎn)單地將工業(yè)尾氣NOx 的轉(zhuǎn)化途徑復(fù)制到氨氮廢水的處理中，但思維模型是一致的。學(xué)生再次通過“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型，推理、分析不同的轉(zhuǎn)化途徑，并對(duì)每一種途徑進(jìn)行評(píng)價(jià)，在這一系列學(xué)習(xí)活動(dòng)中，發(fā)展了高階思維能力。

高質(zhì)量的元素化合物復(fù)習(xí)課應(yīng)該幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)化、問題系統(tǒng)化、思維有序化。［7］“價(jià)—類二維”認(rèn)知模型具有知識(shí)統(tǒng)攝性和思維引領(lǐng)性，教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)物質(zhì)的“價(jià)維”和“類維”對(duì)種類繁多的物質(zhì)進(jìn)行二維定位，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化與思維的有序化；接著聚焦某一具體物質(zhì)，可以對(duì)該物質(zhì)的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)室制備、工業(yè)生產(chǎn)以及尾氣處理等進(jìn)行深入研究，積極開展建構(gòu)學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和問題解決學(xué)習(xí)模式，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。