基于證據推理思維培養的高中化學一體化實驗改進
——以氮氧化物的轉化為例

杜鵬程 趙麗娜

吉林師范大學化學學院(136000)

1 問題的提出

化學是一門以實驗為基礎的科學,化學實驗是連接學生對于化學方程式等符號表征與宏觀現象的橋梁,對培養學生的核心素養至關重要。《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》指出,學生應能根據各類物質及其反應的不同特征尋找充分的證據,并能解釋證據與結論之間的關系,并且將證據推理作為思維核心。然而,在實驗教學過程中,教師僅“演示”實驗現象,缺少引導學生探究實驗現象與證據之間的關系,不利于學生證據推理思維的發展。以氮及其氧化物為例,在人教版高中化學必修2中,氮氧化物的制備和性質檢驗實驗缺少完整的通路且可視化程度不高。教材實驗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化過程。在其他學者的改進中,如姚亮發等老師的銅與稀硝酸反應實驗的新設計[1]、陳方等老師的NOx溶于水實驗裝置的實驗改進[2]雖各有所長,但還是存在實驗現象單一,缺少完整的產物檢驗流程等缺陷。因此,本文從證據推理以及實驗現象可視化角度設計改進。

2 實驗改進目的

本文通過改進NO制取與NO2性質檢驗實驗裝置,整合稀硝酸與銅、一氧化氮與氧氣,二氧化氮與水、硝酸與甲基橙多個反應,實現一體化,基于證據推理推進實驗教學,有利于學生深入理解氮氧化物的轉化,培養學生的證據推理思維。該實驗易于演示,使用“U型管”裝置使實驗現象多變且趣味性強。

證據推理中證據的呈現與三重表征相結合,分為宏觀證據、微觀證據、符號證據[3]。課標中將證據推理的水平分為4個維度。經分析,本實驗能夠培養學生的證據推理思維的水平1,即“宏觀”證據。學生能從物質及其變化的事實中提取證據,對化學問題提出假設,并依據證據證明或證偽假設。在本實驗過程中,教師引導學生預測現象,并通過實驗現象的變化激發學生的證據意識,引導學生探究產生現象的原因,并解釋證據和結論之間的關系。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。在這個基礎上,學生能充分地了解氮氧化物的性質以及轉化過程。

3 實驗部分

3.1 實驗藥品和器材

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

實驗器材: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 實驗原理

本實驗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,生成紅棕色的二氧化氮氣體。由于二氧化氮易溶于水生成硝酸,二氧化氮溶于水后U型形管內壓力改變,左右兩側產生高度差,生成的硝酸能使U型形管內甲基橙變紅。

3.3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示(省略夾持裝置)。

圖1 NO制取與NO2性質檢驗一體化實驗裝置

3.4 實驗步驟

連接好裝置,檢查氣密性后填入藥品。關閉K1,打開K2,此時U型形管兩側水柱平行,如圖2所示。

圖2 U型形管甲基橙高度

3.4.1 NO的制備

稀硝酸與銅片反應一段時間后,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。此時打開K1,U型形管左右出現高度差,甲基橙指示劑未變色,如圖4所示,出現高度差后關閉K1。本部分實驗推理過程如下。

圖3 銅片表面生成NO

圖4 U型形管甲基橙

實驗預測:首先,教師引導學生從物質組成和氧化還原反應的角度預測銅片和硝酸反應的產物。其次,打開K1后,觀察U型形管的高度差會有什么變化,以及為什么會出現這樣的變化。

實驗觀察1:銅片表面產生無色氣體。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。

事實證據1:銅片與稀硝酸反應產生NO氣體。生成的NO與空氣中O2發生反應,生成NO2。NO2易溶于水。

分析推理1:根據U型形管液柱變化原因推測,NO沒有與O2轉化為NO2。

實驗觀察2:教師引導學生觀察集氣瓶內和甲基橙顏色變化,發現集氣瓶內沒有生成紅棕色的氣體,甲基橙顏色沒有發生變化。

事實證據2:NO2為紅棕色氣體;NO2溶于水生成的硝酸使甲基橙變紅。

得出結論:具支試管中銅片與稀硝酸發生反應,生成NO氣體導致U型形管左側氣壓增大。此時NO沒有轉化為NO2。

3.4.2 NO轉化為NO2

反應一段時間后,銅片表面出現的氣泡增多,具支試管中現紅棕色氣體,試管中溶液變藍,如圖5所示。一段時間后集氣瓶中出現大量紅棕色氣體,如圖6所示。

圖5 具支試管中NO轉化為NO2

圖6 集氣瓶中收集到大量NO2

本部分的實驗現象明顯且顏色豐富,將學生的注意力吸引在氣體和溶液顏色的變化上,實驗推理過程如下。

實驗預測:結合本部分實驗現象,上一部分的實驗推理是否正確。應該怎樣檢驗無色氣體NO。

實驗觀察1:具支試管、集氣瓶中出現紅棕色氣體;具支試管中溶液顏色由無色變為藍色。

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

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

得出結論:上一部分實驗推理正確,檢驗NO氣體的方法是觀察無色氣體變為紅棕色。

3.4.3 NO2轉化HNO3

隨著反應的進行,集氣瓶中紅棕色氣體不斷增多。當連接集氣瓶與U型形管的玻璃管中出現紅棕色氣體時,打開K1。打開K1后,U型形管左右兩側高度差進一步增大,如圖7所示。

圖7 U型形管甲基橙高度

一段時間后,U型形管左右甲基橙指示劑高度差逐漸減少。最終,左側高度大于右側,且左側甲基橙指示劑由黃色逐漸變為紅色,如圖8所示。

圖8 U型形管甲基橙高度及顏色變化

本部分實驗現象與學生預測的實驗現象不同,教師引導學生觀察具支試管內的氣體顏色變化,基于以上證據進一步探究現象成因。實驗推理過程如下。

實驗預測:打開K1后,觀察U型形管的高度差會有什么變化。產生變化的原因是什么?

實驗觀察1:打開K1后,U型形管的高度差進一步增大。一段時間后,高度差又逐漸降低,左側的甲基橙變紅且顏色逐漸加深。

事實證據1:NO2密度大于空氣密度;NO2溶于水生成HNO3導致U型形管左側氣壓降低,發生倒吸。

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

實驗觀察2:具支試管中的紅棕色消失,溶液藍色加深,銅片表面仍產生無色氣泡,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反應生成NO2進入集氣瓶中。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型形管右側壓力。NO2擴散速度小于其他氣體,高度差進一步加大。

事實證據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產生NO。NO與U型形管內氧氣反應生成NO2,最終轉化為硝酸,加快U型形管左側壓力的降低速度。

得出結論: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NO2和U型形管內液體擠入裝有氫氧化鈉的燒杯中,氫氧化鈉中和HNO3后,甲基橙恢復黃色。

(2)NO尾氣處理。NO不與NaOH反應,故通過氧化還原反應將其氧化處理。所以當紅棕色氣體排出后關閉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轉化為硝酸鹽。

4 實驗創新點

(1)本實驗基于課本實驗進行改進,優化實驗裝置,操作簡單,現象多變,易于學生觀察。

(2)本裝置整合氮氧化物的轉化,反應連續進行,實驗裝置內氣體顏色的變化、U型形管內液柱的高度差和甲基橙的變色有效地調動學生學習的積極性,激發學生實驗興趣,引導學生根據實驗現象和所學知識進行證據推理得出原因,發展學生的核心素養。

(3)整個實驗裝置制備尾氣處理一體化,無有毒氣體排放,符合綠色化學的理念。

5 實驗注意事項

(1)本實驗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,否則試管內壓力增大會將橡膠塞彈出,導致NO2擴散到空氣中。

(3)K1打開后要根據U型形管內液柱變化迅速關閉,時間過長會將U型形管內甲基橙擠入裝有氫氧化鈉的燒杯中。