介紹和改造金屬與硝酸反應產物的國外記憶模型

張英杰

摘要：金屬與硝酸反應的產物會隨著金屬活潑性或硝酸濃度的不同而不同，學生在學習時非常困難。筆者介紹并改造了國外一種有關金屬與硝酸反應產物的記憶模型，利用它可以很快地檢索出金屬與硝酸反應的五種不同的還原產物，特別地容易記憶和使用，以期對教師的教和學生的學提供一定的幫助。

關鍵詞：高中化學；金屬的活潑性；硝酸的濃度；記憶模型

【中圖分類號】G633.8

在實際的化學教學過程中，對于金屬與硝酸的反應一般采用四等式法，從圖像的角度來認識或應用守恒法來判斷金屬與硝酸反應的產物[1-3]，學生理解起來有難度。本文介紹一個國外的手型記憶模型，使抽象的問題具體化、形象化，更有利于學生的識記和理解金屬與硝酸反應的產物。

1 金屬與硝酸的反應

金屬與硝酸的反應是化學中一種常見的反應。而該反應產物主要與硝酸的濃度、金屬的活潑性有關。一般情況下，濃硝酸與金屬反應的還原產物主要是NO2；稀硝酸與不活潑金屬反應的主要還原產物也是NO2；而稀硝酸與活潑金屬反應的還原產物除了NO，還有N2O、N2；對于很稀的硝酸與活潑的金屬反應主要的還原產物是氨氣或者銨鹽。

由于硝酸中氮的價態為+5價，易發生還原反應，價態降低，其還原的程序大致如圖1所示。

+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3

HNO3 NO2 N2O3 NO N2O N2 NH2OH N2H4 NH3

圖1 硝酸中氮元素的價態變化

1.1 影響金屬與硝酸反應的因素

硝酸是最重要的含氮酸，因為它既是一種強酸也是一種強氧化劑（HNO3中的氮元素最高價態顯+5），并且硝酸能夠溶解大多數金屬[4]，金屬與硝酸的氧化還原反應產物比用硫酸或者鹽酸的更復雜，主要是因為硝酸的五個可能的還原產物中包括三個氮氧化物（NO2， NO， 和 N2O）、N2和NH4NO3。其中，硝酸還原的上述產物中代表氮的三種不同價態的氧化物，硝酸與金屬發生氧化還原反應時氮元素所得到的電子數，即其中氮元素的價態降低程度，減少還原產物的種類；主要有兩個因素決定：（1）金屬的活潑性；（2）酸的濃度。金屬的活潑性被認為是主要的因素，因為在整個反應過程中它并沒有改變，而酸的濃度減少了[5-6]。

其實，不同的金屬與硝酸反應，產物不同。例如，鋅和硝酸之間的反應生成什么價態的還原產物取決于HNO3濃度。此外，大多數的反應會同時并以各種比例生成一些還原產物。唯一共同的趨勢是：金屬的活潑性越強和硝酸的濃度越稀，氮元素的價態降低的程度越大。顯然，這往往會導致學生在氧化還原反應的練習中產生模棱兩可現象，因為不清楚選擇那個作為還原產物。因此，有必要設計一個方案來幫助學生來應對金屬與硝酸的反應的化學方程式的書寫問題。該提議的方案要滿足以下三個要求：（1）能夠清晰地表示以金屬的活潑性和酸的濃度為影響因素的硝酸與金屬反應的還原產物；（2）容易記憶；（3）容易使用。

1.2 決定金屬與硝酸反應產物的兩個因素的界限

（1）金屬的活潑性

以金屬的標準電極電位來劃分金屬的活潑性強弱。相對于與硝酸的反應，可將所有金屬分成兩組：活潑的和活潑性弱的。以鎘（Cd2+/Cd）的標準電極電位為一個定值（?0.4030 V），金屬的標準電極電位低于鎘的是活潑的金屬，而其余的（包括鎘）被認為是活潑性較弱的金屬。

（2）硝酸的濃度

通常，可將硝酸溶液分濃硝酸（最多16 mol/L或約70%），稀硝酸（3-6mol/L或10-30%）和非常稀硝酸（0.1-3 mol/L或小于10%）。在下面國外的記憶模型里，濃酸用“C”表示，稀酸用“d” 表示，非常稀酸用“vd”表示。

2 金屬與硝酸反應產物的國外記憶模型

2.1 國外記憶模型的描述

使用記憶模型能夠提高新信息的記憶和理解。現介紹一種國外金屬與硝酸反應產物的記憶模型——左手模型[7]（拇指向下，如圖2）。模型中的手指表示硝酸的還原產物，金屬的活潑性與酸的濃度作為影響其產物的兩個因素。

這種記憶模型對于每個手指來說有兩個輸入端和五個輸出端，而且從左到右讀出。上層的輸入端對應于活潑性較弱的金屬分別與濃、稀硝酸反應，該輸出對應于硝酸的濃度，并且進行了相應的標記，因此表示為“Cd”。下層的輸入端對應于活潑的金屬分別與濃、稀、極稀硝酸反應。巧合的是，“C” 和 “d” 結合在一起的意義形成了化學元素鎘的象征，使記憶“C”、 “d”、“C”、“d”、 “vd”的順序更加容易。每一個輸出端給出硝酸還原的適當價態產物，其順序從頂部（小指）到底部（拇指）從+4到-3依次遞減。需強調的是，更多的電子被獲得，氮元素從+5可能降低到-3。此外，輸出之間的角度與氮元素價態間的不同有輕微的聯系（相比其余部分，“0”和“-3”之間的角度是相當大的）。所得到硝酸還原成適當價態的產物依次是：NO2、NO、N2O、N2和NH4NO3。

在這種記憶模型中，以選擇鎘的標準電極電位作為金屬活潑性強弱的分界點，就像是符號中的字母可以用來提醒學生注意其相關的影響。

2.2 國外記憶模型的使用

給出一個完整的化學反應，學生應該首先應在標準電極電位表的幫助下與鎘的標準電極電位進行比較來確定金屬的活潑性。其次，酸的濃度。一個很好的例子是銅和濃硝酸的反應，銅的標準電極電位（Cu2+/Cu）為0.3419 V，大于鎘的標準電極電位，因此它被認為是活潑性較弱的，并且記憶模型的上輸入端被使用。一旦酸的濃度增大，“C”輸出端被使用，其產生的為二氧化氮：

Cu （活潑性較弱的）+ 4HNO3 （濃）=Cu（NO3）2+ 2NO2↑+ 2H2O

同理，其他的例子如下：

3Hg（活潑性較弱） + 8HNO3（稀）=3Hg（NO3）2 +2NO↑+ 4H2O

4Mg（活潑的）+ 10HNO3（濃）=4Mg（NO3）2 +N2O↑+5H2O

5Fe （活潑的） + 12HNO3（稀） =5Fe（NO3）2+ N2↑+ 6H2O

8Al （活潑的）+ 30HNO3（非常稀） =8Al（NO3）3 + 3NH4NO3+9H2O

2.3 國外記憶模型的優勢與限制

國外的記憶模型成功地適用于大多數的金屬和硝酸之間的共同反應，學生使用起來簡單而又快捷，發現特別容易記住。在考試過程中，學生可以觀察自己的左手和數到合適的價態。但是，該模型主要受兩個因素的限制：影響硝酸的還原產物（金屬的活潑性和酸的濃度），沒有把溫度以及在少數情況下釋放的H2（氫氣）考慮在內，而且它只表示了當時的還原產物，也具有一定的限制。

3 總結

金屬與硝酸發生反應，由于其還原產物較為復雜，學生不容易記憶，一旦涉及到此類的問題，會給學生的化學學習帶來一定的困難。為此，我們將這種國外記憶模型進行了改造，利用它可以很快地檢索出五種不同的產物，其中整數代表在所得還原產物中氮的化合價，特別地容易記憶和使用，如圖3所示。

學生在做金屬與硝酸反應產物分析的有關練習時，可以借助于自己的手掌來跨越此難點，不僅能夠使學生輕松解決問題還可以激發學生的學習興趣，使其更加樂學。

參考文獻：

[1] 李緒福.應用守恒法判斷金屬與硝酸反應產物[J].科教文匯（下旬刊），2008，10：274.

[2] 王永森. 從圖像角度認識金屬與硝酸的反應[J]. 中學理科，2005（9）：39-41.

[3] 張萬霞. 硝酸與金屬反應面面觀[J]. 理科考試研究，2015（15）：64.

[4] Miles， D. T. Run-D.M.C.： A Mnemonic Aid for Explaining Mass Transfer in Electrochemical Systems[J].Chem. Educ. 2013， 90 （12），1649?1653.

[5] 吳翠琢. 硝酸與金屬反應的產物分析[J]. 教育教學論壇，2014（12）：243.

[6] 韓勇鋼. 淺析金屬與硝酸反應計算題的思維模型構建和解題思想的突破[J]. 理科考試研究，2014（15）：87.

[7] Kurushkin， Mikhail. Writing reactions of metals with nitric acid： a mnemonic device for introductory chemistry students [J]. Journal of Chemical Education. 2015，92（6），1125-1126