介紹和改造金屬與硝酸反應(yīng)產(chǎn)物的國(guó)外記憶模型

張英杰

摘要：金屬與硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物會(huì)隨著金屬活潑性或硝酸濃度的不同而不同，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)非常困難。筆者介紹并改造了國(guó)外一種有關(guān)金屬與硝酸反應(yīng)產(chǎn)物的記憶模型，利用它可以很快地檢索出金屬與硝酸反應(yīng)的五種不同的還原產(chǎn)物，特別地容易記憶和使用，以期對(duì)教師的教和學(xué)生的學(xué)提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；金屬的活潑性；硝酸的濃度；記憶模型

【中圖分類號(hào)】G633.8

在實(shí)際的化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于金屬與硝酸的反應(yīng)一般采用四等式法，從圖像的角度來(lái)認(rèn)識(shí)或應(yīng)用守恒法來(lái)判斷金屬與硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物[1-3]，學(xué)生理解起來(lái)有難度。本文介紹一個(gè)國(guó)外的手型記憶模型，使抽象的問(wèn)題具體化、形象化，更有利于學(xué)生的識(shí)記和理解金屬與硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物。

1 金屬與硝酸的反應(yīng)

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

由于硝酸中氮的價(jià)態(tài)為+5價(jià)，易發(fā)生還原反應(yīng)，價(jià)態(tài)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(jià)態(tài)變化

1.1 影響金屬與硝酸反應(yīng)的因素

硝酸是最重要的含氮酸，因?yàn)樗仁且环N強(qiáng)酸也是一種強(qiáng)氧化劑（HNO3中的氮元素最高價(jià)態(tài)顯+5），并且硝酸能夠溶解大多數(shù)金屬[4]，金屬與硝酸的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)物比用硫酸或者鹽酸的更復(fù)雜，主要是因?yàn)橄跛岬奈鍌€(gè)可能的還原產(chǎn)物中包括三個(gè)氮氧化物（NO2， NO， 和 N2O）、N2和NH4NO3。其中，硝酸還原的上述產(chǎn)物中代表氮的三種不同價(jià)態(tài)的氧化物，硝酸與金屬發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)氮元素所得到的電子數(shù)，即其中氮元素的價(jià)態(tài)降低程度，減少還原產(chǎn)物的種類；主要有兩個(gè)因素決定：（1）金屬的活潑性；（2）酸的濃度。金屬的活潑性被認(rèn)為是主要的因素，因?yàn)樵谡麄€(gè)反應(yīng)過(guò)程中它并沒(méi)有改變，而酸的濃度減少了[5-6]。

其實(shí)，不同的金屬與硝酸反應(yīng)，產(chǎn)物不同。例如，鋅和硝酸之間的反應(yīng)生成什么價(jià)態(tài)的還原產(chǎn)物取決于HNO3濃度。此外，大多數(shù)的反應(yīng)會(huì)同時(shí)并以各種比例生成一些還原產(chǎn)物。唯一共同的趨勢(shì)是：金屬的活潑性越強(qiáng)和硝酸的濃度越稀，氮元素的價(jià)態(tài)降低的程度越大。顯然，這往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在氧化還原反應(yīng)的練習(xí)中產(chǎn)生模棱兩可現(xiàn)象，因?yàn)椴磺宄x擇那個(gè)作為還原產(chǎn)物。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)方案來(lái)幫助學(xué)生來(lái)應(yīng)對(duì)金屬與硝酸的反應(yīng)的化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)問(wèn)題。該提議的方案要滿足以下三個(gè)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(yīng)的還原產(chǎn)物；（2）容易記憶；（3）容易使用。

1.2 決定金屬與硝酸反應(yīng)產(chǎn)物的兩個(gè)因素的界限

（1）金屬的活潑性

以金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位來(lái)劃分金屬的活潑性強(qiáng)弱。相對(duì)于與硝酸的反應(yīng)，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(biāo)準(zhǔn)電極電位為一個(gè)定值（?0.4030 V），金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于鎘的是活潑的金屬，而其余的（包括鎘）被認(rèn)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(guó)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(yīng)產(chǎn)物的國(guó)外記憶模型

2.1 國(guó)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(xiàn)介紹一種國(guó)外金屬與硝酸反應(yīng)產(chǎn)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(chǎn)物，金屬的活潑性與酸的濃度作為影響其產(chǎn)物的兩個(gè)因素。

這種記憶模型對(duì)于每個(gè)手指來(lái)說(shuō)有兩個(gè)輸入端和五個(gè)輸出端，而且從左到右讀出。上層的輸入端對(duì)應(yīng)于活潑性較弱的金屬分別與濃、稀硝酸反應(yīng)，該輸出對(duì)應(yīng)于硝酸的濃度，并且進(jìn)行了相應(yīng)的標(biāo)記，因此表示為“Cd”。下層的輸入端對(duì)應(yīng)于活潑的金屬分別與濃、稀、極稀硝酸反應(yīng)。巧合的是，“C” 和 “d” 結(jié)合在一起的意義形成了化學(xué)元素鎘的象征，使記憶“C”、 “d”、“C”、“d”、 “vd”的順序更加容易。每一個(gè)輸出端給出硝酸還原的適當(dāng)價(jià)態(tài)產(chǎn)物，其順序從頂部（小指）到底部（拇指）從+4到-3依次遞減。需強(qiáng)調(diào)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(jià)態(tài)間的不同有輕微的聯(lián)系（相比其余部分，“0”和“-3”之間的角度是相當(dāng)大的）。所得到硝酸還原成適當(dāng)價(jià)態(tài)的產(chǎn)物依次是：NO2、NO、N2O、N2和NH4NO3。

在這種記憶模型中，以選擇鎘的標(biāo)準(zhǔn)電極電位作為金屬活潑性強(qiáng)弱的分界點(diǎn)，就像是符號(hào)中的字母可以用來(lái)提醒學(xué)生注意其相關(guān)的影響。

2.2 國(guó)外記憶模型的使用

給出一個(gè)完整的化學(xué)反應(yīng)，學(xué)生應(yīng)該首先應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)電極電位表的幫助下與鎘的標(biāo)準(zhǔn)電極電位進(jìn)行比較來(lái)確定金屬的活潑性。其次，酸的濃度。一個(gè)很好的例子是銅和濃硝酸的反應(yīng)，銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（Cu2+/Cu）為0.3419 V，大于鎘的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此它被認(rèn)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(chǎn)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(guó)外記憶模型的優(yōu)勢(shì)與限制

國(guó)外的記憶模型成功地適用于大多數(shù)的金屬和硝酸之間的共同反應(yīng)，學(xué)生使用起來(lái)簡(jiǎn)單而又快捷，發(fā)現(xiàn)特別容易記住。在考試過(guò)程中，學(xué)生可以觀察自己的左手和數(shù)到合適的價(jià)態(tài)。但是，該模型主要受兩個(gè)因素的限制：影響硝酸的還原產(chǎn)物（金屬的活潑性和酸的濃度），沒(méi)有把溫度以及在少數(shù)情況下釋放的H2（氫氣）考慮在內(nèi)，而且它只表示了當(dāng)時(shí)的還原產(chǎn)物，也具有一定的限制。

3 總結(jié)

金屬與硝酸發(fā)生反應(yīng)，由于其還原產(chǎn)物較為復(fù)雜，學(xué)生不容易記憶，一旦涉及到此類的問(wèn)題，會(huì)給學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)帶來(lái)一定的困難。為此，我們將這種國(guó)外記憶模型進(jìn)行了改造，利用它可以很快地檢索出五種不同的產(chǎn)物，其中整數(shù)代表在所得還原產(chǎn)物中氮的化合價(jià)，特別地容易記憶和使用，如圖3所示。

學(xué)生在做金屬與硝酸反應(yīng)產(chǎn)物分析的有關(guān)練習(xí)時(shí)，可以借助于自己的手掌來(lái)跨越此難點(diǎn)，不僅能夠使學(xué)生輕松解決問(wèn)題還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其更加樂(lè)學(xué)。

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