運用創新技法設計探究硝酸氧化性實驗

王緒巖

摘要：化學實驗是化學教學中一個非常重要的環節，對化學實驗的改進與創新設計體現了教師和學生的智慧，對師生創新能力的提升作用很大。創新技法可以使創新過程少走彎路，為改進實驗提供思考的方向，起到事半功倍的效果。在創新技法的指導下，運用組合技法和缺點列舉技法，設計探究硝酸氧化性實驗，取得較好的效果。

關鍵詞：創新技法；組合技法；缺點列舉技法；硝酸氧化性

文章編號：1005–6629（2016）12–0050–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

當代科學創始人默頓認為，人類創造發明也是有規律可循的，對同一研究目標常有許多人在同一跑道上競爭，而最先到達終點的天才，只是在發明過程中發揮更大的創造力，在運用創新方法上勝過了別人[1]。創新技法可以使創新過程少走彎路，為改進實驗提供思考的方向，起到事半功倍的效果。

1 中學常用的實驗創新技法

常用實驗創新技法有組合技法、缺點列舉技法、比較技法、替代技法等[2]。組合技法指將一些相關的化學實驗按某種關聯因素或特征進行新的組合，構成新的實驗。如利用組合技法，將某種氣體的制備與性質探究結合起來，一次完成全部實驗。

缺點列舉技法指通過發掘現有實驗的缺陷，且一一列舉出來，然后提出改進或革新的一種技法。如利用缺點列舉技法，列舉某種會產生倒吸裝置的各種缺點，然后逐一改進缺點，設計出各種防倒吸的實驗裝置。

比較技法指通過控制反應條件，研究某一個因素對實驗的影響。如利用比較技法，控制濃度、溫度、催化劑等變量中的一個變量，研究外界因素對化學反應速率或平衡移動的影響。

替代技法指根據反應原理，用一些簡單、易得的儀器替代一些復雜的儀器，取得同樣的實驗效果。如利用替代技法，在研究啟普發生器特殊構造的基礎上，設計各種啟普發生器的替代裝置。

有些化學實驗由于受條件的限制，無法做到或做不成功，需要借助模擬實驗來提供學生熟悉的生動的感性材料，從而達到揭示問題本質的目的。如利用模擬技法，用物理實驗室中的高壓靜電放電裝置，模擬閃電固氮過程。

逆向技法指改變一般思維程序，即把事物反過來看，見人之未見，思人之未思，并由此解決問題，產生新的思路。如證明水的組成常用電解水的方法，也可以逆向思考，從氫氣在氧氣中燃燒生成水來證明。

強化技法指在實驗中強化關鍵部分，忽略次要部分。變看不見為看得見，變無聲為有聲，變無色為有色。通過外在的現象，找到內在變化的本質。如氫氧化鈉和鹽酸反應沒有明顯的現象，常用滴有酚酞的氫氧化鈉溶液和鹽酸反應，通過顏色變化證明二者發生了反應。

下面列舉組合技法和缺點列舉技法在探究硝酸氧化性的實驗中的應用。

2 組合技法在探究濃、稀硝酸氧化性中的應用

將已有的化學實驗按一些共同特征或功能進行合理組合，使其具有某種新的功能也是對原有化學實驗的一種創新。利用組合技法，設計鋅與濃、稀硝酸反應的實驗。

2.1 一般做法

多數教師依照教材建議，選擇較不活潑金屬銅分別和濃、稀硝酸反應，來探究濃、稀硝酸的氧化性。若能反應，說明硝酸中+5價的N元素表現出強氧化性。這種直奔主題的做法凸顯的是結論，缺少探究過程，不符合學生的認知習慣和學習心理。

2.2 創新思路

思考1：學生已知濃硫酸中+6價的硫元素表現強氧化性，稀硫酸中+1價的氫元素表現弱氧化性。學生從已有經驗出發，會類比出硝酸的氧化性與硫酸的氧化性相似。鋅既能被硝酸中+1價的氫元素氧化，也能被+5價的氮元素氧化，所以選擇鋅與硝酸反應比選擇銅更合理，更有探究和思考的空間。

思考2：鋅與濃硝酸反應時產生紅棕色氣體，現象明顯。鋅與稀硝酸反應時現象較復雜，剛開始出現紅棕色氣體，慢慢在液面上方氣體顏色變淺，該氣體是一氧化氮還是氫氣無法說清楚，而且不易被堿液吸收。能否運用組合技法，將這兩個反應進行有效組合？

（1）反應試劑組合

鋅和濃、稀硝酸都能反應，且隨著反應的進行濃硝酸逐漸變成稀硝酸；濃硝酸還原的產物能排走空氣而不干擾稀硝酸的還原產物。考慮到這些相關因素，可用過量的鋅和濃硝酸一組試劑代替鋅和濃、稀硝酸兩組試劑進行反應。

（2）氣體吸收組合

濃硝酸生成的二氧化氮能被氫氧化鈉溶液吸收，但稀硝酸生成的一氧化氮不能被氫氧化鈉溶液單獨吸收。過量的鋅和濃硝酸反應，開始生成的二氧化氮和隨后生成的一氧化氮組合起來，一起被氫氧化鈉溶液吸收，收到一舉兩得的效果。

（3）實驗裝置組合

在反應試劑和氣體吸收組合的基礎上，可選擇具支試管和雙球干燥管這一套裝置來完成鋅與濃、稀硝酸的反應及尾氣吸收實驗。為了探究鋅與稀硝酸反應的產物，需將無色氣體與氧氣接觸，較簡單的方法是通入氧氣。再利用組合技法，將過氧化鈉和水反應產生的氧氣通入反應裝置中，實現反應裝置和產物驗證裝置的有效組合。

2.3 創新實驗

（1）實驗裝置：如圖1所示。

（2）實驗過程

①接好裝置，檢查裝置氣密性。

②夾緊彈簧夾。

③向小試管中加入兩藥匙過氧化鈉固體，滴管中吸滿水。向大試管中加入四顆鋅粒（確保金屬鋅過量），加入兩滴管濃硝酸（2：1），快速塞緊雙球干燥管。

可以看到反應較劇烈，產生大量的紅棕色氣體。2分鐘后氣體顏色明顯變淡，4分鐘后顏色較淺。此時將膠頭滴管內的水加入小試管，打開彈簧夾，過氧化鈉和水反應產生的氧氣進入大試管，大試管內氣體顏色立刻由淺變深，證明稀硝酸的還原產物為NO氣體，而不是氫氣。

（3）實驗優點

①用實驗室最常規的儀器組合一套實驗裝置，操作簡單，對比明顯。

②濃硝酸生成的NO2氣體將裝置內的空氣趕走，便于觀察到稀硝酸生成的NO氣體。

③反應產生氣體的顏色由深變淺再變深（通氧氣后）。反應現象不斷變化，吸引學生去分析、推理、猜測、質疑，在思辨中獲得新知。

3 缺點列舉技法在探究銅與稀硝酸反應產物中的應用

缺點列舉技法就是指通過發掘現有事物的缺陷，每發現一個缺點，找出一個問題，就找到一個創新發明的方法。利用缺點列舉技法設計無氧條件下銅與稀硝酸反應的實驗。

3.1 一般做法

在中學范圍內創造無氧環境，可用以下幾種方法：①液體排空氣法②氣體排氣法③真空法④燃燒法。燃燒法操作較復雜；氣體排空氣法使用氣體的量不易控制。這兩種方法在實驗中使用較少。液體排空氣法較簡單，運用較多。如用針筒做銅和稀硝酸的實驗；或用U型管（一邊低，一邊高）做銅和稀硝酸的實驗。前者實驗中因針筒中預先放銅片，很難排盡空氣，且針筒的氣密性不高，實驗效果并不理想。后者實驗中的U型管要充滿稀硝酸，硝酸用量太大，也存在不足。通過缺點列舉技法明確了設計的方向：努力設計出易排盡空氣，易密封，反應物用量較少，反應現象明顯的反應裝置。

3.2 創新思路

思考1：從易排空氣的角度考慮，塑料袋比較容易做到[3]，且越薄的塑料袋排空氣越容易。家用保鮮袋很薄最理想，但干燥的保鮮袋在折疊中也會存留極少量的空氣，但加水潤濕后保鮮袋就緊緊貼在一起，變成“真空狀”了。

思考2：從密封的角度考慮，用線扎住保鮮袋操作并不簡便。在家庭中為防止食品袋中的食物受潮，常使用塑料密封夾夾緊塑料袋，且塑料密封夾開啟或閉合都比較容易。至此，思路一下子豁然開朗。

3.3 創新實驗

（1）實驗用品：一個保鮮袋、兩個塑料密封夾、一個洗耳球、碎銅片、1：2稀硝酸。

（2）實驗裝置：如圖2所示。

（3）實驗操作：

①向保鮮袋中加入一些碎銅片，固定在保鮮袋的一個角上。

②向保鮮袋中加少量水，然后將水慢慢排凈，利用水膜間的吸附力將袋中空氣完全排凈。

③向保鮮袋中加入4滴管稀硝酸，再排凈空氣，用塑料密封夾1夾緊保鮮袋下半部分，確保保鮮袋下半部分無氧氣。

④用洗耳球向保鮮袋上半部分鼓入空氣，使保鮮袋鼓起來，再用塑料密封夾2夾緊保鮮袋上半部分。

（4）實驗現象

剛開始銅和稀硝酸反應較慢，可用水浴加熱的方法，加快反應。2分鐘后保鮮袋下半部分產生的無色氣體將保鮮袋鼓起，此時快速打開塑料密封夾1，看到無色氣體迅速變成紅棕色。

（5）實驗優點

①實驗裝置是廚房中常見的物品，使學生明白創新不神秘，生活中處處有學問，處處可創新。

②保鮮袋用水潤濕后極易形成真空，塑料密封夾操作簡單，密封效果好。保鮮袋又可水浴加熱，可節約實驗時間。

③實驗現象非常明顯，成功率高，實驗后給學生留下深刻印象。

在實驗的創新過程中，所使用的技法并不是單一的，往往是多種技法交融并串的綜合應用。當前教育綜合實踐改革正在大力推進，要求每個學生都要開展研究性學習，逐步積累研究性學習的經歷。在教學中滲透創新技法，在教師的創新示范和創新方法引導下，學生才會有信心、有目標去完成研究性學習，真正提高學生的學習潛能和綜合素質，實現從知識到能力、從能力到品質、從品質到理想的教育追求。

參考資料：

[1]馮容士，陳燮榮.物理創造技法與實驗研究[M].上海：上海教育出版社，1998：5.

[2]王祖浩，王程杰.中學化學創新實驗[M].南寧：廣西教育出版社，2007：247，258，261.

[3]陶杰，張騰.銅與濃、稀硝酸實驗的改進[J].中學化學教學參考，2015，（1～2）：55.