基于學科核心素養的元素化合物教學

畢占龍 蔡子華 房健

摘要：以“三酸拋光液”為情境，通過對素材進行分析，生成一系列學科問題，結合問題設計并進行實驗驗證濃度、溫度、溶液酸堿性對硝酸根氧化性的影響，以及設計并驗證銅與濃硝酸反應后溶液呈現綠色的原因。結合拋光液分析硝酸的用途及優缺點，使用的注意事項。通過實驗探究、證據推理發展學生學科核心素養。

關鍵詞：三酸拋光液;學科素養;硝酸;實驗探究

文章編號：1008-0546（2022）10-0051-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

一、教學內容分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調在“教、學、評”一體化的背景下開展“素養為本”的教學，倡導在真實問題情境下的化學實驗探究活動，激發學生的化學學習興趣，促進教與學方式的轉變，使每位學生的化學學科核心素養得到不同程度的發展。[1]本節課是人教版高中《化學》必修第二冊第五章“化工生產中的重要非金屬元素”第二節中“硝酸”的內容。硝酸是氮的重要化合物，是強氧化性物質的典型代表。其性質貫穿高中化學的始終，編排在離子反應、氧化還原反應規律以及元素周期律等理論內容后面，既要突出化學理論對元素學習的指導作用，也是幫助學生整理概念知識、總結方法模型、提升核心素養的重要素材。[2]通過設計濃度、溫度、溶液酸堿性對硝酸根氧化性的影響等探究實驗，提升學生科學探究能力。

二、教學目標

（1）能從價態角度分析硝酸具有強氧化性并初步判斷還原產物。

（2）從微觀和宏觀相結合視角，結合實驗驗證硝酸根強氧化性受自身濃度及其他因素影響，學會從變化視角分析解決問題，樹立基于證據的推理意識。

（3）能夠基于銅與濃稀硝酸反應的實驗現象，建立科學探究方法，樹立科學探究意識。

（4）能從環保角度分析硝酸用途，具有綠色化學觀念和可持續發展意識。

三、教學流程

見圖1。

四、教學實錄

【創設情境】（展示銅制品的“原件”與“新件”圖片（見圖2），一張圖片是銹跡斑斑的“原件”，一張圖片是“原件”經過處理后得到光亮平滑的“新件”）。銅制品用久之后表面凹凸不平色彩暗淡銹跡斑斑，不但影響美觀程度更會影響其正常使用。同學們想知道用什么樣的神奇藥水可以讓銅制品舊貌換新顏嗎？

【學生】（對拋光液組成及工作原理充滿好奇）很想知道。

【教師】讓舊品換新顏的方法有很多，今天我們介紹一種化學拋光法——三酸拋光法。老師查閱文獻得知三酸拋光液的組成（見圖3），三酸拋光液中主要成分是硫酸、鹽酸、硝酸，本節課我們重點學習三酸之一——硝酸的性質。

【板書】硝酸的性質

設計意圖：真實的STSE內容，讓學生感受到化學來源于生活，贊賞學科對生產生活的貢獻，激發學生學習動力。

【實物展示】（展示硝酸，見圖4）請同學們觀察這三瓶硝酸，總結硝酸物理性質。分析久置的濃硝酸為什么會呈現黃色？應如何保存？

【學生1】硝酸是無色液體，打開瓶蓋，有白霧出現，說明硝酸易揮發。需保存在棕色試劑瓶中說明硝酸見光易分解，而中間試劑瓶中硝酸為黃色，說明部分硝酸已經分解了。

【學生2】久置后的濃硝酸呈現黃色，說明硝酸分解生成NO2又溶解到硝酸中。

【學生3】生成NO2，說明N元素價態降低，H元素價態不能再升高，只能是O元素升價，生成O2，所以硝酸分解生成NO2、O2和H2O。

【師】同學們分析得很好，硝酸是無色有刺激性氣味的液體，易揮發，見光或受熱易分解，需要盛裝棕色試劑瓶中密封保存，存放陰涼處。

【板書】1.物理性質

2.穩定性4HNO34NO2↑+O2↑+2H2O

【設計意圖】通過觀察到濃硝酸呈黃色的宏觀現象，搜集證據從微觀角度分析原因，發展學生宏微結合、證據推理意識。

【實驗驗證】硝酸與銅反應

【提出問題1】請同學們閱讀銅制品拋光液簡介（見圖5），分析三酸拋光液中稀硫酸的作用是什么？你還能得出哪些結論？

【學生1】稀硫酸和鹽酸的作用是除去銅表面的氧化膜，但不明白凹凸部分如何變光滑的;溫度不能過高是防止硝酸分解;時間過長會有大量銅制品被腐蝕;純銅不與稀鹽酸、稀硫酸反應，一定是硝酸起到溶解部分銅的作用。

【證據推理】很好，如何推測銅與硝酸反應的產物呢？若銅與硝酸反應，體現硝酸的哪些性質？

【學生2】銅與硝酸的反應，銅是還原劑生成Cu（NO3）2，HNO3體現酸性，NO體現強氧化性，N化合價降低，可能生成NO2或者NO。

設計意圖：結合三酸拋光液簡介，推斷稀硫酸的作用，硝酸可能有的化學性質，提升學生證據推理能力。根據氧化還原反應得失電子守恒思想論證產物，發展學生模型認知能力。

【板書】3.硝酸的強氧化性

【實驗設計】同學們分析得非常好，讓我們通過實驗驗證銅與硝酸反應的產物吧（見圖6）。

1.實驗用品：濃HNO3、稀HNO3、NaOH溶液、銅片、小藥瓶、注射器。

2.實驗匯報（見表1）

設計意圖：能夠基于實驗現象，引導學生建立科學探究方法，樹立科學探究意識，增強創新能力。

【提出問題2】通過實驗我們能夠得到哪些結論？還存在什么疑惑？

【學生反思】

甲：常溫下，銅與濃稀硝酸均能發生反應，說明濃稀硝酸都有非常強的氧化性，可知拋光液中溶解凹凸不平銅的是硝酸。

乙：根據劇烈程度可知，濃HNO3的氧化性強于稀HNO3。

丙：兩個反應的產物不同，濃HNO3生成NO2、稀HNO3生成NO。

丁：Cu（NO3）2溶液是藍色的，但是為什么Cu與濃HNO3反應后生成Cu（NO3）2溶液呈現的是綠色呢？

【教師追問】同學們說得非常好，HNO3的濃度影響還原產物中氮元素的價態，HNO3越稀，還原產物中氮元素的價態越低。Cu與濃HNO3反應后生成Cu（NO3）2溶液呈現的是綠色，同學們能提出猜想和驗證方法嗎？

【小組探究】小組設計探究銅與濃硝酸反應后溶液呈綠色原因（表2）。

【板書】

Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

【提出問題3】書寫并結合硝酸與銅反應的離子方程式，分析三酸拋光液中，再次分析稀硫酸起到的作用，如何設計實驗驗證呢？

【學生1】向含有稀Cu（NO3）2溶液中加入Cu片，沒有觀察到明顯現象，滴入稀H2SO4，觀察銅表面有氣泡生成，無色氣體遇空氣變為紅棕色，說明有NO生成。

【學生2】這就說明了NO在酸性條件下，具有很強的氧化性，可繼續氧化金屬Cu，在HNO3中加入稀H2SO4可提高NO的利用率。

【總結】同學們說得非常好，稀硫酸提供H+，強酸性條件可以增強NO的氧化性，加入稀硫酸可增強NO的利用率。

設計意圖：通過實驗設計，收集證據，證明NO在酸性條件下具有強氧化性，提升學生科學探究意識。

【提出問題4】硝酸具有非常強的氧化性，是所有的金屬都能與硝酸反應嗎？工業如何盛裝與運輸濃硝酸呢？

①工業硝酸盛裝于。②加熱條件下，鐵與濃硝酸反應的化學方程式。

【板書】Fe、Al常溫遇到濃硝酸，鈍化

【學科故事】關于濃硝酸，還有一個愛國學科故事——丹麥物理學家玻爾用王水溶解諾貝爾金質獎章。

玻爾（見圖7）是丹麥物理學家、諾貝爾獎章獲得者。第二次世界大戰期間，由于德軍即將占領丹麥，玻爾被迫要離開自己的祖國。他堅信以后一定能返回祖國，決定把心愛的諾貝爾獎章留下。為了不使獎章落入德軍手中，他把獎章溶解在一種溶液里，并存放在瓶子里。丹麥被德軍占領后，納粹分子闖進玻爾家中，但是連獎章的影子也沒有發現。戰后，玻爾從溶液中提取出金，又重新鑄成了獎章。

【總結】玻爾是用什么溶液使金質獎章溶解的呢？這種溶液就是王水。是濃硝酸和濃鹽酸體積比為1∶3的混合物。王水的氧化性比硝酸還要強，可以使金溶解。這位偉大的科學家不僅用他的知識和智慧保住了這枚金質獎章，而且還極大地藐視了敵人。同學們要學習玻爾這種熱愛科研及熱愛祖國精神，為祖國的發展貢獻力量。

【板書】4.硝酸的用途

【提出問題5】硝酸是重要的化工原料，用于制化肥、農藥、炸藥、染料、金屬鈍化、金屬拋光等。學完本節課，同學們思考三酸拋光液在處理銅制品過程中是否存在缺點呢？采取哪些措施可以避免？

【學生1】三酸拋光液可以使陳舊的銅制品煥然一新，但是在拋光過程中會生成污染空氣的有毒氣體。

【學生2】根據4NO+3O2+2H2O=4HNO3或4NO2+O2+2H2O=4HNO3反應，工作過程中向溶液中通入氧氣，以氧化氮的氧化物，即可減少氮的氧化物污染，又可提高硝酸利用率。

【學生3】可以尋找一種物質，在溶液中既能吸收氮的氧化物達到處理污染的目的，又不影響拋光液工作。

【總結】同學們說得非常好，學習本節課，我們大家都可以為金屬拋光工業建言獻策了。化學給我們生產生活帶來便利，同時也會存在一些問題，所以需要我們正確對待采用合理的方式運用化學知識助力生產生活，這樣，我們的生活才能更加美好！

設計意圖：增強環保意識，辯證看待問題，運用知識探討趨利避害的方法，增強社會責任感。

五、教學反思

情境學習理論認為，學習的本質是學生參與真實的情境活動，與環境相互作用的過程，是形成實踐探究能力的過程。所以學習的核心是參與，在參與相互作用中，對知識建立合理的解釋和靈活的應用。

1.以真實問題情境為主線貫穿課堂。情境化問題是師生開啟學習的切入點，是激發學生學習興趣的關鍵點，是學生學科核心素養形成和發展的重要契合點。本課時以三酸拋光液將銹跡斑斑的“原件”變成光亮的“新件”為情境，給學生以美的感受，深切體會到化學在生產生活中起到的重要作用。而拋光液中蘊含的一系列化學問題激發學生強烈的想了解硝酸的求知欲，解決每個問題都是學生學科核心素養發展的過程。

2.充分發揮實驗教學功能。實驗是解決化學問題的直接手段。通過建構“提出問題—猜想假設—設計方案—收集證據—證明真偽—收獲結論”的探究模型，在實踐活動中，充分利用實驗現象進行評價，發展學生科學探究、證據推理、宏微結合學科核心素養。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]孫春姝.素養為本的化學實驗教學設計——以《硝酸的強氧化性》為例[J].新教育，2020（8）：5-7.