指向“變化觀念”的元素化合物教學

張靜，張文華

摘要： “變化觀念”是高中化學學科核心素養的主要內容之一。從物質變化和能量轉化兩個維度分析蘇教版三冊教材中“變化觀念”的層級進階。以“硝酸”的教學為例，比較新舊教材的編寫結構，構建指向“變化觀念”的教學目標和內容，利用實驗探究，合理地、階段性地發展和培育學生的“變化觀念”。

關鍵詞： 新教材； 變化觀念； 硝酸； 拋光液； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2023）02-0049-06? ??中圖分類號： G633.8? ??文獻標識碼： B

化學乃變化之學，通過化學變化創造物質是化學學科的核心及價值所在，故而“變化觀念”成為高中化學學科核心素養的主要內容之一。2020年秋投入使用的蘇教版高中化學教材（以下稱“新教材”）在編排順序、內容選擇和呈現方式等方面做了較大的調整，如何整合新教材內容，合理培育“變化觀念”是我們需要面對并要解決的問題之一。筆者以高中化學必修第二冊專題7中的“硝酸”為例，探索指向“變化觀念”的元素化合物教學，使元素化合物的學習成為發展學生“變化觀念”的重要載體。

1? 蘇教版新教材關于“變化觀念”內容的層級進階

高中階段“變化觀念”的培育并非一蹴而就，而是循序漸進、螺旋上升的過程，具有認知的進階性?！白兓^念”貫穿于整個高中教材的各個主題中，主要分布于必修第一冊、第二冊和選擇性必修《化學反應原理》之中。必修第一冊從“物質及其變化”的維度培育“變化觀念”：通過鹵素、鈉、鎂、硫等元素及其化合物的相互轉化，讓學生體會可以借助不同的反應類型，通過改變反應條件，利用轉化規律實現物質的改變與創造，從而更好地認識自然、保護自然。必修第二冊專題6則從“變化觀念”的另一個維度——“能量轉化”，讓學生知道化學能可與熱能、電能等多種形式的能量相互轉化，豐富學生對能量變化形式和途徑的認識。至此，教材完成“變化觀念”核心內容階段性的介紹。在此基礎上，高中化學選擇性必修《化學反應原理》將進一步發展對化學反應的認識，從定量的角度深入地認識物質變化和能量轉化規律，建構更加系統的“變化觀念”。

總體來說，“變化觀念”的進階性表現以必修階段元素及其化合物的性質和轉化為基礎，以選擇性必修階段的反應原理為提高，對化學反應的認識從宏觀水平發展到微觀水平，從定性分析發展到定量計算，從靜態認識發展到動態拓展，從單一角度發展到多維度、多角度認識化學變化，形成比較系統的以物質變化和能量轉化兩個一級維度認識、調控化學反應的“變化觀念”，從而凸顯相應階段的“變化觀念”的內涵。

2? 新舊教材中“硝酸”編排的比較及內容建構

新教材專題7“氮與社會可持續發展”是必修基礎階段和選修提高階段的中間過渡部分，在發展和培育“變化觀念”的進階中有著特殊作用，所以相關的教學設計既要加強必修階段對“變化觀念”的認識，還要有意識地為選擇性必修教學積累足夠的事實性知識，以便更加深入地理解這些變化的本質。如何才能均衡兩者之間的關系，筆者嘗試作初步的分析。

2.1? 新舊教材比較

與舊教材［1］相比，蘇教版新教材［2］在編排上做了科學的調整和變化，對于“硝酸”這一節變化最大的是其體系結構上的調整。

舊教材“硝酸的性質”編排于化學必修1專題4“硫、氮和可持續發展”的第二單元——“生產生活中的含氮化合物”。新教材“硝酸”編排于必修第二冊專題7“氮與社會可持續發展”的第二單元——“重要的含氮化工原料”。教材編排上的變化體現“硝酸”作為重要的基本化工原料在工農業生產、國防上的廣泛應用，同時讓學生認識到氮循環對生態系統調節的重要作用，樹立社會可持續發展的意識。

“氮及其化合物”專題由原先的專題4調整至新教材專題5“微觀結構與物質多樣性”和專題6“化學反應與能量變化”之后，更有利于幫助學生多維度認識物質的性質及轉化：可以從微觀的角度解釋化學變化，探尋物質變化的本質；同時還可以聯系能量變化并利用“化學反應與能量變化”的理論知識為問題解決打開新思路。相比于舊教材單調的事實性知識的積累，新教材更注重利用理論知識指導元素化合物的學習，引導學生自我建構、培養自主學習的能力，有利于促進學生“變化觀念”的進階發展。

新教材專題7第二單元“重要的含氮化工原料”包含氨氣和硝酸2種含氮化工原料。由氮氣合成氨氣，氨氣的催化氧化又是工業上制備硝酸最關鍵的反應，所以“硝酸”一節內容一方面承接著由N2到NH3再到HNO3自然延伸的氮元素化合物的知識線，讓學生認識利用化學方法和手段轉化、使用氮元素化合物可造福人類、促進人類進步；另一方面HNO3是氮元素最高價態物質，其產物（氮氧化物）的無害化處理為下一單元提供了討論主題，有利于學生用辯證的、發展的觀點分析和解決問題。

學生在學習本節之前，已學習了濃硫酸的強氧化性、電離理論、離子反應、原子結構、元素周期表及氧化還原反應理論等內容，為“硝酸”的學習作了大量的鋪墊；學生探究能力的提升也為本節課參與并設計實驗提供了重要的保障。教材內容正是從實驗入手，類比遷移硫酸，引導學生對硝酸的性質及變化作出解釋和預測，探索含有同種元素不同價態物質之間的轉化關系，多角度認識和鞏固氧化還原反應的概念，突出核心概念的引領作用，使內容知識結構化，有效地促進素養的發展。

2.2? 指向“變化觀念”的“硝酸”教學內容的構建

根據上述新教材的調整，結合“學習進階”的特點，指向“變化觀念”的教學內容的構建思路如圖1所示。

2.3? 指向“變化觀念”的“硝酸”教學目標分析

（1） 能夠說出硝酸所具有的物理性質和化學性質。

（2） 能根據硝酸中N元素的化合價預測其氧化性，結合實驗現象，能分析得出硝酸與銅、碳等反應的產物及硝酸分解的產物，并用化學方程式進行表征；能根據實驗事實，說明硝酸的氧化性受到濃度、酸度、溫度等多因素的影響。

（3） 能夠自主設計驗證硝酸鈉氧化性的實驗，從微觀角度認識硝酸強氧化性的本質；知道可利用“原電池模型”證明鈍化膜的存在，能從能量轉化的角度理解鐵在濃硝酸中鈍化的過程，并能用氧化還原反應理論解釋相關現象。

（4） 通過硝酸性質的學習，能與同學交流硝酸的應用，能夠科學理性地評價硝酸，能從環保角度分析如何合理使用硝酸，初步建立“綠色化學”觀念和可持續發展意識。

3? “硝酸”教學過程實錄

3.1? 創設情境，體會變化的價值

［創設情境］光亮、潔凈的銅質零部件不僅美觀而且性能優越。如何使銅制品擁有光鮮亮麗的表面？銹跡斑斑、凹凸不平的銅制品如何重新煥發光彩？這節課我們介紹一種化學拋光的方法。

［實驗引入］把表面銹跡斑斑、凹凸不平的銅片放入試管內，加入拋光液，再用浸有氫氧化鈉溶液的棉花團密封管口［3］。半分鐘后取出銅片，兩者形成鮮明對比［見圖2（b）］，用手機電子顯微鏡觀察拋光前、后的銅片［見圖2（a）（c）］。

［教師提問1］銅制品拋光液簡介（見圖3）。拋光液中的稀硫酸和硝酸各有什么作用？

銅制品加工過程中常常需要用拋光液浸泡，可以除去表面的氧化膜以及細微的凸起之處（有研究表明金屬的凸起部分優先與溶液反應），形成平整、光亮的表面。拋光液的主要成分是稀硫酸、硝酸［4］。

拋光時必須嚴格控制浸泡的溫度和時間。溫度一般在室溫到90℃之間［5］；浸泡時間對拋光質量有重要影響。時間太短達不到拋光效果，時間過長，容易造成銅制品快速溶解而報廢。

［學生回答］兩者都是酸，均可與金屬氧化物反應，去除氧化膜。稀硫酸不與銅反應，但資料中顯示凸起的銅被反應掉，說明硝酸能與銅反應。

［教師追問］硝酸能與銅這樣的不活潑金屬反應，對比硫酸，請從氧化還原的角度分析硝酸可能具有的性質，并進行實驗驗證。

3.2? 實驗探究，認識HNO3變化規律

3.2.1? 分組實驗，探尋濃度因素

［分組實驗］（1）把裝有Cu片的兩支注射器分別插入裝有濃HNO3和稀HNO3的輸液瓶中。（2）用注射器分別從輸液瓶中吸取2mL濃HNO3和稀HNO3。

［學生匯報展示］詳見表1。

［教師提問2］拋光液為何不能長時間浸泡銅制品？

［學生回答］常溫下濃、稀硝酸均與銅反應，若長時間浸泡，會損失銅。說明不管是稀硝酸還是濃硝酸，均為強氧化劑。且銅與濃硝酸反應更劇烈，所以濃硝酸氧化性比稀硝酸強；濃硝酸反應的產物是NO2，稀硝酸反應的產物是NO。

［教師概括］不同濃度的硝酸其還原產物不同，酸越稀，被還原的程度越大。

3.2.2? 設計實驗，歸納酸度條件

［學生展示］3Cu+8H++2NO-33Cu2++2NO↑+4H2O。

［教師追問］從定量關系看，參加反應的硝酸為8mol，僅2mol NO-3被3mol Cu還原為NO，這是什么原因？

［學生解釋］8mol HNO3中只有2mol體現強氧化性，剩下6mol HNO3中N元素化合價未變化，體現酸性。

［教師概括］濃、稀硝酸的強氧化性均由NO-3中+5價的氮元素表現，NaNO3中的氮元素也是+5價，是否也具有強氧化性？請大家設計實驗進行驗證。

［交流討論、匯報］如下表2。

［教師提問3］為什么拋光液中加入稀硫酸？

［學生回答］稀硫酸為NO-3提供酸性環境（H+），從而提高NO-3的利用率。

3.2.3? 演示實驗，利用原電池“看見”電子轉移

［教師］不活潑金屬銅能與硝酸反應，較活潑的鐵與濃硝酸反應的情況如何？

［演示實驗］把一段鐵絲放入盛有濃硝酸的培養皿中，觀察現象，重復幾次。鐵絲表面產生氣泡、變黑，后無明顯現象。

［教師提問4］如何用實驗證明鐵表面生成氧化膜？

［學生討論、交流］可以將鈍化后的鐵與稀硫酸或者硫酸銅溶液反應。

［教師引導］還有其他方法嗎？提示還可以從鈍化的實質考慮。

［學生討論］鈍化的實質是發生氧化還原反應，氧化還原反應的實質是發生電子轉移。

［教師追問］如何能“看到”電子的移動呢？

［學生回答］（突然頓悟）使用原電池裝置。

［教師鼓勵］如何設計原電池？可能出現什么現象？

［學生交流后匯報］選擇鐵和銅作電極，濃硝酸作電解質溶液。鐵鈍化前和濃硝酸發生反應，所以開始鐵失電子作負極，銅作正極；鈍化膜形成后，內層的鐵不與濃硝酸接觸，此時銅和濃硝酸發生反應，所以銅作負極，鐵作正極。

［演示實驗］裝置示意圖見圖4［6］，為防硝酸揮發，用玻璃塞封住U形管管口；左邊導線接鐵棒，右邊導線接銅棒，用鱷魚夾連接在靈敏電流計上。發生偏轉后，及時取出兩電極，然后用濾紙擦掉鐵棒表面的黑色物質，重復多次。

［學生描述］接通后指針向右（銅極）偏轉，鐵為負極，銅為正極；鈍化后指針方向反轉（向鐵極偏轉），銅為負極，鐵為正極，因為鈍化生成了氧化膜。

3.2.4? 異常現象，揭示溫度因素

［學生質疑］重復多次后，當指針向鐵棒一極偏轉，如果不把電極取出來，指針還能再轉向右側（銅極），這是什么原因？

［學生1］試管外壁熱，我覺得可能是因為反應放熱，溫度高破壞鈍化膜，使得內層鐵繼續和濃硝酸反應。

［學生2］我覺得也可能是經過多次反應后硝酸的濃度降低，破壞鈍化膜，鐵繼續和硝酸反應，鐵是負極，指針就轉向銅。

［教師小結］同學們觀察得非常仔細，能多角度地分析問題，大家對待科學的態度越來越嚴謹。在常（低）溫下，濃硝酸能使鐵鈍化。除了鐵，濃硝酸還能使金屬鋁鈍化。所以工業上使用鐵罐車或鋁槽車來貯運濃硝酸。

［過渡］無論是濃度因素還是溫度因素都影響鈍化膜的生成。當濃硝酸與非金屬如碳反應時，在加熱條件下反應更劇烈，所以溫度是影響硝酸強氧化性的因素之一。

［學生展示］C+4HNO3（濃）△4NO2↑+CO2↑+2H2O。

3.2.5? 提取信息，體會化學思維

［教師提問5］拋光液使用時要嚴格控制溫度，為什么溫度不能過高？

［展示資料卡］百度百科——硝酸。

［學生］沸點為83℃，溫度高硝酸揮發；另外硝酸不穩定，受熱會發生分解。

［演示實驗］用膠頭滴管取一滴濃硝酸放于試管內，塞上浸有氫氧化鈉溶液的棉花，用試管夾夾持在酒精燈上加熱［7］。

［學生匯報并分析］有紅棕色氣體產生，說明生成NO2，N元素的化合價降低，O元素是-2價，可升高為0價，所以產物有O2，再根據元素守恒，產物有H2O。反應的化學方程式為：4HNO3△4NO2↑+O2↑+2H2O。

［教師］HNO3受熱或見光能發生分解，在實驗室硝酸必須保存在棕色試劑瓶中并置于陰涼處。市售濃HNO3常略帶黃色，請大家解釋原因？

［學生回答］濃硝酸略帶黃色是因為分解產生的NO2溶于酸中，且濃度越大分解速率越快。

3.3? 選擇決策，感受變化應用

［教師提問5］根據所學硝酸的性質，談談這種混酸拋光液有何優缺點？并提出改善建議？

［學生1］優點：速度快、操作簡便，用于形狀不規則的銅制品。

缺點：產物有污染；HNO3分解而損耗；溶解過程損耗銅制品。

［學生2］可選擇污染不大的物質代替硝酸，要有強氧化性，最好常溫能和銅反應。我覺得可以用酸性高錳酸鉀或者雙氧水。

［教師評價］正如大家所討論的，針對這種混酸拋光液的弊端，工業上研發了很多新型拋光劑，其成分就有同學們所提及的物質。學習化學大家都可以做出合理的決策了，真是前途無量！

［拓展視野］還有一種更加神奇、不可思議的電解拋光，金屬材料通電就變得光亮。

［播放視頻］電解拋光。

［教師概括］化學能可以轉化為電能，電能也可以轉化為化學能，利用電解可以獲得普通化學方法難以企及的物質。這是利用化學反應創造新物質的重要方法。

［教師］通過以上的分析，你對硝酸有哪些新的認識？

［師生歸納整理］形成板書（見圖5）。

［教師總結］美好的化學創造美好的未來。所以我們要正確對待化學，合理使用化學物質，這樣化學會讓我們的生活更加美好！

4? 教學效果與反思

本節課教學設計以“銅制品拋光液”為情境載體，創設真實問題情境，開展豐富的實驗探究活動，促進學生全程積極參與，同時引導學生從物質變化和能量轉化等多維度認識硝酸的變化；從濃度、溫度、酸度等多角度全面而深入地認識硝酸的強氧化性，從而幫助學生構建階段性的“變化觀念”。整節課學生的學習熱情很高，基本完成了預設目標。

縱觀整節課，給學生留下印象最深的是利用“鐵、銅、濃硝酸”組成的原電池證明鈍化膜存在的實驗。電流計指針出乎意料地一偏一轉，讓許多學生感到很神奇，在指針偏轉中學習了硝酸的知識，明白了變化的乾坤。學生對此描述為“如同打開視頻，直接看到動態畫面一般清晰”。專題6學習的原電池知識，在這個實驗中完美演繹，據此讓學生深刻認識到了氧化還原反應與能量轉化的關系，為學習《化學反應原理》中利用原電池原理驗證物質氧化性強弱以及證明可逆反應等內容作了強有力的鋪墊。因此，關聯不同的知識模塊，打通知識點之間的“隔膜”，可以豐富學生對“變化觀念”的認識思路和維度。

本節課的不足之處是研究多停留在定性地認識化學變化上，后續的教學可嘗試進行定量描述。如上述原電池實驗中，可使用溫度—電流傳感器或pH—電流傳感器，實現溫度或pH變化與電流的曲線表征，用具體的數據和圖形變化更有說服力地解決課堂實驗的異常現象，同時也有助于培養學生數據處理和分析推理能力。

參考文獻：

［1］王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2014： 87～96， 100～101.

［2］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學必修第二冊［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2020： 32～49.

［3］張靜， 張文華. 促進知識素養化——以“硝酸的性質”為例［J］. 化學教育（中英文）， 2021， 42（11）： 27～33.

［4］騰訊視頻. 北京楊巖： 2018全國優質課大賽說播課——硝酸的化學性質［EB/OL2019-04-11）［2022-7-12］. https：//v.qq.com/x/page/j0859cxtt40.html.

［5］三酸拋光劑［EB/OL］. ［2022-7-12］. http：//www.kksshlhxbmcls3g.cpooo.com/news/5057966.html.

［6］諸佳丹， 丁偉. 原電池法探究金屬鋁在濃硝酸中的鈍化行為［J］. 化學教學， 2017， （9）： 59～62.

［7］房壽高. 硝酸受熱分解實驗的簡易化改進［J］. 化學教學， 2015， （3）： 51～53.