探究硝酸根在非酸性條件下的氧化性

摘 要 以化學實驗為載體，從建構化學觀念角度入手，在硝酸的氧化性課堂教學中深入探討真實化學問題，培養學生實驗觀、微粒觀和元素觀等化學觀念，在問題解決和活動探究中，使學生達到技能與智能的融合統一。

關鍵詞 高中實驗 硝酸根的氧化性 非酸性條件 深度學習

作者簡介：韋福順（1991—），男，廣西大化人，南寧市第三中學中學一級教師，碩士，研究方向：高中化學教學研究。

一、設計思路分析

本課例思路來源于對高考題的深入思考：強堿性條件下硝酸根是否與鋁反應？產物是什么？這與中學師生的認知發生沖突：硝酸根只有在酸性條件下才具有氧化性，在堿性溶液中不具有氧化性。

本案例以深度學習為背景，采用以實驗探究為主的多種學習方式相結合的教學方式。以學生自主學習結果的交流、討論為主設置教學情景，激發學生的求知欲和學習興趣，引導學生自主、合作、探究學習，培養學生自主學習和探究學習能力，使化學學科核心素養在課堂落地生根。

在具體實施過程中，首先從對高考真題的交流討論出發，設計教學情景，接著通過演示實驗，進行直觀經驗教學，喚起學生感觀意識，激發學生求知欲望，將學生精力集中到課堂；其次，從對比實驗得出的結論出發，逐步引導學生進行猜想、假設、設計方案、實驗驗證等一系列科學探究活動，對新知識進行探究性學習。在探究過程中把“觀察與思考”轉化為“活動與探究”，并設計開放性的思考題，引領學生進入一個充滿活力的生成式課堂。整個課堂教學中始終以學生為主體，重視創新精神、實踐能力的培養，進而實現了對學生化學學科核心素養的培養提升。

二、教學分析

（一）教材分析

本課題在教材中并沒有明確的章節或內容呈現，但這并不意味著它屬于“無源之水”，教材中有關硝酸根的教學內容主要集中在“硝酸的性質”這一節課中，該內容安排在高中階段“硫酸的性質”之后。硝酸根在酸性條件下具有強氧化性，是高中的重點內容。其中判斷離子共存以及離子檢驗是學習中的重點和難點。探究的內容必然涉及氧化還原反應，該內容貫穿高中化學學習始終。

（二）學情分析

學生通過“硝酸的性質”一課知道硝酸具有強氧化性，通過長期反復地訓練，學生對于硝酸根氧化性的認識都建立在酸性條件下。而這種“定勢思維”與本節課探討的課題存在認知沖突，屬于學生的知識盲區。

根據認知沖突理論：學生已有的知識和經驗與新知識之間存在某種差異而導致的心理失衡，很容易激起學生的求知欲望。通過合理的教學設計，增加學生參與討論、實踐的空間和時間，設置不同梯度的問題，通過深度學習逐步消除學生的認知沖突。學生已經儲備了元素化合物、氧化還原反應、化學實驗等相關知識，在應用和深度認識上還需要進一步強化。學生具備了通過設計簡單實驗初步探究新問題的能力，對學科內知識有一定的整合能力，需要課堂上創設教學情境，進一步提升綜合素質。

三、素養目標設計

（一）教學目標

1.能夠描述不同濃度的硝酸鈉溶液與鈉反應的實驗現象并進行合理的解釋。

2.能依據實驗現象，應用化學用語表征反應過程。

3.通過合作與交流，能對實驗方案進行設計和評價。

（二）評價目標

1.通過硝酸鈉溶液與鈉塊反應后的產物驗證方案設計，診斷設計簡單的實驗探究方案的水平。

2.通過對反應產物猜想，診斷并發展學生基于物質類別、元素價態認識物質性質的水平。

3.通過對探究方案的設計不斷優化，診斷并發展學生的環保意識和社會責任感。

四、教學流程設計

課程時長40分鐘，教學流程如圖1所示。

五、教學過程

（一）環節一：創設情境，導入新課

[原題呈現]2021年浙江省1月選考原題A選項，如圖2所示。

[生]A選項錯誤。若溶液中存在硝酸根，會干擾判斷，因為硝酸根在酸性條件下具有強氧化性，可將溶液中的亞鐵離子氧化成鐵離子。

[師]硝酸根在酸性條件下有強氧化性，在非酸性條件下有沒有氧化性呢？

[生]學生分組討論、匯報。

小組1：沒有。HNO3在酸性條件下具有強氧化性，因此NO3-在酸性條件下具有強氧化性。

小組2：有。因為硝酸根中的氮為+5價，處于最高價態，從價態變化的角度，應該具有氧化性。

經過舉手投票，認同小組1觀點的同學45人，占90%；認同小組2觀點的同學5人，占10%。

設計意圖：從學生自主學習結果的交流、討論出發，創設情景，將學生精力集中到課堂。

[師]探究硝酸根在非酸性條件下的氧化性，可以選擇一種具有強還原性的物質。大家有什么建議？

[生]強還原性的物質，金屬鈉最適宜。

[師]我們簡單回顧下金屬鈉與其它液體或溶液的反應現象，比如鈉與水、硫酸銅溶液、氯化鐵溶液的反應，感受金屬鈉強還原性。

[生]反應均出現浮、熔、游、響現象，在與硫酸銅溶液反應時還生成了藍色沉淀，在與氯化鐵溶液反應時生成紅褐色沉淀。金屬鈉與上述三種物質的反應現象都很明顯。

設計意圖：基于學生已有的知識水平、能力發展水平和潛能把學習的主動權還給學生，培養學生自主學習的能力。

（二）環節二：實驗設疑，循循善誘

[師]硝酸鈉溶液與鈉會如何反應呢？下面通過實驗來解決上述提到的問題。

實驗藥品：鈉塊、0.1 mol/L的NaNO3溶液、1.0 mol/L的NaNO3溶液、2.0 mol/L的NaNO3溶液。

實驗儀器：鑷子、燒杯。

輔助器材：注射器（含針頭）、硬紙板、小刀。

請各小組根據老師給定的藥品、儀器或器材，分組設計實驗探究方案并進行實驗。

[生]演示實驗操作。將綠豆大小的鈉用穿過硬紙板的注射器扎取后，如圖3所示；分別投入等體積但不同濃度的硝酸鈉溶液中，利用手機直播功能，如圖4所示，放大實驗操作細節和現象，方便其他同學進行觀察。

設計意圖：以學生的學習為中心，培養合作學習和自主學習能力。

經過三組實驗，分別觀察到實驗現象，如表1所示。

設計意圖：培養學生動手能力和實驗操作技能。化學實驗不僅對學生有很大的誘惑力，而且現象直觀、真切、說服力強。用醫院里的一次性針筒，物盡其用進行實驗改進，把對鈉和硝酸鈉溶液的反應“觀察與思考”改為“活動和探究”，讓學生在親身體驗中獲得新知識。

[師]根據現象，大家得出什么結論？

[生]NO3-與Na發生了化學反應，且濃度越大反應速率越快，越劇烈，現象越明顯。

[師]硝酸根反應后生成什么物質呢？

小組3：討論各種可能產物，或肯定或否定，并提供適當理由。有學生猜測產生了氨氣，被其他同學否定，因為沒有聞到刺激性氣味。有同學猜測產生了一氧化氮或二氧化氮，被其他同學否定，因為沒有在空氣中觀察到紅棕色。也有同學猜測產生了一氧化二氮，也被否定，因為沒有聞到甜味兒，最終推測最有可能的是產生了亞硝酸根。

設計意圖：用實驗進行直接經驗教學，讓學生熟悉氮元素的各種價態，熟練運用氧化還原反應原理對產物進行合理猜測，最后通過實驗現象佐證產物或者否定猜想，培養學生證據推理能力。

（三）環節三：實驗探究，漸入佳境

[師]印證猜想的最佳途徑是實驗得出的事實。大家能不能設計實驗，驗證溶液中亞硝酸根的存在呢？設計后進行實踐和評價。

[生]設計實驗方案如下：

方案一：取樣，加入鹽酸酸化，再加碘化鉀淀粉溶液。該方法不合理，溶液中的硝酸根離子會干擾檢驗。

方案二：取樣，加入硝酸銀溶液。該方法也不合理，堿性環境中暗褐色氧化銀的生成會干擾檢驗。

方案三：取樣，加入高錳酸鉀溶液。該方法合理。

設計意圖：培養學生合理假設、實驗方案設計和邏輯推理能力。

[生]按方案三進行分組實驗。取20 mL 1 mol/L的NaNO3溶液，投入半顆綠豆大小的Na，重復投放4-5次。取反應后的溶液4 mL于一支小試管中，加入幾滴KMnO4溶液，振蕩試管，觀察到溶液最終變為淺綠色，證實生成了錳酸根，如圖5所示。

結論：NO3－與Na反應后的溶液中產生了還原性離子，與KMnO4溶液發生氧化還原反應，證實原溶液中含有NO2－。

[師]請根據以上探究得出的結論，嘗試寫出NO3－離子與Na反應的離子方程式。

[生]2Na + NO3－ + H2O = 2Na+ + NO2－ + 2OH－

設計意圖：考查學生化學符號表達能力。

（四）環節四：拓展延伸，他山之石

[師]該反應方程式是根據實驗現象進行合理推理寫出來的，理論上該反應確實發生了嗎？老師給大家提供兩條對應理論證據。

[師]先從電化學角度來看，Na - e－ → Na+ E（Na+/Na） = -2.710 V

NO3－ + 2e－ + H2O → NO2－ + 2OH－? E = 0.00849 V

正極電勢高于負極電勢，可構成原電池，即可能有自發的氧化還原反應發生。

再從熱力學角度進行查表計算，該反應ΔH = -554.0 KJ/mol；ΔG = -741.9 KJ/mol。計算出的吉布斯自由能變小于零，可以推測該反應可自發進行[1]。

設計意圖：對知識進行補充拓展，強化證據意識，使學生理解更深刻。

（五）環節五：評價反思，總結提升

[師]請同學們再回憶剛才三組對比實驗，解釋鈉的燃燒現象，并對本節課的探究下個結論。

[生]硝酸根與鈉反應放出大量的熱，達到了鈉的著火點，在空氣中燃燒起來，同時燃燒生成過氧化鈉，與水反應又有氧氣放出，進一步促進鈉的燃燒。硝酸根離子在酸性條件下有強氧化性，在非酸性條件下，與還原性很強的鈉也發生了化學反應，體現了氧化性。

設計意圖：引導學生學后反思，能及時地強化知識點和學習方法，培養學生良好的學習習慣。

六、教學反思

通過本節課的教學，有如下幾點體會：

本節課以實驗探究為主線，通過觀察實驗現象，正確運用離子方程式表達硝酸根與鈉之間的反應，充分體現了宏觀辨識與微觀探析學科素養。通過實驗現象認識到化學變化的本質是有新物質生成并伴有能量轉化。同時構建了氧化還原反應模型，養成了敢于質疑、嚴謹求實的科學態度。從問題和假設出發，依據探究目的設計實驗方案，并對實驗方案進行評價。

本節課進行了如下改進：（1）反應裝置改進。使用注射器針頭刺穿Na塊，不僅對鈉塊起到固定作用，而且說明金屬鈉質軟；用硬紙板代替玻璃片，防止爆炸引起的潛在危險；使用大容量燒杯，不僅利于散熱，而且能收集較多可能生成的氣體，同時便于觀察氣體顏色變化和后期通過煽聞法辨別氣體味道。（2）現象呈現改進。利用希沃白板的信息交互功能，將“微觀”的演示實驗進行放大投影，將反應發生的更多細節“宏觀”化，便于在班級中不同位置的學生進行觀察。

本節課在課前需要做充分準備：第一點是本節課有部分前置知識、思維容量較大，比如N2O氣體有甜味、吉布斯自由能變方程等，所以需要讓學生提前預習，做好“問題導學工具單”，課前了解本節重難點。第二點是課前預設學生的所有可能反饋情況。比如硝酸根發生還原反應的產物猜想為何不能為N2等。

[參 考 文 獻]

[1]嵇雷高.堿性條件下硝酸根真的沒有氧化性嗎[J].化學教育，2014（11）：87-88.

（責任編輯：姜顯光）