核心素養背景下NO2與H2O反應的改進探究

蘇 浩 孫 雨

(1.江蘇省宿豫中學;2.江蘇省宿豫中等專業學校)

一、研究背景

新課程改革倡導發展學生的學科核心素養,重視開展以素養為本的教學,通過真實問題情境創設,開展以化學實驗為主的探究活動來促進學生學習方式的轉變?；诖?化學實驗成為高中化學教學提升學生核心素養的有力抓手,應該受到重視,然而由于應試教育和升學壓力的影響,學校實驗器材及藥品的欠缺,實驗操作的繁瑣與安全性等原因,目前高中化學實驗教學往往以視頻播放、知識講授等方式代替,教學效果大打折扣,學生核心素養的提升也就受到很大限制。

為落實核心素養的精神,教師有必要對課本的部分實驗進行創新改進,通過改進能讓學生積極參與到實驗中去,從而更好地培養學生的安全意識、創新意識、環保意識,同時增強學生的實驗能力,提升學生的化學核心素養。氮及其化合物作為非金屬元素學習的重要組成部分,在教材及考試中有著非常廣泛的研究,深入學習氮及其化合物的性質不但能讓學生從多角度認識物質間的轉化關系,深化對物質及其變化多樣性的認識,更重要的是在學習過程中能夠培養學生的綠色化學意識,提升學生核心素養。NO2作為氮及其化合物的典型氧化物,其分量不亞于SO2、Cl2等,但教材對NO2的介紹并不多,故學生對于NO2的認識較為膚淺。教材中NO2跟H2O的反應是NO2教學的一個重難點,學生對反應的現象和產物的判斷存在一定的困難,同時教材實驗存在諸多不足之處。因此筆者希望通過改進NO2跟水的反應的實驗,讓學生更加深入地研究NO2的性質。

二、NO2與H2O反應過程中的實驗原理

三、教材中NO2與H2O反應

本實驗選自人教版(2019)必修第二冊第五章《氮及其化合物》第二課時《一氧化氮和二氧化氮》P13實驗5-5。

(一)教材實驗步驟

在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO,然后吸入5 mL水,用乳膠管和彈簧夾封住管口,振蕩注射器,觀察現象。打開彈簧夾,快速吸入10 mL空氣后夾上彈簧夾,觀察現象。振蕩注射器,再觀察現象。

(二)教材實驗不足

教材中關于NO2與H2O反應的實驗如圖1所示,不足之處有以下3點。

圖1 教材中NO2與H2O反應裝置

1.反應現象不明顯,學生不易觀察得到結論:由于針筒中NO2含量不多,氣體與水反應接觸面較小,反應速度緩慢,現象不明顯。

2.裝置容易發生泄漏,污染環境:針筒在打開彈簧夾快速吸入空氣的過程中容易泄漏,造成空氣污染和安全問題。

四、NO2與H2O反應實驗的改進

(一)實驗儀器及用品

(二)實驗裝置

(三)實驗操作

步驟1:首先將充滿紅棕色氣體NO2的三頸燒瓶用橡膠塞密封,固定在鐵架臺鐵夾上,一支注射器充滿水,另一支注射器充滿O2,插入三頸燒瓶兩個橡膠塞,將玻璃導管一端插入橡膠塞,另一端插入燒杯中的水中(滴入1 mL紫色石蕊試液),如圖2所示。

圖2 NO2與H2O反應改進裝置

步驟2:打開止水夾,將裝有水的注射器中的水一次性注入燒瓶,觀察現象。

步驟3:關閉止水夾,將裝有氧氣的注射器中的O2往瓶內注入少量,觀察現象。

步驟4:搖動燒瓶或放置一段時間,觀察現象。多次注入少量O2后搖動燒瓶,會出現什么現象?

步驟5:打開止水夾,觀察現象。

(四)實驗現象及結論

步驟3現象及結論:通入氧氣之后,瓶內無色氣體又變紅棕色。通過這個現象結合步驟2的剩余氣體的量說明三頸燒瓶中的無色氣體是NO。

步驟4現象及結論:搖動三頸燒瓶后,紅棕色又變為無色,在不斷通氧氣和搖動燒瓶之后,紅棕色與無色相互轉變。

步驟5現象及結論:會再次形成噴泉,溶液近乎充滿整個三頸燒瓶。通過這個現象,說明NO2近乎完全轉變為HNO3。

(五)實驗過程問題設置

為培養學生的問題意識,養成獨立思考的能力,并在思考的過程中培養學生綠色化學理念,提升學生的核心素養,在實驗過程中,筆者設置以下幾個問題。

在步驟2、3完成之后設計以下兩個問題:

①對于NO2與H2O的反應產物,我們能直接排到空氣中嗎?

②對于NO2與H2O的反應,氮原子的利用率怎么樣?

以上問題解決之后,筆者再讓學生認真反思自己所做的實驗,并交流討論以下問題。

我們的設計對工業生產硝酸有何啟示?

通過這個問題,能讓學生將理論聯系實際,將所學真正應用到實際工業生產中,幫助學生養成科學嚴謹的態度,主動關心環境保護、資源開發等社會熱點問題,形成可持續發展的觀念。

在醫養結合養老服務評價方面：王夢苑等人依據目前醫養結合養老服務工作的實際開展情況，從投入、產出的維度選取了資源投入（物力、人力）和經營效果共計9個指標［12］。張艷榮、馬冬梅從老年人主觀評價的角度出發，從基本需求、經濟、心理、社會交往及服務5個維度進行運行效果的評價［13］。胡秀香和梁江云通過構建對照組的方式，比較了兩組老年人的生存、睡眠及對護理服務的滿意度［14］。酈雨濛等從硬件、運營、安全、人文關懷和健康5個層面設計了養老服務質量評價量表［15］。吳炳義等通過就醫環境、藥品、醫務人員等6個方面對醫療服務效果進行評價［16］。

(六)實驗創新點與不足之處

1.實驗創新點

①趣味化:用NO2做噴泉實驗,現象明顯、有趣,增強了實驗效果,能激發學生的學習興趣和探究欲望,可以為接下來學習NH3的相關知識打下良好的基礎。

②綠色化:整個實驗處在密閉體系中,杜絕氣體污染,反應過程中能將NO2完全吸收,體現綠色化學理念,并且原子利用率100%。

③定量化:教材實驗沒有進行定量驗證,通過改進創新后的實驗可以進行定量驗證,確定反應產物NO。

2.實驗不足處

①本實驗需要提前制備純凈的NO2裝入三頸燒瓶,需要提前制備純凈的O2裝入針筒,不能實現實驗制備和性質探究一體化。

②NO2和H2O反應產生NO定量實驗后的后續產物的處理是本實驗的難點,制備的NO2必須純凈才能保證最終溶液充滿整個三頸燒瓶。由于常規方法難以制得純凈的NO2,會對實驗產生較大的影響,故在實際實驗過程中,反復通入O2之后,溶液最終沒有完全充滿三頸燒瓶。若本實驗采用排真空的方法收集NO2,可提高實驗的精確度,但是實驗操作復雜。

五、實驗教學效果與評價

通過對NO2與H2O反應的實驗改進,可有效地幫助學生掌握NO2的性質,能夠深層次掌握NO2與H2O反應產物的判斷以及后續產物的處理,達到了預期教學效果,同時為后續NH3的學習打下基礎。

①創設良好實驗情境,激發學生探究欲望。相比填鴨式地教學,通過實驗探究的方式學習更能激發學生探究欲望。

②立足問題情境,引發學生深度思維。教學過程中的問題情境的設置,能充分調動學生的思維,讓學生樂于思考,敢于思考,在思考中解決問題,加深對知識的理解和內化。

②理論聯系實際,提升學生核心素養。學生將本節課的理論知識聯系到實際工業生產中,實現了從化學走向社會的思路,培養了學生的社會責任感。

通過本次實驗改進教學,我們意識到了實驗教學在提升學生核心素養的重要性,在今后的教學中,要多關注學生學習方法的指導和實驗能力的培養,例如實驗研究的方法、實驗設計的方法以及實驗創新能力的培養,引導學生學會學習化學,并應用化學知識解決實際生活中的問題。學生在這樣的指導下,學習興趣提高,有了明確的任務,受到正確的引導,經歷了完整的思維過程,歸納整理了系統的學科知識,有利于學科觀念的形成,有利于學生的核心素養提升。

宿遷市教育學會“十四五”規劃課題“核心素養背景下培養學生綠色化學理念的教學實踐研究”(課題編號為XHLX2021-013)的階段研究成果。