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        從資源循環(huán)利用理念角度淺談高中化學(xué)實驗設(shè)計

        2021-11-22 07:03:52張麗華
        名師在線 2021年15期
        關(guān)鍵詞:高中化學(xué)實驗教師

        張麗華

        (福建省莆田哲理中學(xué),福建莆田 351100)

        引 言

        高中化學(xué)實驗教學(xué)中積極滲透資源循環(huán)利用理念是貫徹綠色化學(xué)的具體體現(xiàn),教師應(yīng)從整體上把握高中化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容,認(rèn)真分析教材中各實驗所用的實驗試劑及實驗中生成的物質(zhì),將實驗內(nèi)容加以有機整合,最大限度地利用實驗試劑、實驗中生成的物質(zhì),實現(xiàn)資源的循環(huán)利用,以節(jié)約實驗成本,給學(xué)生帶來潛移默化的積極影響,使其養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣[1]。

        一、實驗總體概述

        硝酸分為濃硝酸與稀硝酸,其相關(guān)性質(zhì)是高中化學(xué)的重要知識點。為使學(xué)生更好地掌握濃硝酸與稀硝酸化學(xué)性質(zhì)的不同,教師可組織學(xué)生開展相關(guān)的化學(xué)實驗。其中濃硝酸和銅金屬反應(yīng)會生成NO2,溶質(zhì)為Cu(NO3)2,而稀硝酸和銅金屬反應(yīng)則會生成NO,溶質(zhì)為Cu(NO3)2。NO2、NO都具有毒性,不能直接排放,因此,教師在設(shè)計實驗時應(yīng)注重這兩種物質(zhì)的回收和重復(fù)利用。另外,在進行實驗的過程中,教師應(yīng)注重將裝置中的O2排凈,此時可考慮使用能夠產(chǎn)生CO2的試劑。

        NO2是一種紅棕色氣體,而N2O4為無色氣體。受溫度影響NO2和N2O4之間可相互轉(zhuǎn)化,因此,在進行化學(xué)平衡移動教學(xué)時,教師可通過做相關(guān)的實驗,帶領(lǐng)學(xué)生觀察顏色的變化,幫助學(xué)生理解溫度對化學(xué)平衡的影響。

        NO2能和H2O發(fā)生反應(yīng)生成硝酸和NO,該過程實現(xiàn)了NO2的回收,生成的硝酸可重新利用。另外,NO可和O2反應(yīng)生成NO2,從而能和水反應(yīng)生成硝酸。

        綜上,教學(xué)中為實現(xiàn)資源循環(huán)利用需要進行五個實驗:(1)Cu和濃硝酸反應(yīng)的實驗;(2)Cu和稀硝酸反應(yīng)的實驗;(3)NO2和N2O4相互轉(zhuǎn)化的實驗;(4)NO2和H2O反應(yīng)制取硝酸的實驗;(5)NO和O2、H2O反應(yīng)制取硝酸的實驗。

        二、實驗?zāi)康募霸矸治?/h2>

        (一)實驗?zāi)康?/h3>

        實驗(1)和實驗(2)可使學(xué)生更好地理解濃硝酸的氧化性及濃、稀硝酸產(chǎn)物的不同;實驗(3)通過顏色的變化使學(xué)生直觀地感受到溫度對吸、放熱反應(yīng)平衡移動的影響;實驗(4)和實驗(5)回收實驗(1)和實驗(2)中產(chǎn)生的NO和NO2,將其轉(zhuǎn)化成硝酸,這在避免污染空氣的同時,實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。

        (二)實驗原理

        實驗(1)依據(jù)的實驗原理為:Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O;實驗(2)依據(jù)的實驗原理為:3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O;另外,為排凈裝置中殘留的空氣,可用稀硝酸和Na2CO3(或NaHCO3)反應(yīng)生成的CO2排出殘留的空氣;實驗(3)依據(jù)的原理為NO2(g)N2O4(g),ΔH<0,溫度升高,平衡逆向移動,氣體顏色變深,降低溫度平衡正向移動,氣體顏色變淺;實驗(4)依據(jù)的原理為:3NO2+H2O=2HNO3+NO、2NO+O2=2NO2,兩個方程式聯(lián)立得到:4NO2+O2+2H2O=4HNO3;實驗(5)依據(jù)的原理為:2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO,兩個方程式聯(lián)立得到:4NO+3O2+2H2O=4HNO3,從中可以發(fā)現(xiàn)只要將NO2、NO和O2的比例控制得當(dāng),能夠完全反應(yīng),就可全部轉(zhuǎn)化為硝酸。

        三、實驗的具體實施與效果

        (一)實驗(1)和實驗(2)的實施與控制

        對于實驗(1)和實驗(2)在教材中有相關(guān)的實驗,教師在教學(xué)時可在教材實驗的基礎(chǔ)上進行適當(dāng)?shù)母倪M。教師可給學(xué)生提供如下實驗器材和試劑:分液漏斗、止水夾、燒杯、大試管、插管、氣囊等,濃硝酸、稀硝酸、銅片、Na2CO3粉末等。課堂上給學(xué)生預(yù)留一定的思考時間,使其依據(jù)實驗原理自行組裝實驗裝置進行實驗,并給予學(xué)生一定的指導(dǎo),確保實驗科學(xué)、合理,尤其要設(shè)計相關(guān)問題,要求學(xué)生在做實驗的過程中進行記錄,更好地加深其印象[2]。

        最終,學(xué)生經(jīng)過思考、討論,在教材實驗裝置的基礎(chǔ)上使用導(dǎo)管在右側(cè)連接帶旋塞的試管,并在試管中裝入適量的Na2CO3,而后通過控制止水夾,并打開分液漏斗,稀硝酸和Na2CO3發(fā)生反應(yīng)生成CO2,將整個實驗裝置中的空氣排干凈。接著,學(xué)生控制止水夾開始進行濃硝酸和銅片的反應(yīng),待完成反應(yīng)后,繼續(xù)打開和裝入Na2CO3試管相連的止水夾,打開裝入稀硝酸的分液漏斗制取CO2,將裝置中的NO2排干凈。

        Na2CO3和稀硝酸反應(yīng)的實驗現(xiàn)象為,得出的結(jié)論為____;濃硝酸和銅片反應(yīng)的實驗現(xiàn)象為____,得出的結(jié)論為___;稀硝酸和銅片反應(yīng)的實驗現(xiàn)象為____,得出的結(jié)論為___;為了給做NO2和N2O4實驗做好鋪墊,學(xué)生需要收集NO2,并思考該如何收集NO2。

        學(xué)生只要積極動手進行實驗,并認(rèn)真觀察實驗現(xiàn)象不難回答上述問題。Na2CO3和稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生大量氣泡,將其通入澄清石灰水中溶液變渾濁,表明實驗中產(chǎn)生了CO2氣體;濃硝酸和銅片反應(yīng)裝置中有紅棕色氣體產(chǎn)生,反應(yīng)后的溶液顏色變綠,反應(yīng)產(chǎn)生了NO2氣體。稀硝酸和銅片反應(yīng)時產(chǎn)生無色氣體,溶液變?yōu)榫G色,當(dāng)打開氣囊中的止水夾,將氣囊中的空氣擠入裝置中,氣體變?yōu)榧t棕色,表明實驗產(chǎn)生了NO,且NO和空氣中的O2反應(yīng)生成了NO2。如要收集NO2氣體,因其能和水發(fā)生反應(yīng),而且密度比空氣密度大,因此適合使用向上排空氣法收集。

        (二)實驗(3)的實施與控制

        課堂上,教師可讓學(xué)生使用收集的NO2,進行NO2和N2O4相互轉(zhuǎn)化的實驗。一些學(xué)生使用試管,通過向上排空氣收集了一試管的NO2,并迅速將試管口塞緊,將試管分別置入盛有冷水、溫水的燒杯中,觀察試管中氣體顏色的變化。而后,教師要求學(xué)生思考溫度是如何影響化學(xué)平衡移動的。最終,學(xué)生認(rèn)真回顧實驗過程和實驗現(xiàn)象,得出針對NO2(g)N2O4(g),ΔH<0這一反應(yīng),溫度升高化學(xué)平衡逆向移動,NO2物質(zhì)的量增加,顏色變深,反之顏色變淺。

        (三)實驗(4)和實驗(5)的實施與控制

        運用實驗(1)和實驗(2)產(chǎn)生的NO2和NO還可通過洗耳球擠入空氣,并將導(dǎo)管倒置于水槽中做實驗(4)和實驗(5)。實驗中,學(xué)生發(fā)現(xiàn)裝有NO的試管先變?yōu)榧t棕色,之后試管中的水上升,裝入NO2的試管隨著空氣進入導(dǎo)管中,導(dǎo)管中的水面不斷上升,最終充滿試管,將石蕊試液滴入試管溶液中溶液變?yōu)榧t色,表明生成了酸。

        (四)實驗總體效果評估

        高中化學(xué)教學(xué)中通過設(shè)計上述一系列實驗,雖然消耗了硝酸,但整體上來看,實驗不僅充分應(yīng)用了實驗中的產(chǎn)物,而且最終實驗的產(chǎn)物又生成了硝酸,很好地體現(xiàn)了資源循環(huán)利用理念。同時,設(shè)計的實驗使學(xué)生更好地掌握了濃、稀硝酸的性質(zhì),化學(xué)平衡,NO、NO2的性質(zhì)等知識,取得了良好的授課效果。

        結(jié) 語

        在高中化學(xué)教學(xué)中,教師從資源循環(huán)利用理念的角度對硝酸及氮氧化物的有關(guān)內(nèi)容進行了整合,并結(jié)合經(jīng)驗設(shè)計了一系列實驗,給學(xué)生提供了動手操作的機會,鼓勵學(xué)生積極思考相關(guān)設(shè)計問題,不僅加深了學(xué)生的印象,使學(xué)生更好地掌握了所學(xué)知識,而且給其帶來了良好的啟發(fā),即在做化學(xué)實驗時應(yīng)養(yǎng)成良好習(xí)慣,注重資源循環(huán)利用,避免資源浪費。

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