徐軍　楊義洪

摘要：“雷雨發(fā)莊稼”的原理較為復(fù)雜，借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)宏觀辨析和微觀探究，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原理的深度探究，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，落實(shí)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：雷雨發(fā)莊稼;注射器;傳感器

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06x-0078-03?? 中圖分類號(hào)：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.020

2020年10月21日，江蘇省優(yōu)秀課大賽在江蘇省靖江中學(xué)舉行，B組的課題是“氮及其化合物”，筆者作為選手的指導(dǎo)老師，有幸學(xué)習(xí)了B組的9節(jié)課。上課內(nèi)容是“氮及其化合物”新授課的第一課時(shí)。無(wú)論是蘇教版還是人教版，內(nèi)容都涉及氮的固定、氮氧化物的相互轉(zhuǎn)化。以“雷雨發(fā)莊稼”這一情境為主線，可以把本節(jié)課的知識(shí)重難點(diǎn)落實(shí)到位。如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究“雷雨發(fā)莊稼”的原理，成為了該節(jié)課的亮點(diǎn)，各位選手在這方面下足了功夫，對(duì)筆者的感觸也較深。

一、教材內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

使用2020蘇教版教材的地區(qū)，上課的內(nèi)容是《必修二》專題7。教材敘述的脈絡(luò)為：通過(guò)“雷雨發(fā)莊稼”事例，介紹氮?dú)庠诜烹姉l件下與氧氣發(fā)生反應(yīng)，給出了閃電時(shí)生成氮氧化物的圖片，“雷雨發(fā)莊稼”所關(guān)聯(lián)的3個(gè)主要化學(xué)反應(yīng)方程式。這3個(gè)反應(yīng)是氮氧化物的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化的重要反應(yīng)，是課堂教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，但課本上沒(méi)有給出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)資料。

使用2020人教版教材的地區(qū)，上課的內(nèi)容是《必修二》第五章第二節(jié)“氮及其化合物”。教材敘述的脈絡(luò)為：在高溫和放電條件下，N2和O2化合生成NO，但沒(méi)有交代“雷雨發(fā)莊稼”實(shí)例。在“一氧化氮和二氧化氮”內(nèi)容中，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下：在一支50 mL的注射器里注入20 mL 的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(xiàn)象，打開(kāi)彈簧夾，快速吸入10mL空氣后，夾上彈簧夾，觀察現(xiàn)象。振蕩注射器，再觀察現(xiàn)象（裝置如圖1）。設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的目的是探究NO和 NO2的相互轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)中巧妙使用注射器，方便靈活，微型環(huán)保，可以演示也可以分組實(shí)驗(yàn)，也可以對(duì)二氧化氮與水后繼反應(yīng)進(jìn)行探究：只要把充分振蕩后的溶液注入燒杯，滴加紫色石蕊溶液或測(cè)溶液的pH，就可以說(shuō)明有硝酸生成。與2004舊版教材相比，這里可以說(shuō)是實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新，有幾位選手就用了該裝置進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，效果較好。但由于針管的體積限制，加之吸入的是空氣，因而產(chǎn)生的NO2量小、濃度小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。

許多選手在人教版實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用二通閥和三通閥、小儲(chǔ)氣瓶、針筒搭配（如圖2、圖3）改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置。用圖3裝置，針筒或小瓶中分別儲(chǔ)存 NO 和純的 O2，通過(guò)控制活塞，簡(jiǎn)便快速地實(shí)現(xiàn)NO、O2的混合;用小儲(chǔ)氣瓶收集氣體，氣體的用量增加了，這樣操作更簡(jiǎn)便、可控，產(chǎn)生 NO2量多、濃度大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。圖4中針筒數(shù)目增多，通過(guò)控制活塞，針筒可直接相通，可以進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，不但方便快捷，同時(shí)增加實(shí)驗(yàn)的安全性，可以說(shuō)是對(duì)新教材實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步創(chuàng)新。

二、問(wèn)題的提出

九位選手通過(guò)放電技術(shù)進(jìn)行了N2和O2化合生成 NO 的演示。兩極電針高壓下放電，裝置中的氣體顏色加深，進(jìn)而說(shuō)明N2和 O2在放電條件下先生成 NO，然后 NO 和 O2化合生成 NO2。有一位選手為了使現(xiàn)象更明顯，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)在PPT上對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了如圖5的細(xì)化。但無(wú)論怎么處理，都無(wú)法說(shuō)清下面幾個(gè)問(wèn)題：空氣中成份復(fù)雜，在放電條件下就一定生成氮氧化物？實(shí)驗(yàn)中一定有 NO 和 NO2的轉(zhuǎn)化過(guò)程（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中紅棕色顏色變深也可能是NO2濃度的變化引起的）？在探究NO2與水反應(yīng)生成硝酸和NO時(shí)，如果實(shí)驗(yàn)僅僅是測(cè)溶液中酸度的變化來(lái)證明NO2氣體與水反應(yīng)生成的酸性物質(zhì)就是硝酸，顯然證據(jù)是不充分的。

三、問(wèn)題的解決

1.通過(guò) NO傳感器直接突破對(duì)放電過(guò)程中生成 NO 的理解。

通過(guò)圖6裝置測(cè)定玻璃容器中放電過(guò)程中NO 的濃度逐漸升高，說(shuō)明了 N2和 O2在放電的條件下生成 NO，片刻后容器中顏色逐漸變成紅棕色，說(shuō)明了NO 又被O2氧化成NO2?，F(xiàn)象明顯直觀，容易理解。

2.通過(guò)氧氣濃度和壓強(qiáng)傳感器探究放電過(guò)程中反應(yīng)原理

圖7數(shù)據(jù)顯示，放電過(guò)程和停止放電后裝置中O2濃度一直減小，可以說(shuō)明放電前后 O2都參加了反應(yīng)，但這仍不足以說(shuō)明 N2和 O2在放電下生成 NO 還是NO2。但結(jié)合壓強(qiáng)分析就能說(shuō)明問(wèn)題了，放電條件下發(fā)生N2+O22NO，方程式的系數(shù)兩邊相等，如果溫度相同，反應(yīng)過(guò)程中壓強(qiáng)不變。事實(shí)上放電過(guò)程中，整個(gè)體系溫度上升不大，壓強(qiáng)略有增加，原理和實(shí)驗(yàn)事實(shí)一致。放電結(jié)束后，O2濃度、壓強(qiáng)進(jìn)一步減小，氣體的顏色逐漸變成紅棕色，充分說(shuō)明了放電后發(fā)生2NO + O22NO2，如果整個(gè)過(guò)程只發(fā)生 N2+2O22NO2，則體系的壓強(qiáng)會(huì)一直減小。

[反思]上面的解釋忽視了一個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，開(kāi)始放電時(shí)，壓強(qiáng)數(shù)值瞬間增大，容器內(nèi)壓強(qiáng)增大，說(shuō)明容器內(nèi)瞬間微粒數(shù)目增大。經(jīng)查閱相關(guān)資料可知，在放電過(guò)程中，可能發(fā)生193個(gè)基元反應(yīng)。主要的反應(yīng)如下： O2→O+O、N2+O→NO+N、M+NO→M+N+O ，M表示可能存在的碰撞粒子，如 N、O、H、OH、N+、N2+、O+、 O2+、O4+、NO+、H2O+、O-等。由于放電瞬間立即產(chǎn)生大量粒子，且粒子數(shù)目保持相對(duì)穩(wěn)定，導(dǎo)致壓強(qiáng)瞬間增大。另外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，放電過(guò)程中反應(yīng)體系溫度升高約為3℃。壓強(qiáng)在瞬間增大后，因?yàn)闇囟鹊纳撸瑝簭?qiáng)數(shù)值繼續(xù)增大，壓強(qiáng)曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[1]。

另一個(gè)問(wèn)題是：開(kāi)始放電，氧氣數(shù)值瞬間增大。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)方程式分析，O2與N2可發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為 NO或NO2，放電時(shí)，O2濃度應(yīng)該降低，然而實(shí)際測(cè)得數(shù)值增大。這是氧氣傳感器數(shù)據(jù)采集的特殊原理導(dǎo)致數(shù)值“不降反升”。氧氣傳感器的原理是使用原電池的原理，測(cè)量了氧化劑得電子的過(guò)程。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的知識(shí)，氧氣在反應(yīng)中首先轉(zhuǎn)化為氧原子，然后得到電子轉(zhuǎn)化為-2價(jià)的氧元素。盡管O2與N2發(fā)生反應(yīng)消耗一部分氧氣，由于高壓放電條件下，氧氣更容易轉(zhuǎn)化為活性氧原子，使得發(fā)生原電池反應(yīng)的氧原子瞬間增加，所以實(shí)際測(cè)得數(shù)值是增大的[1]。

3.通過(guò) NO-3、pH傳感器數(shù)值變化突破對(duì)NO2與水反應(yīng)的理解

對(duì)于NO2與水反應(yīng)的原理認(rèn)證，直接測(cè)定反應(yīng)后溶液pH，無(wú)法充分說(shuō)明生成產(chǎn)物中的酸一定是硝酸，但用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，就能把原理認(rèn)證清楚。其中有一位選手進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：

[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯探究“雷雨發(fā)莊稼”的原理

[儀器用品]電子感應(yīng)圈、帶閥三頸燒瓶、50 mL針筒、硝酸根離子傳感器、pH傳感器、蒸餾水。

[實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)]見(jiàn)表1

[反思]如果從教材中給出的反應(yīng)原理理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，三頸燒瓶?jī)?nèi)最終氣體應(yīng)為NO2，注入蒸餾水振蕩，發(fā)生3NO2+H2O 2HNO3+NO，得到HNO3溶液， HNO3為強(qiáng)酸，完全電離，溶液中 NO-3、H+濃度為定值，利用傳感器測(cè)得的NO3-濃度、pH都為常數(shù)，不可能有變化的曲線。

與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不相符。查閱資料，發(fā)現(xiàn)氮氧化物與水的反應(yīng)較為復(fù)雜，可能發(fā)生反應(yīng)如下[2]：

首先 NO2實(shí)為 NO2與 N2O4的混合物，溶于水時(shí)發(fā)生反應(yīng)：3N2O4+2H2O 4HNO3+2NO;其次，NO2和H2O 反應(yīng)生成HNO3（3NO2+H2O 2HNO3+NO）;2NO2+H2O HNO2+HNO3;還有N2O4+H2O HNO2+HNO3;NO2+NO+H2O2HNO2。氮氧化物與水的反應(yīng)過(guò)程中，除了生成HNO3外，還生成HNO2。無(wú)機(jī)化學(xué)教材[3]認(rèn)為“亞硝酸是一種比醋酸略強(qiáng)的弱酸（Ka=4.6×10-4，291K），但很不穩(wěn)定，僅存在于冷的稀溶液中，室溫下放置時(shí)，逐漸發(fā)生歧化反應(yīng)而分解（3HNO2HNO3+2NO + H2O），故立即測(cè)量NO2與H2O反應(yīng)后溶液中的 NO-3、H+濃度，存在 HNO2分解過(guò)程，NO-3、H+濃度有一個(gè)變化的趨勢(shì)。筆者認(rèn)為，這里不適宜用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槿绻褜?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析清楚，就超出了中學(xué)化學(xué)教學(xué)要求，還是直接用pH試紙測(cè)量酸堿性，作一個(gè)簡(jiǎn)單的描述為好。

四、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化傳感器可以把微觀反應(yīng)的變化顯性化、數(shù)字化、定量化?；瘜W(xué)課堂上適度引入數(shù)字技術(shù)，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及儀器教學(xué)的不足。但數(shù)字化實(shí)驗(yàn)給人以虛擬的感覺(jué)，不利于訓(xùn)練學(xué)生的操作能力，難以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、動(dòng)腦能力。筆者無(wú)法知道上述兩位選手使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時(shí)，是否考慮了圖像數(shù)據(jù)中的異常。建議在教學(xué)中謹(jǐn)慎使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，用常規(guī)的方法不好解決、常用的實(shí)驗(yàn)器材不能說(shuō)明原理的時(shí)候才考慮使用。

但數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合于課堂，能幫助學(xué)生構(gòu)建從化學(xué)的視角認(rèn)識(shí)事物、解決問(wèn)題的思想、方法和觀點(diǎn)。微型化實(shí)驗(yàn)有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但我們要知道同一個(gè)反應(yīng)在不同裝置中進(jìn)行有不一樣的精彩，例如：驗(yàn)證3NO2+H2O 2HNO3+NO，用帶有活塞橡皮塞的礦泉水瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，操作更簡(jiǎn)單，現(xiàn)象更明顯。往收集滿NO2的礦泉水瓶中注入水振蕩，瓶體變癟，瓶中氣體顏色變淺，打開(kāi)活塞，瓶體恢復(fù)，瓶中氣體顏色變深（圖11）;也可直接用集氣瓶做上述實(shí)驗(yàn)，同樣觀察到上述現(xiàn)象，水槽中集氣瓶?jī)?nèi)液面上升（圖12）。因此未來(lái)的實(shí)驗(yàn)必將是實(shí)驗(yàn)方法多樣并舉的有機(jī)融合。

（說(shuō)明：本文的圖片和數(shù)據(jù)主要來(lái)自教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)。）

參考文獻(xiàn)

[1]王保強(qiáng)，劉方云，李增坤.模擬雷雨條件下氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究[J].化學(xué)教育，2019（5）：69-70.

[2]王祖浩.普通高中教科書(shū)（化學(xué)必修第二冊(cè)）[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2019.

[3]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室.無(wú)機(jī)化學(xué)（下冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，2004.