探究硝酸根在非酸性条件下的氧化性

摘 要 以化学实验为载体，从建构化学观念角度入手，在硝酸的氧化性课堂教学中深入探讨真实化学问题，培养学生实验观、微粒观和元素观等化学观念，在问题解决和活动探究中，使学生达到技能与智能的融合统一。

关键词 高中实验 硝酸根的氧化性 非酸性条件 深度学习

作者简介：韦福顺（1991—），男，广西大化人，南宁市第三中学中学一级教师，硕士，研究方向：高中化学教学研究。

一、设计思路分析

本课例思路来源于对高考题的深入思考：强碱性条件下硝酸根是否与铝反应？产物是什么？这与中学师生的认知发生冲突：硝酸根只有在酸性条件下才具有氧化性，在碱性溶液中不具有氧化性。

本案例以深度学习为背景，采用以实验探究为主的多种学习方式相结合的教学方式。以学生自主学习结果的交流、讨论为主设置教学情景，激发学生的求知欲和学习兴趣，引导学生自主、合作、探究学习，培养学生自主学习和探究学习能力，使化学学科核心素养在课堂落地生根。

在具体实施过程中，首先从对高考真题的交流讨论出发，设计教学情景，接着通过演示实验，进行直观经验教学，唤起学生感观意识，激发学生求知欲望，將学生精力集中到课堂；其次，从对比实验得出的结论出发，逐步引导学生进行猜想、假设、设计方案、实验验证等一系列科学探究活动，对新知识进行探究性学习。在探究过程中把“观察与思考”转化为“活动与探究”，并设计开放性的思考题，引领学生进入一个充满活力的生成式课堂。整个课堂教学中始终以学生为主体，重视创新精神、实践能力的培养，进而实现了对学生化学学科核心素养的培养提升。

二、教学分析

（一）教材分析

本课题在教材中并没有明确的章节或内容呈现，但这并不意味着它属于“无源之水”，教材中有关硝酸根的教学内容主要集中在“硝酸的性质”这一节课中，该内容安排在高中阶段“硫酸的性质”之后。硝酸根在酸性条件下具有强氧化性，是高中的重点内容。其中判断离子共存以及离子检验是学习中的重点和难点。探究的内容必然涉及氧化还原反应，该内容贯穿高中化学学习始终。

（二）学情分析

学生通过“硝酸的性质”一课知道硝酸具有强氧化性，通过长期反复地训练，学生对于硝酸根氧化性的认识都建立在酸性条件下。而这种“定势思维”与本节课探讨的课题存在认知冲突，属于学生的知识盲区。

根据认知冲突理论：学生已有的知识和经验与新知识之间存在某种差异而导致的心理失衡，很容易激起学生的求知欲望。通过合理的教学设计，增加学生参与讨论、实践的空间和时间，设置不同梯度的问题，通过深度学习逐步消除学生的认知冲突。学生已经储备了元素化合物、氧化还原反应、化学实验等相关知识，在应用和深度认识上还需要进一步强化。学生具备了通过设计简单实验初步探究新问题的能力，对学科内知识有一定的整合能力，需要课堂上创设教学情境，进一步提升综合素质。

三、素养目标设计

（一）教学目标

1.能够描述不同浓度的硝酸钠溶液与钠反应的实验现象并进行合理的解释。

2.能依据实验现象，应用化学用语表征反应过程。

3.通过合作与交流，能对实验方案进行设计和评价。

（二）评价目标

1.通过硝酸钠溶液与钠块反应后的产物验证方案设计，诊断设计简单的实验探究方案的水平。

2.通过对反应产物猜想，诊断并发展学生基于物质类别、元素价态认识物质性质的水平。

3.通过对探究方案的设计不断优化，诊断并发展学生的环保意识和社会责任感。

四、教学流程设计

课程时长40分钟，教学流程如图1所示。

五、教学过程

（一）环节一：创设情境，导入新课

[原题呈现]2021年浙江省1月选考原题A选项，如图2所示。

[生]A选项错误。若溶液中存在硝酸根，会干扰判断，因为硝酸根在酸性条件下具有强氧化性，可将溶液中的亚铁离子氧化成铁离子。

[师]硝酸根在酸性条件下有强氧化性，在非酸性条件下有没有氧化性呢？

[生]学生分组讨论、汇报。

小组1：没有。HNO3在酸性条件下具有强氧化性，因此NO3-在酸性条件下具有强氧化性。

小组2：有。因为硝酸根中的氮为+5价，处于最高价态，从价态变化的角度，应该具有氧化性。

经过举手投票，认同小组1观点的同学45人，占90%；认同小组2观点的同学5人，占10%。

设计意图：从学生自主学习结果的交流、讨论出发，创设情景，将学生精力集中到课堂。

[师]探究硝酸根在非酸性条件下的氧化性，可以选择一种具有强还原性的物质。大家有什么建议？

[生]强还原性的物质，金属钠最适宜。

[师]我们简单回顾下金属钠与其它液体或溶液的反应现象，比如钠与水、硫酸铜溶液、氯化铁溶液的反应，感受金属钠强还原性。

[生]反应均出现浮、熔、游、响现象，在与硫酸铜溶液反应时还生成了蓝色沉淀，在与氯化铁溶液反应时生成红褐色沉淀。金属钠与上述三种物质的反应现象都很明显。

设计意图：基于学生已有的知识水平、能力发展水平和潜能把学习的主动权还给学生，培养学生自主学习的能力。

（二）环节二：实验设疑，循循善诱

[师]硝酸钠溶液与钠会如何反应呢？下面通过实验来解决上述提到的问题。

实验药品：钠块、0.1 mol/L的NaNO3溶液、1.0 mol/L的NaNO3溶液、2.0 mol/L的NaNO3溶液。

实验仪器：镊子、烧杯。

辅助器材：注射器（含针头）、硬纸板、小刀。

请各小组根据老师给定的药品、仪器或器材，分组设计实验探究方案并进行实验。

[生]演示实验操作。将绿豆大小的钠用穿过硬纸板的注射器扎取后，如图3所示；分别投入等体积但不同浓度的硝酸钠溶液中，利用手机直播功能，如图4所示，放大实验操作细节和现象，方便其他同学进行观察。

设计意图：以学生的学习为中心，培养合作学习和自主学习能力。

经过三组实验，分别观察到实验现象，如表1所示。

设计意图：培养学生动手能力和实验操作技能。化学实验不仅对学生有很大的诱惑力，而且现象直观、真切、说服力强。用医院里的一次性针筒，物尽其用进行实验改进，把对钠和硝酸钠溶液的反应“观察与思考”改为“活动和探究”，让学生在亲身体验中获得新知识。

[师]根据现象，大家得出什么结论？

[生]NO3-与Na发生了化学反应，且浓度越大反应速率越快，越剧烈，现象越明显。

[师]硝酸根反应后生成什么物质呢？

小组3：讨论各种可能产物，或肯定或否定，并提供适当理由。有学生猜测产生了氨气，被其他同学否定，因为没有闻到刺激性气味。有同学猜测产生了一氧化氮或二氧化氮，被其他同学否定，因為没有在空气中观察到红棕色。也有同学猜测产生了一氧化二氮，也被否定，因为没有闻到甜味儿，最终推测最有可能的是产生了亚硝酸根。

设计意图：用实验进行直接经验教学，让学生熟悉氮元素的各种价态，熟练运用氧化还原反应原理对产物进行合理猜测，最后通过实验现象佐证产物或者否定猜想，培养学生证据推理能力。

（三）环节三：实验探究，渐入佳境

[师]印证猜想的最佳途径是实验得出的事实。大家能不能设计实验，验证溶液中亚硝酸根的存在呢？设计后进行实践和评价。

[生]设计实验方案如下：

方案一：取样，加入盐酸酸化，再加碘化钾淀粉溶液。该方法不合理，溶液中的硝酸根离子会干扰检验。

方案二：取样，加入硝酸银溶液。该方法也不合理，碱性环境中暗褐色氧化银的生成会干扰检验。

方案三：取样，加入高锰酸钾溶液。该方法合理。

设计意图：培养学生合理假设、实验方案设计和逻辑推理能力。

[生]按方案三进行分组实验。取20 mL 1 mol/L的NaNO3溶液，投入半颗绿豆大小的Na，重复投放4-5次。取反应后的溶液4 mL于一支小试管中，加入几滴KMnO4溶液，振荡试管，观察到溶液最终变为浅绿色，证实生成了锰酸根，如图5所示。

结论：NO3－与Na反应后的溶液中产生了还原性离子，与KMnO4溶液发生氧化还原反应，证实原溶液中含有NO2－。

[师]请根据以上探究得出的结论，尝试写出NO3－离子与Na反应的离子方程式。

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

设计意图：考查学生化学符号表达能力。

（四）环节四：拓展延伸，他山之石

[师]该反应方程式是根据实验现象进行合理推理写出来的，理论上该反应确实发生了吗？老师给大家提供两条对应理论证据。

[师]先从电化学角度来看，Na - e－ → Na+ E（Na+/Na） = -2.710 V

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

正极电势高于负极电势，可构成原电池，即可能有自发的氧化还原反应发生。

再从热力学角度进行查表计算，该反应ΔH = -554.0 KJ/mol；ΔG = -741.9 KJ/mol。计算出的吉布斯自由能变小于零，可以推测该反应可自发进行[1]。

设计意图：对知识进行补充拓展，强化证据意识，使学生理解更深刻。

（五）环节五：评价反思，总结提升

[师]请同学们再回忆刚才三组对比实验，解释钠的燃烧现象，并对本节课的探究下个结论。

[生]硝酸根与钠反应放出大量的热，达到了钠的着火点，在空气中燃烧起来，同时燃烧生成过氧化钠，与水反应又有氧气放出，进一步促进钠的燃烧。硝酸根离子在酸性条件下有强氧化性，在非酸性条件下，与还原性很强的钠也发生了化学反应，体现了氧化性。

设计意图：引导学生学后反思，能及时地强化知识点和学习方法，培养学生良好的学习习惯。

六、教学反思

通过本节课的教学，有如下几点体会：

本节课以实验探究为主线，通过观察实验现象，正确运用离子方程式表达硝酸根与钠之间的反应，充分体现了宏观辨识与微观探析学科素养。通过实验现象认识到化学变化的本质是有新物质生成并伴有能量转化。同时构建了氧化还原反应模型，养成了敢于质疑、严谨求实的科学态度。从问题和假设出发，依据探究目的设计实验方案，并对实验方案进行评价。

本节课进行了如下改进：（1）反应装置改进。使用注射器针头刺穿Na块，不仅对钠块起到固定作用，而且说明金属钠质软；用硬纸板代替玻璃片，防止爆炸引起的潜在危险；使用大容量烧杯，不仅利于散热，而且能收集较多可能生成的气体，同时便于观察气体颜色变化和后期通过煽闻法辨别气体味道。（2）现象呈现改进。利用希沃白板的信息交互功能，将“微观”的演示实验进行放大投影，将反应发生的更多细节“宏观”化，便于在班级中不同位置的学生进行观察。

本节课在课前需要做充分准备：第一点是本节课有部分前置知识、思维容量较大，比如N2O气体有甜味、吉布斯自由能变方程等，所以需要让学生提前预习，做好“问题导学工具单”，课前了解本节重难点。第二点是课前预设学生的所有可能反馈情况。比如硝酸根发生还原反应的产物猜想为何不能为N2等。

[参 考 文 献]

[1]嵇雷高.碱性条件下硝酸根真的没有氧化性吗[J].化学教育，2014（11）：87-88.

（责任编辑：姜显光）