核心素养背景下NO2与H2O反应的改进探究

苏 浩 孙 雨

(1.江苏省宿豫中学;2.江苏省宿豫中等专业学校)

一、研究背景

新课程改革倡导发展学生的学科核心素养,重视开展以素养为本的教学,通过真实问题情境创设,开展以化学实验为主的探究活动来促进学生学习方式的转变。基于此,化学实验成为高中化学教学提升学生核心素养的有力抓手,应该受到重视,然而由于应试教育和升学压力的影响,学校实验器材及药品的欠缺,实验操作的繁琐与安全性等原因,目前高中化学实验教学往往以视频播放、知识讲授等方式代替,教学效果大打折扣,学生核心素养的提升也就受到很大限制。

为落实核心素养的精神,教师有必要对课本的部分实验进行创新改进,通过改进能让学生积极参与到实验中去,从而更好地培养学生的安全意识、创新意识、环保意识,同时增强学生的实验能力,提升学生的化学核心素养。氮及其化合物作为非金属元素学习的重要组成部分,在教材及考试中有着非常广泛的研究,深入学习氮及其化合物的性质不但能让学生从多角度认识物质间的转化关系,深化对物质及其变化多样性的认识,更重要的是在学习过程中能够培养学生的绿色化学意识,提升学生核心素养。NO2作为氮及其化合物的典型氧化物,其分量不亚于SO2、Cl2等,但教材对NO2的介绍并不多,故学生对于NO2的认识较为肤浅。教材中NO2跟H2O的反应是NO2教学的一个重难点,学生对反应的现象和产物的判断存在一定的困难,同时教材实验存在诸多不足之处。因此笔者希望通过改进NO2跟水的反应的实验,让学生更加深入地研究NO2的性质。

二、NO2与H2O反应过程中的实验原理

三、教材中NO2与H2O反应

本实验选自人教版(2019)必修第二册第五章《氮及其化合物》第二课时《一氧化氮和二氧化氮》P13实验5-5。

(一)教材实验步骤

在一支50 mL的注射器里充入20 mL NO,然后吸入5 mL水,用乳胶管和弹簧夹封住管口,振荡注射器,观察现象。打开弹簧夹,快速吸入10 mL空气后夹上弹簧夹,观察现象。振荡注射器,再观察现象。

(二)教材实验不足

教材中关于NO2与H2O反应的实验如图1所示,不足之处有以下3点。

图1 教材中NO2与H2O反应装置

1.反应现象不明显,学生不易观察得到结论:由于针筒中NO2含量不多,气体与水反应接触面较小,反应速度缓慢,现象不明显。

2.装置容易发生泄漏,污染环境:针筒在打开弹簧夹快速吸入空气的过程中容易泄漏,造成空气污染和安全问题。

四、NO2与H2O反应实验的改进

(一)实验仪器及用品

(二)实验装置

(三)实验操作

步骤1:首先将充满红棕色气体NO2的三颈烧瓶用橡胶塞密封,固定在铁架台铁夹上,一支注射器充满水,另一支注射器充满O2,插入三颈烧瓶两个橡胶塞,将玻璃导管一端插入橡胶塞,另一端插入烧杯中的水中(滴入1 mL紫色石蕊试液),如图2所示。

图2 NO2与H2O反应改进装置

步骤2:打开止水夹,将装有水的注射器中的水一次性注入烧瓶,观察现象。

步骤3:关闭止水夹,将装有氧气的注射器中的O2往瓶内注入少量,观察现象。

步骤4:摇动烧瓶或放置一段时间,观察现象。多次注入少量O2后摇动烧瓶,会出现什么现象?

步骤5:打开止水夹,观察现象。

(四)实验现象及结论

步骤3现象及结论:通入氧气之后,瓶内无色气体又变红棕色。通过这个现象结合步骤2的剩余气体的量说明三颈烧瓶中的无色气体是NO。

步骤4现象及结论:摇动三颈烧瓶后,红棕色又变为无色,在不断通氧气和摇动烧瓶之后,红棕色与无色相互转变。

步骤5现象及结论:会再次形成喷泉,溶液近乎充满整个三颈烧瓶。通过这个现象,说明NO2近乎完全转变为HNO3。

(五)实验过程问题设置

为培养学生的问题意识,养成独立思考的能力,并在思考的过程中培养学生绿色化学理念,提升学生的核心素养,在实验过程中,笔者设置以下几个问题。

在步骤2、3完成之后设计以下两个问题:

①对于NO2与H2O的反应产物,我们能直接排到空气中吗?

②对于NO2与H2O的反应,氮原子的利用率怎么样?

以上问题解决之后,笔者再让学生认真反思自己所做的实验,并交流讨论以下问题。

我们的设计对工业生产硝酸有何启示?

通过这个问题,能让学生将理论联系实际,将所学真正应用到实际工业生产中,帮助学生养成科学严谨的态度,主动关心环境保护、资源开发等社会热点问题,形成可持续发展的观念。

在医养结合养老服务评价方面：王梦苑等人依据目前医养结合养老服务工作的实际开展情况，从投入、产出的维度选取了资源投入（物力、人力）和经营效果共计9个指标［12］。张艳荣、马冬梅从老年人主观评价的角度出发，从基本需求、经济、心理、社会交往及服务5个维度进行运行效果的评价［13］。胡秀香和梁江云通过构建对照组的方式，比较了两组老年人的生存、睡眠及对护理服务的满意度［14］。郦雨濛等从硬件、运营、安全、人文关怀和健康5个层面设计了养老服务质量评价量表［15］。吴炳义等通过就医环境、药品、医务人员等6个方面对医疗服务效果进行评价［16］。

(六)实验创新点与不足之处

1.实验创新点

①趣味化:用NO2做喷泉实验,现象明显、有趣,增强了实验效果,能激发学生的学习兴趣和探究欲望,可以为接下来学习NH3的相关知识打下良好的基础。

②绿色化:整个实验处在密闭体系中,杜绝气体污染,反应过程中能将NO2完全吸收,体现绿色化学理念,并且原子利用率100%。

③定量化:教材实验没有进行定量验证,通过改进创新后的实验可以进行定量验证,确定反应产物NO。

2.实验不足处

①本实验需要提前制备纯净的NO2装入三颈烧瓶,需要提前制备纯净的O2装入针筒,不能实现实验制备和性质探究一体化。

②NO2和H2O反应产生NO定量实验后的后续产物的处理是本实验的难点,制备的NO2必须纯净才能保证最终溶液充满整个三颈烧瓶。由于常规方法难以制得纯净的NO2,会对实验产生较大的影响,故在实际实验过程中,反复通入O2之后,溶液最终没有完全充满三颈烧瓶。若本实验采用排真空的方法收集NO2,可提高实验的精确度,但是实验操作复杂。

五、实验教学效果与评价

通过对NO2与H2O反应的实验改进,可有效地帮助学生掌握NO2的性质,能够深层次掌握NO2与H2O反应产物的判断以及后续产物的处理,达到了预期教学效果,同时为后续NH3的学习打下基础。

①创设良好实验情境,激发学生探究欲望。相比填鸭式地教学,通过实验探究的方式学习更能激发学生探究欲望。

②立足问题情境,引发学生深度思维。教学过程中的问题情境的设置,能充分调动学生的思维,让学生乐于思考,敢于思考,在思考中解决问题,加深对知识的理解和内化。

②理论联系实际,提升学生核心素养。学生将本节课的理论知识联系到实际工业生产中,实现了从化学走向社会的思路,培养了学生的社会责任感。

通过本次实验改进教学,我们意识到了实验教学在提升学生核心素养的重要性,在今后的教学中,要多关注学生学习方法的指导和实验能力的培养,例如实验研究的方法、实验设计的方法以及实验创新能力的培养,引导学生学会学习化学,并应用化学知识解决实际生活中的问题。学生在这样的指导下,学习兴趣提高,有了明确的任务,受到正确的引导,经历了完整的思维过程,归纳整理了系统的学科知识,有利于学科观念的形成,有利于学生的核心素养提升。

宿迁市教育学会“十四五”规划课题“核心素养背景下培养学生绿色化学理念的教学实践研究”(课题编号为XHLX2021-013)的阶段研究成果。