基于學(xué)科核心素養(yǎng)的元素化合物教學(xué)

畢占龍 蔡子華 房健

摘要：以“三酸拋光液”為情境，通過對素材進(jìn)行分析，生成一系列學(xué)科問題，結(jié)合問題設(shè)計并進(jìn)行實驗驗證濃度、溫度、溶液酸堿性對硝酸根氧化性的影響，以及設(shè)計并驗證銅與濃硝酸反應(yīng)后溶液呈現(xiàn)綠色的原因。結(jié)合拋光液分析硝酸的用途及優(yōu)缺點，使用的注意事項。通過實驗探究、證據(jù)推理發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：三酸拋光液;學(xué)科素養(yǎng);硝酸;實驗探究

文章編號：1008-0546（2022）10-0051-04中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

一、教學(xué)內(nèi)容分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強調(diào)在“教、學(xué)、評”一體化的背景下開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)在真實問題情境下的化學(xué)實驗探究活動，激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教與學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，使每位學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得到不同程度的發(fā)展。[1]本節(jié)課是人教版高中《化學(xué)》必修第二冊第五章“化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素”第二節(jié)中“硝酸”的內(nèi)容。硝酸是氮的重要化合物，是強氧化性物質(zhì)的典型代表。其性質(zhì)貫穿高中化學(xué)的始終，編排在離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)規(guī)律以及元素周期律等理論內(nèi)容后面，既要突出化學(xué)理論對元素學(xué)習(xí)的指導(dǎo)作用，也是幫助學(xué)生整理概念知識、總結(jié)方法模型、提升核心素養(yǎng)的重要素材。[2]通過設(shè)計濃度、溫度、溶液酸堿性對硝酸根氧化性的影響等探究實驗，提升學(xué)生科學(xué)探究能力。

二、教學(xué)目標(biāo)

（1）能從價態(tài)角度分析硝酸具有強氧化性并初步判斷還原產(chǎn)物。

（2）從微觀和宏觀相結(jié)合視角，結(jié)合實驗驗證硝酸根強氧化性受自身濃度及其他因素影響，學(xué)會從變化視角分析解決問題，樹立基于證據(jù)的推理意識。

（3）能夠基于銅與濃稀硝酸反應(yīng)的實驗現(xiàn)象，建立科學(xué)探究方法，樹立科學(xué)探究意識。

（4）能從環(huán)保角度分析硝酸用途，具有綠色化學(xué)觀念和可持續(xù)發(fā)展意識。

三、教學(xué)流程

見圖1。

四、教學(xué)實錄

【創(chuàng)設(shè)情境】（展示銅制品的“原件”與“新件”圖片（見圖2），一張圖片是銹跡斑斑的“原件”，一張圖片是“原件”經(jīng)過處理后得到光亮平滑的“新件”）。銅制品用久之后表面凹凸不平色彩暗淡銹跡斑斑，不但影響美觀程度更會影響其正常使用。同學(xué)們想知道用什么樣的神奇藥水可以讓銅制品舊貌換新顏嗎？

【學(xué)生】（對拋光液組成及工作原理充滿好奇）很想知道。

【教師】讓舊品換新顏的方法有很多，今天我們介紹一種化學(xué)拋光法——三酸拋光法。老師查閱文獻(xiàn)得知三酸拋光液的組成（見圖3），三酸拋光液中主要成分是硫酸、鹽酸、硝酸，本節(jié)課我們重點學(xué)習(xí)三酸之一——硝酸的性質(zhì)。

【板書】硝酸的性質(zhì)

設(shè)計意圖：真實的STSE內(nèi)容，讓學(xué)生感受到化學(xué)來源于生活，贊賞學(xué)科對生產(chǎn)生活的貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力。

【實物展示】（展示硝酸，見圖4）請同學(xué)們觀察這三瓶硝酸，總結(jié)硝酸物理性質(zhì)。分析久置的濃硝酸為什么會呈現(xiàn)黃色？應(yīng)如何保存？

【學(xué)生1】硝酸是無色液體，打開瓶蓋，有白霧出現(xiàn)，說明硝酸易揮發(fā)。需保存在棕色試劑瓶中說明硝酸見光易分解，而中間試劑瓶中硝酸為黃色，說明部分硝酸已經(jīng)分解了。

【學(xué)生2】久置后的濃硝酸呈現(xiàn)黃色，說明硝酸分解生成NO2又溶解到硝酸中。

【學(xué)生3】生成NO2，說明N元素價態(tài)降低，H元素價態(tài)不能再升高，只能是O元素升價，生成O2，所以硝酸分解生成NO2、O2和H2O。

【師】同學(xué)們分析得很好，硝酸是無色有刺激性氣味的液體，易揮發(fā)，見光或受熱易分解，需要盛裝棕色試劑瓶中密封保存，存放陰涼處。

【板書】1.物理性質(zhì)

2.穩(wěn)定性4HNO34NO2↑+O2↑+2H2O

【設(shè)計意圖】通過觀察到濃硝酸呈黃色的宏觀現(xiàn)象，搜集證據(jù)從微觀角度分析原因，發(fā)展學(xué)生宏微結(jié)合、證據(jù)推理意識。

【實驗驗證】硝酸與銅反應(yīng)

【提出問題1】請同學(xué)們閱讀銅制品拋光液簡介（見圖5），分析三酸拋光液中稀硫酸的作用是什么？你還能得出哪些結(jié)論？

【學(xué)生1】稀硫酸和鹽酸的作用是除去銅表面的氧化膜，但不明白凹凸部分如何變光滑的;溫度不能過高是防止硝酸分解;時間過長會有大量銅制品被腐蝕;純銅不與稀鹽酸、稀硫酸反應(yīng)，一定是硝酸起到溶解部分銅的作用。

【證據(jù)推理】很好，如何推測銅與硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物呢？若銅與硝酸反應(yīng)，體現(xiàn)硝酸的哪些性質(zhì)？

【學(xué)生2】銅與硝酸的反應(yīng)，銅是還原劑生成Cu（NO3）2，HNO3體現(xiàn)酸性，NO體現(xiàn)強氧化性，N化合價降低，可能生成NO2或者NO。

設(shè)計意圖：結(jié)合三酸拋光液簡介，推斷稀硫酸的作用，硝酸可能有的化學(xué)性質(zhì)，提升學(xué)生證據(jù)推理能力。根據(jù)氧化還原反應(yīng)得失電子守恒思想論證產(chǎn)物，發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知能力。

【板書】3.硝酸的強氧化性

【實驗設(shè)計】同學(xué)們分析得非常好，讓我們通過實驗驗證銅與硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物吧（見圖6）。

1.實驗用品：濃HNO3、稀HNO3、NaOH溶液、銅片、小藥瓶、注射器。

2.實驗匯報（見表1）

設(shè)計意圖：能夠基于實驗現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生建立科學(xué)探究方法，樹立科學(xué)探究意識，增強創(chuàng)新能力。

【提出問題2】通過實驗我們能夠得到哪些結(jié)論？還存在什么疑惑？

【學(xué)生反思】

甲：常溫下，銅與濃稀硝酸均能發(fā)生反應(yīng)，說明濃稀硝酸都有非常強的氧化性，可知拋光液中溶解凹凸不平銅的是硝酸。

乙：根據(jù)劇烈程度可知，濃HNO3的氧化性強于稀HNO3。

丙：兩個反應(yīng)的產(chǎn)物不同，濃HNO3生成NO2、稀HNO3生成NO。

?。篊u（NO3）2溶液是藍(lán)色的，但是為什么Cu與濃HNO3反應(yīng)后生成Cu（NO3）2溶液呈現(xiàn)的是綠色呢？

【教師追問】同學(xué)們說得非常好，HNO3的濃度影響還原產(chǎn)物中氮元素的價態(tài)，HNO3越稀，還原產(chǎn)物中氮元素的價態(tài)越低。Cu與濃HNO3反應(yīng)后生成Cu（NO3）2溶液呈現(xiàn)的是綠色，同學(xué)們能提出猜想和驗證方法嗎？

【小組探究】小組設(shè)計探究銅與濃硝酸反應(yīng)后溶液呈綠色原因（表2）。

【板書】

Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

【提出問題3】書寫并結(jié)合硝酸與銅反應(yīng)的離子方程式，分析三酸拋光液中，再次分析稀硫酸起到的作用，如何設(shè)計實驗驗證呢？

【學(xué)生1】向含有稀Cu（NO3）2溶液中加入Cu片，沒有觀察到明顯現(xiàn)象，滴入稀H2SO4，觀察銅表面有氣泡生成，無色氣體遇空氣變?yōu)榧t棕色，說明有NO生成。

【學(xué)生2】這就說明了NO在酸性條件下，具有很強的氧化性，可繼續(xù)氧化金屬Cu，在HNO3中加入稀H2SO4可提高NO的利用率。

【總結(jié)】同學(xué)們說得非常好，稀硫酸提供H+，強酸性條件可以增強NO的氧化性，加入稀硫酸可增強NO的利用率。

設(shè)計意圖：通過實驗設(shè)計，收集證據(jù)，證明NO在酸性條件下具有強氧化性，提升學(xué)生科學(xué)探究意識。

【提出問題4】硝酸具有非常強的氧化性，是所有的金屬都能與硝酸反應(yīng)嗎？工業(yè)如何盛裝與運輸濃硝酸呢？

①工業(yè)硝酸盛裝于。②加熱條件下，鐵與濃硝酸反應(yīng)的化學(xué)方程式。

【板書】Fe、Al常溫遇到濃硝酸，鈍化

【學(xué)科故事】關(guān)于濃硝酸，還有一個愛國學(xué)科故事——丹麥物理學(xué)家玻爾用王水溶解諾貝爾金質(zhì)獎?wù)隆?/p>

玻爾（見圖7）是丹麥物理學(xué)家、諾貝爾獎?wù)芦@得者。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于德軍即將占領(lǐng)丹麥，玻爾被迫要離開自己的祖國。他堅信以后一定能返回祖國，決定把心愛的諾貝爾獎?wù)铝粝?。為了不使獎?wù)侣淙氲萝娛种?，他把獎?wù)氯芙庠谝环N溶液里，并存放在瓶子里。丹麥被德軍占領(lǐng)后，納粹分子闖進(jìn)玻爾家中，但是連獎?wù)碌挠白右矝]有發(fā)現(xiàn)。戰(zhàn)后，玻爾從溶液中提取出金，又重新鑄成了獎?wù)隆?/p>

【總結(jié)】玻爾是用什么溶液使金質(zhì)獎?wù)氯芙獾哪兀窟@種溶液就是王水。是濃硝酸和濃鹽酸體積比為1∶3的混合物。王水的氧化性比硝酸還要強，可以使金溶解。這位偉大的科學(xué)家不僅用他的知識和智慧保住了這枚金質(zhì)獎?wù)?，而且還極大地藐視了敵人。同學(xué)們要學(xué)習(xí)玻爾這種熱愛科研及熱愛祖國精神，為祖國的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

【板書】4.硝酸的用途

【提出問題5】硝酸是重要的化工原料，用于制化肥、農(nóng)藥、炸藥、染料、金屬鈍化、金屬拋光等。學(xué)完本節(jié)課，同學(xué)們思考三酸拋光液在處理銅制品過程中是否存在缺點呢？采取哪些措施可以避免？

【學(xué)生1】三酸拋光液可以使陳舊的銅制品煥然一新，但是在拋光過程中會生成污染空氣的有毒氣體。

【學(xué)生2】根據(jù)4NO+3O2+2H2O=4HNO3或4NO2+O2+2H2O=4HNO3反應(yīng)，工作過程中向溶液中通入氧氣，以氧化氮的氧化物，即可減少氮的氧化物污染，又可提高硝酸利用率。

【學(xué)生3】可以尋找一種物質(zhì)，在溶液中既能吸收氮的氧化物達(dá)到處理污染的目的，又不影響拋光液工作。

【總結(jié)】同學(xué)們說得非常好，學(xué)習(xí)本節(jié)課，我們大家都可以為金屬拋光工業(yè)建言獻(xiàn)策了。化學(xué)給我們生產(chǎn)生活帶來便利，同時也會存在一些問題，所以需要我們正確對待采用合理的方式運用化學(xué)知識助力生產(chǎn)生活，這樣，我們的生活才能更加美好！

設(shè)計意圖：增強環(huán)保意識，辯證看待問題，運用知識探討趨利避害的方法，增強社會責(zé)任感。

五、教學(xué)反思

情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)的本質(zhì)是學(xué)生參與真實的情境活動，與環(huán)境相互作用的過程，是形成實踐探究能力的過程。所以學(xué)習(xí)的核心是參與，在參與相互作用中，對知識建立合理的解釋和靈活的應(yīng)用。

1.以真實問題情境為主線貫穿課堂。情境化問題是師生開啟學(xué)習(xí)的切入點，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵點，是學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要契合點。本課時以三酸拋光液將銹跡斑斑的“原件”變成光亮的“新件”為情境，給學(xué)生以美的感受，深切體會到化學(xué)在生產(chǎn)生活中起到的重要作用。而拋光液中蘊含的一系列化學(xué)問題激發(fā)學(xué)生強烈的想了解硝酸的求知欲，解決每個問題都是學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的過程。

2.充分發(fā)揮實驗教學(xué)功能。實驗是解決化學(xué)問題的直接手段。通過建構(gòu)“提出問題—猜想假設(shè)—設(shè)計方案—收集證據(jù)—證明真?zhèn)巍斋@結(jié)論”的探究模型，在實踐活動中，充分利用實驗現(xiàn)象進(jìn)行評價，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究、證據(jù)推理、宏微結(jié)合學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]孫春姝.素養(yǎng)為本的化學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計——以《硝酸的強氧化性》為例[J].新教育，2020（8）：5-7.