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铜与稀硝酸反应实验设计案例分析
编辑/作者:黎民        发布时间:2011-03-08
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一、主题与背景
化学是一门以实验为基础的学科,如何在实验教学中发展学生的各种能力,已经成为当前课程改革的热门话题。为了有效地培养学生创新能力,在平时的教学中我钻研教材、及时挖掘教材中潜在的内容。如高二新教材《硝酸》中铜与稀硝酸反应演示实验的教学,是中学化学教材中用于说明稀硝酸强氧化性和稀硝酸的还原产物是NO气体的实验。在大学化学中学教学法课中我总是按课本装置做演示实验,结果观察到的是红棕色的气体,无法说明其还原产物为NO气体,但如果在课堂上完成那只能向同学解释,这是由于生成的NO遇空气生成NO2气体。但课后我总觉得牵强,虽然可以让学生知道了结果,但那是硬塞给学生,并没有说服力。课后我思考存在的几个问题:(1)无色NO不能在实验中体现;(2)产生的NO的量不容易控制,且易污染环境,损害师生身体健康。由于以上问题,如何设计一个既简单又环保的装置,一直是我在教学中的困扰,因此在第一次上《硝酸》一节时,我特别注意了这一实验的教学,并于2004年在高二(4)教学班中作了大胆尝试,效果明显,学生反映良好。
二、情境描述
讲课时我首先按课本装置做演示实验,很快出现了红棕色气体,经过一段时间后颜色逐渐变淡,最后变成了无色,打开塞子,试管口出现红棕色气体。其次我设计了几个问题:(1)请同学描述该实验现象。(2)红棕色的气体是什么?(3)铜与稀硝酸反应是否生成的是NO2?(4)NO2如何而来?(5)为什么颜色逐渐变淡?(6)打开塞子后,试管口为什么出现红棕色气体。通过问题设计学生不难得出结论。然后追问该实验装置有没有不妥之处?让学生进行讨论,学生很快说有,并说明存在的问题主要有以下两点:(1)造成空气污染;(2)无法证明还原产物是NO。我借机(在课前以课题小组形式布置)要求学生设计出更合理的实验装置,要求:(1)现象明显,既能得到无色气体又能看到无色NO气体遇O2变红的过程(2)能防止有毒NO2气体污染空气。(3)可以做到使反应随时发生,随时停止。这时每小组纷纷展示自己的实验改进方案。
改进方案一:用排水集气法吸收尾气,如图2;
改进方案二:用NaOH溶液吸收,利用铜丝升降,可有效地控制产生NO的量。如图5。
改进方案三:用气球吸收尾气,让装置在密封条件下制备,如图7,该方法是在“Y”型管中,两边分别放Cu片与稀HNO3,用时将仪器倾斜,让稀HNO3倒入Cu片一边使之反应。否则,将稀HNO3倒回。虽然此方法简单,但装置中的O2仍有存在。
改进方案四:先在试管中通N2将装置中的空气排。缓蠼型胂∠跛岬姆从。如装置1。
改进方案五:使反应在接近无氧的条件下进行,如图3、图6。
改进方案六:用红磷燃烧耗净锥形瓶中的氧气,以便确定生成的是NO气体;利用稀NaOH除去NO、NO2,保护了环境;利用气囊鼓气,有利于验证产生的气体为NO,也有助于NO转化为NO2,并进一步被NaOH溶液吸收,利用铜丝升降,可有效地控制产生NO的量。如图4
改进方案七:利用钠与水反应的装置,将矿泉水瓶挤压,装满稀硝酸,在塞子上拉一根铜丝,然后用针筒吸收生成的气体。使反应在接近无氧的条件下进行,如图8。
你的实验设计严密吗?请给各装置一个完整的评价。
评价一:改进方案一、二、三装置简单,但装置中仍有空气,尾气还是无法吸收完全,仍会污染空气。
评价二:改进方案四反应装置设计严密,且不会污染空气,缺点是装置复杂,操作繁琐且N2不易得到。
评价三:改进方案五实验操作方便、装置简单,缺点是空气污染的问题没有得到解决。
评价四:改进方案六装置中的空气和污染问题都已考虑,但装置相对还是比较复杂,而且由于红磷燃烧产生大量的白烟,会影响实验效果。相比改进方案七,装置简单、实验操作方便、效果明显、空气污染的问题也得到解决、而且所用装置材料来自于生活。通过师生共同讨论,最后大家一致认为装置8比较合理。
          
        图1                            图2                      图3
                                                  
                    图4                                   图5
                      
图6                        图7                 图8    
三、问题讨论
通过铜与稀硝酸这一实验改进的教学实践,使我深刻感悟到:
(1)教师在教学中不断改进教学方法,变传统封闭式教学为开放式教学,多给学生以主动权,更能开发学生智力,培养学生的创新能力。如铜与稀硝酸的实验改进,如果按传统的教学模式,结果只能抑制学生的思维,扼杀学生的创造力
   (2)实验探究中,要突现一个“放”字,一个“创”字,一个“新”字,即要增大教材内容的开放度,展开学生想象的翅膀,破旧创新,在学中创新。实验设计的分析、解决,教师不能限制太多,更不能包办,要让学生去“闯”、去“想”,创出不同于现成知识或方法的实际成果来,去体会个人智慧才能,有成就感,就会不断进取。
(3)教师要相信学生内在的潜能,不要过于求全责备,相信学生的潜力是无限的,学生的学习欲望是可以激发的;只要教师给学生提供施展才华的平台。如上述许多装置的提出真的是我们平时没有想到的。如图8,学生能够联想到用钠与水反应的实验装置来制取NO气体。
(4)同学们在教师的指导下,对NO引起环境污染问题的处理做了深入的研究,增强了学生的环保意识,整个课堂形成了一种以人为本关注人类生存环境,对知识进行积极主动探求的学习态度和方式。
(5)引导学生对铜与稀硝酸反应实验改进的方案设计和方案设计的展示交流,展示学生个性,不仅使学生体会学习的成就感,而且有助于学生发散思维及创新思维的养成。
         (6)通过该案例的实验也体现了教学相长的哲理。
(7)铜与稀硝酸反应的实验方案的设计是为了验证生成的是NO气体,所以若想使现象更明显,除了使用上述装置外,还可考虑稀硝酸的浓度及反应速率的快慢问题,这也是我们化学工作者今后所要研究的另一可行方向
四、诠释与研究
选择探究教学时应注意几点:
(1)探究的问题应和学生的心理和认识水平相符合。从学生的心理特点看,高二的学生对事物有强烈的好奇心和探究欲望,对老师的讲授敢于质疑,有自己的想法和主见。往往不满足于现有的,而更愿意自己去探究。并且具备了初步的探究能力。在思维发展的层次上,学生的形象思维已充分发展,抽象思维也正在迅速发展之中。实验探究是让学生在具体实验事实的基础上分析问题得出结论,符合学生的思维特点,有利于形象思维的基础上发展学生的抽象思维。
(2)探究问题时教师应加强对学生的指导。学生的抽象思维和探究能力毕竟还处于初级阶段,尚不成熟,这就决定了他们还不能成为完全独立思考,当学生的思考和探究遇到困难时,教师应随时关注并及时处理学生在探究过程中可能出现的问题,如:操作中的安全问题、操作的有序性问题、数据采集中出现的远离事实的情况、推理过程中的片面性、信息处理的不完整性等。及时给予启发、提示、点拨,以帮助学生顺利地开展实验探究活动。
创新设计作为学习化学的重要内容和方式,打破了传统的以教师为课堂“统治者”、学生只能被动接受的学习模式;有利于培养学生对化学的兴趣,增进学生对科学本质的理解,锻炼学生的科学探究能力,养成学生与人交流、分享、协作的习惯;打消学生对创造的神秘感,有利于学生创新意识的培养,优化创造思维品质。
但任何事情总是两面性的,这种教学也有其局限性。比如说:时间消耗过多,对教师的要求较高,若学生不积极思考,可基础太差,往往难以达到预期的教学效果等等。因此,前期的准备工作一定充分。



 
 
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