运用创新技法设计探究硝酸氧化性实验

王绪岩

摘要：化学实验是化学教学中一个非常重要的环节，对化学实验的改进与创新设计体现了教师和学生的智慧，对师生创新能力的提升作用很大。创新技法可以使创新过程少走弯路，为改进实验提供思考的方向，起到事半功倍的效果。在创新技法的指导下，运用组合技法和缺点列举技法，设计探究硝酸氧化性实验，取得较好的效果。

关键词：创新技法；组合技法；缺点列举技法；硝酸氧化性

文章编号：1005–6629（2016）12–0050–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

当代科学创始人默顿认为，人类创造发明也是有规律可循的，对同一研究目标常有许多人在同一跑道上竞争，而最先到达终点的天才，只是在发明过程中发挥更大的创造力，在运用创新方法上胜过了别人[1]。创新技法可以使创新过程少走弯路，为改进实验提供思考的方向，起到事半功倍的效果。

1 中学常用的实验创新技法

常用实验创新技法有组合技法、缺点列举技法、比较技法、替代技法等[2]。组合技法指将一些相关的化学实验按某种关联因素或特征进行新的组合，构成新的实验。如利用组合技法，将某种气体的制备与性质探究结合起来，一次完成全部实验。

缺点列举技法指通过发掘现有实验的缺陷，且一一列举出来，然后提出改进或革新的一种技法。如利用缺点列举技法，列举某种会产生倒吸装置的各种缺点，然后逐一改进缺点，设计出各种防倒吸的实验装置。

比较技法指通过控制反应条件，研究某一个因素对实验的影响。如利用比较技法，控制浓度、温度、催化剂等变量中的一个变量，研究外界因素对化学反应速率或平衡移动的影响。

替代技法指根据反应原理，用一些简单、易得的仪器替代一些复杂的仪器，取得同样的实验效果。如利用替代技法，在研究启普发生器特殊构造的基础上，设计各种启普发生器的替代装置。

有些化学实验由于受条件的限制，无法做到或做不成功，需要借助模拟实验来提供学生熟悉的生动的感性材料，从而达到揭示问题本质的目的。如利用模拟技法，用物理实验室中的高压静电放电装置，模拟闪电固氮过程。

逆向技法指改变一般思维程序，即把事物反过来看，见人之未见，思人之未思，并由此解决问题，产生新的思路。如证明水的组成常用电解水的方法，也可以逆向思考，从氢气在氧气中燃烧生成水来证明。

强化技法指在实验中强化关键部分，忽略次要部分。变看不见为看得见，变无声为有声，变无色为有色。通过外在的现象，找到内在变化的本质。如氢氧化钠和盐酸反应没有明显的现象，常用滴有酚酞的氢氧化钠溶液和盐酸反应，通过颜色变化证明二者发生了反应。

下面列举组合技法和缺点列举技法在探究硝酸氧化性的实验中的应用。

2 组合技法在探究浓、稀硝酸氧化性中的应用

将已有的化学实验按一些共同特征或功能进行合理组合，使其具有某种新的功能也是对原有化学实验的一种创新。利用组合技法，设计锌与浓、稀硝酸反应的实验。

2.1 一般做法

多数教师依照教材建议，选择较不活泼金属铜分别和浓、稀硝酸反应，来探究浓、稀硝酸的氧化性。若能反应，说明硝酸中+5价的N元素表现出强氧化性。这种直奔主题的做法凸显的是结论，缺少探究过程，不符合学生的认知习惯和学习心理。

2.2 创新思路

思考1：学生已知浓硫酸中+6价的硫元素表现强氧化性，稀硫酸中+1价的氢元素表现弱氧化性。学生从已有经验出发，会类比出硝酸的氧化性与硫酸的氧化性相似。锌既能被硝酸中+1价的氢元素氧化，也能被+5价的氮元素氧化，所以选择锌与硝酸反应比选择铜更合理，更有探究和思考的空间。

思考2：锌与浓硝酸反应时产生红棕色气体，现象明显。锌与稀硝酸反应时现象较复杂，刚开始出现红棕色气体，慢慢在液面上方气体颜色变浅，该气体是一氧化氮还是氢气无法说清楚，而且不易被碱液吸收。能否运用组合技法，将这两个反应进行有效组合？

（1）反应试剂组合

锌和浓、稀硝酸都能反应，且随着反应的进行浓硝酸逐渐变成稀硝酸；浓硝酸还原的产物能排走空气而不干扰稀硝酸的还原产物。考虑到这些相关因素，可用过量的锌和浓硝酸一组试剂代替锌和浓、稀硝酸两组试剂进行反应。

（2）气体吸收组合

浓硝酸生成的二氧化氮能被氫氧化钠溶液吸收，但稀硝酸生成的一氧化氮不能被氢氧化钠溶液单独吸收。过量的锌和浓硝酸反应，开始生成的二氧化氮和随后生成的一氧化氮组合起来，一起被氢氧化钠溶液吸收，收到一举两得的效果。

（3）实验装置组合

在反应试剂和气体吸收组合的基础上，可选择具支试管和双球干燥管这一套装置来完成锌与浓、稀硝酸的反应及尾气吸收实验。为了探究锌与稀硝酸反应的产物，需将无色气体与氧气接触，较简单的方法是通入氧气。再利用组合技法，将过氧化钠和水反应产生的氧气通入反应装置中，实现反应装置和产物验证装置的有效组合。

2.3 创新实验

（1）实验装置：如图1所示。

（2）实验过程

①接好装置，检查装置气密性。

②夹紧弹簧夹。

③向小试管中加入两药匙过氧化钠固体，滴管中吸满水。向大试管中加入四颗锌粒（确保金属锌过量），加入两滴管浓硝酸（2：1），快速塞紧双球干燥管。

可以看到反应较剧烈，产生大量的红棕色气体。2分钟后气体颜色明显变淡，4分钟后颜色较浅。此时将胶头滴管内的水加入小试管，打开弹簧夹，过氧化钠和水反应产生的氧气进入大试管，大试管内气体颜色立刻由浅变深，证明稀硝酸的还原产物为NO气体，而不是氢气。

（3）实验优点

①用实验室最常规的仪器组合一套实验装置，操作简单，对比明显。

②浓硝酸生成的NO2气体将装置内的空气赶走，便于观察到稀硝酸生成的NO气体。

③反应产生气体的颜色由深变浅再变深（通氧氣后）。反应现象不断变化，吸引学生去分析、推理、猜测、质疑，在思辨中获得新知。

3 缺点列举技法在探究铜与稀硝酸反应产物中的应用

缺点列举技法就是指通过发掘现有事物的缺陷，每发现一个缺点，找出一个问题，就找到一个创新发明的方法。利用缺点列举技法设计无氧条件下铜与稀硝酸反应的实验。

3.1 一般做法

在中学范围内创造无氧环境，可用以下几种方法：①液体排空气法②气体排气法③真空法④燃烧法。燃烧法操作较复杂；气体排空气法使用气体的量不易控制。这两种方法在实验中使用较少。液体排空气法较简单，运用较多。如用针筒做铜和稀硝酸的实验；或用U型管（一边低，一边高）做铜和稀硝酸的实验。前者实验中因针筒中预先放铜片，很难排尽空气，且针筒的气密性不高，实验效果并不理想。后者实验中的U型管要充满稀硝酸，硝酸用量太大，也存在不足。通过缺点列举技法明确了设计的方向：努力设计出易排尽空气，易密封，反应物用量较少，反应现象明显的反应装置。

3.2 创新思路

思考1：从易排空气的角度考虑，塑料袋比较容易做到[3]，且越薄的塑料袋排空气越容易。家用保鲜袋很薄最理想，但干燥的保鲜袋在折叠中也会存留极少量的空气，但加水润湿后保鲜袋就紧紧贴在一起，变成“真空状”了。

思考2：从密封的角度考虑，用线扎住保鲜袋操作并不简便。在家庭中为防止食品袋中的食物受潮，常使用塑料密封夹夹紧塑料袋，且塑料密封夹开启或闭合都比较容易。至此，思路一下子豁然开朗。

3.3 创新实验

（1）实验用品：一个保鲜袋、两个塑料密封夹、一个洗耳球、碎铜片、1：2稀硝酸。

（2）实验装置：如图2所示。

（3）实验操作：

①向保鲜袋中加入一些碎铜片，固定在保鲜袋的一个角上。

②向保鲜袋中加少量水，然后将水慢慢排净，利用水膜间的吸附力将袋中空气完全排净。

③向保鲜袋中加入4滴管稀硝酸，再排净空气，用塑料密封夹1夹紧保鲜袋下半部分，确保保鲜袋下半部分无氧气。

④用洗耳球向保鲜袋上半部分鼓入空气，使保鲜袋鼓起来，再用塑料密封夹2夹紧保鲜袋上半部分。

（4）实验现象

刚开始铜和稀硝酸反应较慢，可用水浴加热的方法，加快反应。2分钟后保鲜袋下半部分产生的无色气体将保鲜袋鼓起，此时快速打开塑料密封夹1，看到无色气体迅速变成红棕色。

（5）实验优点

①实验装置是厨房中常见的物品，使学生明白创新不神秘，生活中处处有学问，处处可创新。

②保鲜袋用水润湿后极易形成真空，塑料密封夹操作简单，密封效果好。保鲜袋又可水浴加热，可节约实验时间。

③实验现象非常明显，成功率高，实验后给学生留下深刻印象。

在实验的创新过程中，所使用的技法并不是单一的，往往是多种技法交融并串的综合应用。当前教育综合实践改革正在大力推进，要求每个学生都要开展研究性学习，逐步积累研究性学习的经历。在教学中渗透创新技法，在教师的创新示范和创新方法引导下，学生才会有信心、有目标去完成研究性学习，真正提高学生的学习潜能和综合素质，实现从知识到能力、从能力到品质、从品质到理想的教育追求。

参考资料：

[1]冯容士，陈燮荣.物理创造技法与实验研究[M].上海：上海教育出版社，1998：5.

[2]王祖浩，王程杰.中学化学创新实验[M].南宁：广西教育出版社，2007：247，258，261.

[3]陶杰，张腾.铜与浓、稀硝酸实验的改进[J].中学化学教学参考，2015，（1～2）：55.