从资源循环利用理念角度浅谈高中化学实验设计

张丽华

（福建省莆田哲理中学，福建莆田 351100）

引 言

高中化学实验教学中积极渗透资源循环利用理念是贯彻绿色化学的具体体现，教师应从整体上把握高中化学实验教学内容，认真分析教材中各实验所用的实验试剂及实验中生成的物质，将实验内容加以有机整合，最大限度地利用实验试剂、实验中生成的物质，实现资源的循环利用，以节约实验成本，给学生带来潜移默化的积极影响，使其养成良好的实验习惯[1]。

一、实验总体概述

硝酸分为浓硝酸与稀硝酸，其相关性质是高中化学的重要知识点。为使学生更好地掌握浓硝酸与稀硝酸化学性质的不同，教师可组织学生开展相关的化学实验。其中浓硝酸和铜金属反应会生成NO2，溶质为Cu(NO3)2，而稀硝酸和铜金属反应则会生成NO，溶质为Cu(NO3)2。NO2、NO都具有毒性，不能直接排放，因此，教师在设计实验时应注重这两种物质的回收和重复利用。另外，在进行实验的过程中，教师应注重将装置中的O2排净，此时可考虑使用能够产生CO2的试剂。

NO2是一种红棕色气体，而N2O4为无色气体。受温度影响NO2和N2O4之间可相互转化，因此，在进行化学平衡移动教学时，教师可通过做相关的实验，带领学生观察颜色的变化，帮助学生理解温度对化学平衡的影响。

NO2能和H2O发生反应生成硝酸和NO，该过程实现了NO2的回收，生成的硝酸可重新利用。另外，NO可和O2反应生成NO2，从而能和水反应生成硝酸。

综上，教学中为实现资源循环利用需要进行五个实验：（1）Cu和浓硝酸反应的实验；（2）Cu和稀硝酸反应的实验；（3）NO2和N2O4相互转化的实验；（4）NO2和H2O反应制取硝酸的实验；（5）NO和O2、H2O反应制取硝酸的实验。

二、实验目的及原理分析

（一）实验目的

实验（1）和实验（2）可使学生更好地理解浓硝酸的氧化性及浓、稀硝酸产物的不同；实验（3）通过颜色的变化使学生直观地感受到温度对吸、放热反应平衡移动的影响；实验（4）和实验（5）回收实验（1）和实验（2）中产生的NO和NO2，将其转化成硝酸，这在避免污染空气的同时，实现了资源的循环利用。

（二）实验原理

实验（1）依据的实验原理为：Cu+4HNO3（浓）=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O；实验（2）依据的实验原理为：3Cu+8HNO3（稀）=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O；另外，为排净装置中残留的空气，可用稀硝酸和Na2CO3（或NaHCO3）反应生成的CO2排出残留的空气；实验（3）依据的原理为NO2（g）N2O4（g），ΔH＜0，温度升高，平衡逆向移动，气体颜色变深，降低温度平衡正向移动，气体颜色变浅；实验（4）依据的原理为：3NO2+H2O=2HNO3+NO、2NO+O2=2NO2，两个方程式联立得到：4NO2+O2+2H2O=4HNO3；实验（5）依据的原理为：2NO+O2=2NO2、3NO2+H2O=2HNO3+NO，两个方程式联立得到：4NO+3O2+2H2O=4HNO3，从中可以发现只要将NO2、NO和O2的比例控制得当，能够完全反应，就可全部转化为硝酸。

三、实验的具体实施与效果

（一）实验（1）和实验（2）的实施与控制

对于实验（1）和实验（2）在教材中有相关的实验，教师在教学时可在教材实验的基础上进行适当的改进。教师可给学生提供如下实验器材和试剂：分液漏斗、止水夹、烧杯、大试管、插管、气囊等，浓硝酸、稀硝酸、铜片、Na2CO3粉末等。课堂上给学生预留一定的思考时间，使其依据实验原理自行组装实验装置进行实验，并给予学生一定的指导，确保实验科学、合理，尤其要设计相关问题，要求学生在做实验的过程中进行记录，更好地加深其印象[2]。

最终，学生经过思考、讨论，在教材实验装置的基础上使用导管在右侧连接带旋塞的试管，并在试管中装入适量的Na2CO3，而后通过控制止水夹，并打开分液漏斗，稀硝酸和Na2CO3发生反应生成CO2，将整个实验装置中的空气排干净。接着，学生控制止水夹开始进行浓硝酸和铜片的反应，待完成反应后，继续打开和装入Na2CO3试管相连的止水夹，打开装入稀硝酸的分液漏斗制取CO2，将装置中的NO2排干净。

Na2CO3和稀硝酸反应的实验现象为，得出的结论为____；浓硝酸和铜片反应的实验现象为____，得出的结论为___；稀硝酸和铜片反应的实验现象为____，得出的结论为___；为了给做NO2和N2O4实验做好铺垫，学生需要收集NO2，并思考该如何收集NO2。

学生只要积极动手进行实验，并认真观察实验现象不难回答上述问题。Na2CO3和稀硝酸反应产生大量气泡，将其通入澄清石灰水中溶液变浑浊，表明实验中产生了CO2气体；浓硝酸和铜片反应装置中有红棕色气体产生，反应后的溶液颜色变绿，反应产生了NO2气体。稀硝酸和铜片反应时产生无色气体，溶液变为绿色，当打开气囊中的止水夹，将气囊中的空气挤入装置中，气体变为红棕色，表明实验产生了NO，且NO和空气中的O2反应生成了NO2。如要收集NO2气体，因其能和水发生反应，而且密度比空气密度大，因此适合使用向上排空气法收集。

（二）实验（3）的实施与控制

课堂上，教师可让学生使用收集的NO2，进行NO2和N2O4相互转化的实验。一些学生使用试管，通过向上排空气收集了一试管的NO2，并迅速将试管口塞紧，将试管分别置入盛有冷水、温水的烧杯中，观察试管中气体颜色的变化。而后，教师要求学生思考温度是如何影响化学平衡移动的。最终，学生认真回顾实验过程和实验现象，得出针对NO2（g）N2O4（g），ΔH＜0这一反应，温度升高化学平衡逆向移动，NO2物质的量增加，颜色变深，反之颜色变浅。

（三）实验（4）和实验（5）的实施与控制

运用实验（1）和实验（2）产生的NO2和NO还可通过洗耳球挤入空气，并将导管倒置于水槽中做实验（4）和实验（5）。实验中，学生发现装有NO的试管先变为红棕色，之后试管中的水上升，装入NO2的试管随着空气进入导管中，导管中的水面不断上升，最终充满试管，将石蕊试液滴入试管溶液中溶液变为红色，表明生成了酸。

（四）实验总体效果评估

高中化学教学中通过设计上述一系列实验，虽然消耗了硝酸，但整体上来看，实验不仅充分应用了实验中的产物，而且最终实验的产物又生成了硝酸，很好地体现了资源循环利用理念。同时，设计的实验使学生更好地掌握了浓、稀硝酸的性质，化学平衡，NO、NO2的性质等知识，取得了良好的授课效果。

结 语

在高中化学教学中，教师从资源循环利用理念的角度对硝酸及氮氧化物的有关内容进行了整合，并结合经验设计了一系列实验，给学生提供了动手操作的机会，鼓励学生积极思考相关设计问题，不仅加深了学生的印象，使学生更好地掌握了所学知识，而且给其带来了良好的启发，即在做化学实验时应养成良好习惯，注重资源循环利用，避免资源浪费。