基于真实情境的“硝酸与金属反应”教学设计

摘要

以奥运奖牌所用金属的工业提炼为情境素材，通过剖析工业流程与创新性的可控绿色实验，引导学生从氧化还原视角建构“性质—转化—生产”认知模型，并尝试运用该模型解决不活泼金属在特定条件下的反应难题，促使学生在感悟化学与生活的关联、理解其对生产的推动作用的同时，深入体会化学学科的社会价值。

Graphical abstract

关键词

硝酸 / 金属反应 / 真实情境 / 氧化性 / 还原性 / 核心素养 / 教学设计

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出，要重视开展“素养为本”的教学，倡导真实、具体的情境创设，以培养学生利用化学知识解决实际问题的能力^［1］。根据教学需要，选用贴近学生生活与社会实际的素材，创设真实而有价值的情境，帮助学生深化对化学思想的理解，以更广阔的视野认识化学的价值与作用，从而逐步形成学以致用的意识和解决问题的能力，提升化学学科核心素养。

1 内容分析

“硝酸与金属反应”一课选自人教版高中化学必修2第五章“化工生产中的重要非金属元素”第二节“氮及其化合物”。在课前，学生已经掌握了硫及其化合物、部分氮的化合物等相关知识。由于硝酸作为核心元素氮的重要化合物，通常是氮族元素中最后介绍的内容，学生尚未对其进行系统学习。这就要求在该课的教学中，教师在指导学生灵活运用旧知的基础上，更应该关注学生知识水平与能力水平的双提升。如何设计一节集实用性、科学性、前瞻性、趣味性于一体且更有价值的综合课堂，使素养提升价值得以最大化，的确值得我们思考。

2 教学设计

2.1 设计思路

无机物及其应用是化学学科的重要研究领域之一。其中，硝酸在实际化工生产中得到广泛应用。该课以奥运会奖牌所用金属的绿色提炼工艺为原型，结合工业流程创设真实情境，引导学生探究硝酸与不活泼金属的反应，以期有效提升其解决实际问题的能力。同时，利用注射器和三通阀对铜与浓（稀）硝酸实验进行可控化、绿色化改进，实现了反应的安全、无污染以及随时启停；学生在获得含氮化合物转化的确凿证据的同时，深刻体会到化学对社会发展的积极作用，实现了学科价值的落地^［2］。

2.2 教学目标

（1） 引导学生从类别和价态角度，依据氧化还原原理预测硝酸的性质及变化，并用符号表征，以此诊断学生的认知障碍，并发展其对非金属元素性质的认知水平。

（2） 通过创新实验的设计与探究，引导学生基于实验现象进行证据推理，加深对硝酸强氧化性本质的理解；通过诊断学生的科学探究水平，有针对性地发展其“科学探究与创新意识”核心素养，并在此过程中落实“科学态度与社会责任”的育人目标。

（3） 通过资料分析与信息提取，引导学生从增强还原性的角度实现硝酸与金的反应；在融会贯通运用知识的过程中，建构探究非金属元素化合物的一般思维模型。

（4） 通过了解硝酸的应用价值及其对环境的影响，引导学生搜集相关证据并参与社会性议题讨论，从而在形成合理利用自然资源、与环境和谐共处观念的过程中，落实“科学态度与社会责任”的素养目标。

2.3 教学流程

教学流程如图1所示。

3 教学过程

3.1 先探氧化性，了解酸溶过程

【引入】大家知道，2020年东京奥运会奖牌所用金属是如何提炼出来的吗？它竟然来自废旧电子产品。

【视频播放】展示从数万吨废旧手机和小型家电中，通过工业流程回收并最终提炼出金、银、铜单质的过程。该过程不仅高效回收了金、银、铜等稀缺资源，更体现了“变废为宝”的绿色化学理念与循环经济的社会价值。

【PPT展示】整个过程用到了以下试剂——硝酸、盐酸、锌等，提炼的第一步是将金属溶解。我们知道，盐酸和硝酸都属于酸，能电离出氢离子。但盐酸氧化性较弱，不能与金银铜这些不活泼金属反应，那硝酸呢？让我们跟着科学家的脚步一探究竟。

设计意图：摒弃了传统硝酸泄漏、环境污染等情境主线，从积极的方面认识硝酸的工业价值；以硝酸提炼金属作为主线贯穿始终，贴近学生生活的同时，激发学生的兴趣，以期诊断并发展其科学态度与社会责任。

任务1：从物质类别的角度推测硝酸的化学性质。

【学生活动】通过实验观察，引导学生归纳硝酸的物理性质，并据此推导出保存要求。

【教师】电子元件加入硝酸后，部分物质会发生溶解，请大家从物质类别的角度推测硝酸具有的化学性质。

【学生】归纳硝酸作为酸的通性的具体表现。

【提问】铜能被硝酸溶解，这是单一的氢离子将铜氧化吗？是单独的硝酸根作用吗？为什么硝酸的加入就能溶解铜呢？反应生成了什么物质？

【演示实验】实验装置见图2、图3，实验介绍如下。

（1） 铜与浓硝酸反应：①检查装置气密性。按图2所示搭建好装置，调节三通阀使a、b口联通，c口关闭，向外拉注射器a，一段时间后若回到原位置，则证明气密性良好。②反应。用注射器c吸取10 mL浓氢氧化钠溶液，向大试管中加入浓硝酸至液面高度约为2 cm，翻口塞中插入铜丝，套上翻口塞，调节三通阀使c口关闭，联通a、b口；向下插入铜丝使其略微与浓硝酸接触，反应剧烈发生。③气体收集及检验。注射器a中开始收集红棕色气体至50 mL刻度时，向外抽拉铜丝使其与液面分离，调节三通阀使其与3个口均不相通；将注射器a中红棕色气体通入硝酸铜溶液，用以进一步验证溶液变绿的原因。④尾气及废液处理。调节三通阀使b、c口相通，将注射器c中的浓氢氧化钠注入大试管中，振荡以使物质充分混合，直至试管中红棕色气体与废液完全被吸收为止，实验结束。

（2） 铜与稀硝酸反应：①检查装置气密性。按图3所示搭建好装置，用止水夹夹住橡皮管d，调节三通阀使a、b口联通，c口关闭，向外拉注射器a，一段时间后若回到原位置，则证明气密性良好。②排出装置内空气。打开止水夹，向大试管中加入稀硝酸至液面高度约为3 cm，翻口塞中插入下端为螺旋状的铜丝；调节三通阀使c、b口相通，c口中连接盛有50 mL二氧化碳的注射器，缓缓推动注射器活塞，将二氧化碳推入试管中，从而排出装置内原有的空气，最后用止水夹密封d口。③反应。调节三通阀使a、b口相通，插入铜丝使之与液面充分接触；当注射器a收集到5 mL气体时，向外抽拉铜丝使其与液面分离，调节三通阀使其与3个口均不相通。④气体检验与尾气吸收。首先进行气体检验：在c口连接装有氧气的注射器，调节三通阀使a、c口相通，将氧气缓慢推入装置，观察注射器a中气体的颜色变化。接着进行尾气吸收：将注射器c更换为装有浓氢氧化钠溶液的注射器，再将注射器a中的剩余气体缓慢推入注射器c的溶液中，直至气体被完全吸收。最后，为吸收可能残留于试管内的氮氧化物，调节三通阀使b、c口相通，将注射器c中的浓氢氧化钠溶液全部注入大试管中，充分振荡，待反应完全后，实验结束。

任务2：从价态变化的角度推测硝酸的化学性质。

【教师总结】浓、稀硝酸都能与不活泼的铜反应，这是因为NO₃^-遇到H⁺具有了强氧化性，所以可以通过增强酸的氧化性实现不活泼金属的溶解。硝酸的氧化性强弱与什么有关？根据价态变化和现象推测并总结实验。

【学生归纳】铜与稀硝酸反应缓慢，有少量无色气体产生，溶液变蓝，生成了铜离子，气体遇氧气变成红棕色，证明+5价N转化为NO气体；铜与浓硝酸反应剧烈，有大量气泡产生，气体呈红棕色，溶液变绿，证明常温下剧烈反应生成NO₂气体；根据得失电子守恒配平方程式。

【教师追问】与铜反应，稀硝酸的还原产物是NO，浓硝酸的还原产物是NO₂，能否根据降低价态的多少来判断硝酸氧化性的强弱？除了体现氧化性外，硝酸还有什么性质？为什么与浓硝酸反应溶液呈绿色，与稀硝酸反应溶液呈蓝色？如何验证你的猜想？

【小组1猜测】硝酸铜浓度较高，可以配制饱和硝酸铜溶液进行验证。

【小组2猜测】产生的NO₂会溶解，蓝色溶液与红棕色气体混合呈绿色。

【实验验证】将注射器中的NO₂通入硝酸铜溶液中，借此进一步验证溶液变绿的原因。

【练习】除了铜，还原性更弱的银也能被硝酸溶解，请大家类比书写银与浓、稀硝酸反应的化学方程式。

【教师总结】总结金属与浓、稀硝酸的反应规律。在金属活动性顺序中，位于氢（H）之前的活泼金属（如Mg、Zn、Fe等）能与稀硝酸反应；而浓硝酸的氧化性更强，反应范围可延伸至银（Ag）。但其中也存在特殊的钝化现象。让我们类比浓硫酸：铝槽车、铁槽车也可装运浓硝酸，这归因于常温下，Fe、Al遇极浓硝酸（>90%）会发生钝化，表面形成一层致密的氧化膜，阻止了内层金属与酸的进一步反应。但在稀硝酸或加热的浓硝酸条件下，这层钝化膜会被破坏，反应便能持续进行。

设计意图：在探讨与金属反应时，引导学生通过分析氢离子无法氧化不活泼金属的现象，推测硝酸根的存在赋予了硝酸强氧化性；借助实验建构金属与硝酸反应的认知模型。同时，创新性的实验设计既确保了NO转化为NO₂的颜色变化清晰可见，又实现了密闭操作与尾气、废液的有效吸收，充分体现了绿色化学理念。

3.2 再议还原性，认识溶金原理

任务3：从还原性角度认识溶金原理。

【教师】既然还原性比银还弱的金、铂连浓硝酸都无法氧化，那要怎样从电子元件中提取它们呢？科学家给出的回答是加入另一种试剂——浓盐酸。浓盐酸与浓硝酸按照体积比3∶1的方式加入，就可以将金溶解，我们称之为王水。王水是如何与金反应的呢？

【资料展示与动画模拟】Au+HNO₃+4HCl=H［AuCl₄］+NO↑+2H₂O，其中AuCl₄^-是一种难电离的络离子。该反应表明，浓盐酸提供的氯离子与Au³⁺结合，生成稳定络合物，促使不活泼的金溶于王水，体现了硝酸在酸性环境中的强氧化性。

【学生归纳】Au³⁺与氯离子结合形成了难电离物质，使金离子从Au表面脱离更容易，可以认为Au的还原性增强了，因此金单质就更容易被硝酸氧化了。所以，我们也可以通过增强金属还原性的方法，实现不活泼金属被氧化。

【教师】得到的含金溶液可以通过加入还原剂还原得到金单质，类似的我们也可以还原得到铜、银，真正实现了变废为宝（图4）。性质决定用途，总结硝酸的应用。

设计意图：利用动画模拟王水通过改变电极电势溶解金的实质，并将其转化为“增强反应物还原性”这一更易理解的分析视角。这不仅完善了氧化还原认知模型，也实现了从奖牌金属提炼到应用的认知闭环；让学生由性质联系用途，真切感受硝酸在化工生产中的重要价值。

3.3 拓展提升，成果汇总

任务4：从工业生产角度探究金属冶炼过程。

【教师】在利用硝酸浸提金属的过程中，需要考虑哪些关键因素？基于绿色化学理念，工业上如何处理污染气体？又该如何选择合适的硝酸浓度？请大家课后查阅资料，完成相关的分析调查报告。

设计意图：以任务驱动学生整合、优化学科知识，鼓励以小课题形式课后完成《硝酸冶炼金属分析及展望》学习报告；依托真实情境与学生兴趣，选取具有实际应用价值的主题，促进所学原理与实践的深度融合。这一过程不仅驱动学生开展深度探究，践行了核心素养导向的教学理念，更有效打破了知识间的隔阂，实现了知识的结构化重组与迁移应用。

4 教学反思

该节课精选社会热点素材，将其转化为课堂可实施的探究议题；通过具有挑战性的任务驱动，引导学生剖析工艺流程，激发深层思考与探究欲望，促使学生从“调控反应物氧化性/还原性”的视角，突破不活泼金属与硝酸反应的教学难点。同时，通过对实验装置的可控化、绿色化改进，在确保安全无污染及反应随时启停的同时，让学生获取了含氮化合物转化的确凿证据，充分体现了“做中学”的有效性，彰显了学生的主体地位。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版） ［S］.北京：人民教育出版社，2018.

[2] 李玉兰，何任元.铜与硝酸反应实验装置的一体化、绿色化改进［J］.实验教学与仪器，2024，41（09）：61-63.