运用“价—类二维”认知模型促进元素化合物的深度复习
——以高三一轮复习课“硝酸的制备”为例

林秀銮

（永安市第一中学，福建 永安 366000）

一、问题的提出

元素化合物知识是中学化学教学内容的重要组成部分，是学生学习化学概念原理及化学实验的基础，更是学生自主建构与发展化学基本观念的载体［1］。通过《必修1》的学习，学生已经储备了一些有关单质及化合物性质的知识。但是由于存储的知识是单个物质的孤立知识，当需要综合运用所学知识去解决复杂问题时，学生的拓展能力和迁移能力还比较薄弱。学生在学习元素化合物知识时如果没有掌握一个核心方法，当需要用化学知识去解决陌生问题时，很难形成一个系统的思维过程和方法［2］。“价—类二维图”串联了元素价态线与物质类别线，引导学生从价、类二维角度思考物质之间的转化。教师在引领学生构建“价—类二维图”的过程中，辅以工业生产等应用实例能够取得较好的教学效果［3］。

二、基于“价—类二维”认知模型的教学设计

（一）教学背景分析

氮及其化合物是高中化学的重要内容，通过《必修1》的学习，学生对氮的固定；铵盐、硝酸、氨气的性质；氨气的实验室制法；含氮物质对环境的影响等有了一定的认识。高三一轮复习如果按照原来的知识体系进行，很难激发学生的学习兴趣，也无法帮助学生从繁杂、琐碎的知识中提炼出本质性知识，优化重组物质间的转化关系，提升核心素养。本节课以自然界氮循环为切入点，通过建构“价—类二维”认知模型把氮循环中涉及的氮及其化合物知识进行归纳整理，提升对氮及其化合物相互转化的认识；以硝酸的制备为载体，理解实验室制法与工业生产中反应原理的选择、反应条件与装置的优化、物质与能量的综合利用、尾气处理等科学的思想与方法。

（二）教学过程设计

1.环节一：自然界氮循环，提炼认知模型

【回顾】自然界是一位神奇而伟大的“化学家”，在氮循环中（见图1）实现了无机化合物与有机化合物的完美转化。

图1 自然界中氮循环

【思考】分析自然界氮循环过程中涉及哪些含氮元素的物质？

【活动】在“价—类二维”图中对氮循环中的重要物 质（N2、NH3、NH3·H2O、NH4Cl、NO、NO2、HNO3、NaNO3）进行标注，并用箭号表示它们之间转化关系。

【归纳】氮元素“价—类二维”图如图2 所示。

图2 氮元素“价—类二维”图

设计意图：引导学生回忆氮循环，感受大自然的神奇与科学家的伟大。通过自主建构氮及其化合物的“价—类二维”认知模型，引导学生通过“价维”和“类维”分析含氮元素的单质及其化合物的性质和相互转化关系，促进元素观、分类观和转化观的建构。

2.环节二：合成路线设计，运用认知模型

【介绍】硝酸是一种重要的化工原料，产量仅次于硫酸。稀硝酸主要用于制造硝酸盐；浓硝酸在国防工业、制药、塑料、有色金属冶炼等方面应用广泛。

【活动】根据所学知识，分组讨论制备硝酸的方案。每组请一位代表汇报本组的方案。

【小结】设计方案：

（1）利用氧化还原反应制备硝酸，流程见图3。

图3 制备硝酸流程图

（2）利用复分解反应制备硝酸。

（3）利用电化学装置制备硝酸：以石墨为电极电解AgNO3或Cu（NO3）2溶液。

设计意图：通过设计制备硝酸的方案，让学生领悟到在物质转化过程中，如果元素的化合价没有发生变化，通常可以通过复分解反应实现；如果元素的化合价发生变化，可以通过氧化还原反应实现，从而提升学生运用“价—类二维”认知模型分析问题、解决问题的能力。

3.环节三：实验室制硝酸，培养化学实验观

【讨论】分析以上设计的合成路线，分组讨论实验室制备硝酸的方案。每组请一位代表汇报本组的方案，并阐述选择此方案的理由。

【小结】实验室制备硝酸的反应原理：

【思考】实验室用浓硫酸与硝酸钠固体加热反应制取少量硝酸。试回答：

（1）如图4 所示实验装置中，最好选用装置_____

图4 实验装置图

（填“A”或“B”）制取硝酸，简述你的理由。

（2）实验过程中，加热的方式是____

A.猛火加热 B.小火加热

（3）制得的硝酸应如何保存？

设计意图：通过讨论实验室制备硝酸方案、实验装置、加热方式、保存方法，建构物质制备实验方案设计的思维模型，培养“科学探究与创新意识”。

4.环节四：工业生产硝酸，渗透化学价值观

【活动】写出工业生产硝酸转化关系（NH3→NO→NO2→HNO3）中各步反应的化学方程式。

【小结】三步反应的化学方程式分别为：

【介绍】工业上制备硝酸的流程如图5 所示。

图5 工业上制备硝酸的流程

【思考】工业生产中产生的热量如何利用？

【介绍】热交换器工作原理，关注能量的综合利用。

【思考】流程中哪些措施可以提高硝酸的生产效率？

【小结】（1）逆流吸收、喷雾状水等措施增大气体与水的接触面积；（2）气体的循环利用提高原料利用率；（3）利用反应产生的热能对反应气体进行预热，加快反应速率。

设计意图：通过分析工业生产硝酸的流程，认识能量综合利用的重要性以及逆流原理、气体循环利用等在提高产率中的重要作用，体会化学在工业生产中的价值，培养学生“变化观念与平衡思想”的核心素养。

5.环节五：尾气处理方案，培养高阶思维

【思考】硝酸工业产生的NOx 尾气有哪些危害？

【小结】①酸雨②雾霾③光化学烟雾等。

【思考】硝酸工业中尾气如何处理？

【引导】思路一：变有毒物质为无毒物质；思路二：变废为宝。

【活动】在“价—类二维”图中寻找合适的路线实现尾气处理。

【小结】尾气处理方案见图6，其中方案①②把NOx 转化为对环境无污染的氮气；方案③④把NOx 转化为有用的副产品硝酸盐和亚硝酸盐。

图6 尾气处理方案

【介绍】NOx 尾气处理的方法：碱液吸收法、催化转化法、电解法等。

【活动】（1）硝酸工业产生的废气中含有较多的NO、NO2，可采用强碱溶液进行吸收，同时获得副产品NaNO3和NaNO2。

①写出NO2与NaOH 溶液反应生成NaNO3和NaNO2的化学方程式。

②写出等物质的量的NO、NO2与NaOH 溶液反应生成NaNO2的化学方程式。

③当混合气体中NO2、NO 的物质的量之比满足什么条件能被足量的烧碱溶液完全吸收？

（2）在催化剂、加热条件下，氮氧化物通过与氨气反应转化为无毒的N2，写出该条件下NO（或NO2）与NH3反应转化为N2的化学方程式。

（3）工业上电解NO 制备NH4NO3工作原理见图7。

图7 工业上电解NO 制备NH4NO3

①写出电解时阳极、阴极的电极反应式。

②为使电解产物全部转化为NH4NO3，需补充物质A 为_____，说明理由。

【讨论】氨氮废水主要来源于化肥、炼油、稀土、钢铁等工业。氨氮废水的排放是造成水体富营养化的主要因素。某化肥厂的氨氮废水中氮元素主要以NH4+和NH3·H2O 的形式存在，请你设想该废水的处理方案。

设计意图：运用“价—类二维”认知模型设计硝酸工业尾气处理方案，让学生了解NOx 对环境的影响，形成绿色化学的思想，促进化学价值观的形成。通过分析尾气、废水的处理等实际问题培养学生的高阶思维能力。

6.环节六：方法迁移应用，升华认知模型

【小结】“价—类二维”认知模型研究的对象是元素或物质，将具有相同核心元素的不同物质高度融合在“价—类二维”图上。通过“类维”明确物质所属的类别，再结合该类物质的通性预测物质的性质；分析该物质核心元素所属种类、在元素周期表中的位置等，根据同周期、同主族元素性质的相似性和递变性推测性质。“价维”关注的是元素的化合价，依据氧化还原反应的规律，判断该物质具有还原性或氧化性，根据物质转化过程中化合价的变化，推测所需试剂为还原剂或氧化剂。“价维”和“类维”是两条明线，“原理维”是一条暗线。“原理维”指从能量和平衡角度分析物质间变化的方向及程度，多种反应共存时由平衡常数与浓度商评估反应的竞争结果，学会控制和改变反应体系的条件，让反应朝着人类需要的方向进行。［4］

【思考】从S、Cl、C、Fe、Al 等5 种元素中任选一种作为核心元素绘制“价—类二维”图，并分析物质之间的转化关系。

设计意图：进一步理解“价—类二维”认知模型的内涵，形成基于“价—类二维”认知模型复习元素化合物的一般思路和方法，提升“模型认知”核心素养。

三、基于“价—类二维”认知模型的复习课教学思考

（一）化繁为简，实现思维可视化

含氮物质种类繁多，其中氮元素的化合价也有多种变化。如何把含氮元素的单质及其化合物的性质以及它们之间的转化关系直观、清晰、系统化地表示出来，“价—类二维”认知模型有效解决了这个问题。

教学中，教师让学生回顾自然界氮循环中涉及的物质以及相互间的转化，学生在这个过程中充分感受到氮及其化合物的丰富，但也有知识点比较散乱的感觉。当要求学生把这些物质在“价—类二维”图上进行标注，同学们发现每一种物质都能在图上找到恰当的位置，该位置就体现该物质独有的性质。根据类别的通性以及氧化还原反应规律，可以实现相互间转化。通过设计硝酸制备的流程图，让学生进一步感受到“价—类二维”认知模型在研究物质性质以及实现物质转化过程中的引导作用，使学生的认知思维可视化。通过自主建构，赋予原本静态、平面的“价—类二维”图丰富的内涵与科学的灵魂，有利于学生发展元素观、分类观、转化观。

（二）层层进阶，促进深度学习

“价—类二维”认知模型链接了元素化合物知识之间的关联，当聚焦到具体的物质或是真实的情境中，就可以运用“原理维”全面、深入、本质地认知物质以及相互间的转化，促进学生对元素化合物知识的深度学习。

对学生来说，实验室制备硝酸是一个完全陌生的情境。首先，需要考虑反应原理的选择。制备硝酸有多种方案，哪种方案最适合实验室制备硝酸？教师让学生分组讨论，并阐述理由。这个环节，学生充分认识到并不是每个方案都适合实验室制备硝酸，需要考虑实验室条件下原料来源、反应条件、实验操作等是否容易实现。接着，教师提供两种实验装置，引导学生讨论哪种装置更适合实验室制取硝酸。这个问题引发学生的热烈讨论。装置A 用分液漏斗添加浓硫酸，容易控制用量，进而控制反应速率；根据HNO3的密度比空气大，采用向上排空气法收集，但是硝酸容易从集气瓶口逸出；硝酸具有强腐蚀性，会腐蚀装置中橡胶塞（管）。装置B 采用曲颈甑作为发生装置，避免了硝酸对橡胶的腐蚀，生成的硝酸进入浸泡在冷水中的圆底烧瓶，减少挥发造成的环境污染与损失。通过对实验室制备硝酸的一系列问题进行深入探讨，实现思维进阶，有助于提升学生的实验设计能力与创新能力，培养学生正确的化学实验观。

（三）真实情境，引发高阶思维

高阶思维产生在较高认知程度上的心智活动，在教学目标中表现为分析、评价和创造三个维度，［5］高阶思维能力包括决策能力、问题求解能力、创新能力和批判性思维能力。［6］真实且富有价值的问题情境为形成和发展高阶思维提供重要的平台。

硝酸工业尾气处理有两条非常重要的思路：变废为宝或变有毒物质为无毒物质。从变废为宝的思路出发，根据NO2中氮元素显+4 价，可以转化为+5 价硝酸盐与+3 价亚硝酸盐；NO2与NO 可以通过氧化还原反应生成+3 价亚硝酸盐。从变有毒物质为无毒物质的思路出发，可以考虑加入合适的还原剂把NOx 转化为对环境无污染的N2。通过对工业上电解NO 制备NH4NO3的原理分析，开拓学生的视野，使之进一步感受化学学科的价值。设计废气处理方案的经验对于学生设计废水处理方案非常重要，不能简单地将工业尾气NOx 的转化途径复制到氨氮废水的处理中，但思维模型是一致的。学生再次通过“价—类二维”认知模型，推理、分析不同的转化途径，并对每一种途径进行评价，在这一系列学习活动中，发展了高阶思维能力。

高质量的元素化合物复习课应该帮助学生实现相关知识结构化、问题系统化、思维有序化。［7］“价—类二维”认知模型具有知识统摄性和思维引领性，教师可以引导学生根据物质的“价维”和“类维”对种类繁多的物质进行二维定位，从而实现知识的结构化与思维的有序化；接着聚焦某一具体物质，可以对该物质的性质、实验室制备、工业生产以及尾气处理等进行深入研究，积极开展建构学习、探究学习和问题解决学习模式，促进学习方式的转变，提升学科核心素养。