第二节 氮及其化合物-教学设计 （表格式）

教学设计
课程基本信息
学科 化学 年级 高一 学期 春季
课题 氮及其化合物（第三课时）
教学目标
1. 通过化学中研究未知物质性质的思路：预测，实验，解释与结论的研究思路，探究了硝酸盐转化为氮气的过程，学习掌握浓硝酸和稀硝酸的性质。 2. 通过解决环境中的硝酸盐污染问题，感受到化学的力量，感受到自然与社会和谐发展的重要性。
教学内容
教学重点： 铜与浓硝酸的反应，铜与稀硝酸的反应 硝酸的性质 教学难点： 硝酸根离子的氧化性影响因素
教学过程
情境：在上面的课时中我们已经得到了氮气在自然固氮和人工固氮作用下的转化关系，最终得到的硝酸盐，自然界中的反硝化细菌会把其重新变回氮气，但是随人工固氮的发展，越来越多硝酸和硝酸盐产生，反硝化细菌无法把他们全部转化成氮气，自然的平衡聚被打破了，环境污染产生了，如酸雨，如富营氧化。那我们今天的任务来了：利用我们所学的化学知识，化学研究思路来 任务：探究硝酸盐如何转化为氮气？ 活动一：探究硝酸根离子的强氧化性 预测：NO3-转化为N2 讲解：硝酸根离子中氮的化合价为+5价，氮气中氮的化合价为0价，化合价要降低，加还原剂，那加什么还原剂，什么条件下硝酸根离子氧化性强？这是一个我们先需要解决的问题。 提示：我们刚刚学过硫酸根离子，硫酸根离子的氧化性强弱与其酸性环境和浓度有关，浓硫酸才是氧化性酸，那硝酸根离子是否也需要一定的浓度和酸性环境呢？为了验证这个预测，我们设计了浓硝酸与铜反应和稀硝酸和铜的反应。 实验：浓硝酸与铜的反应视频 解释与结论： 产生红棕色气体溶液迅速变绿色
在这个实验中，可以通过铜丝的抽动来控制反应进程，氢氧化钠是来吸收尾气，这个实验的实验现象主要是以下两个 讲解：红棕色气体：可见反应过程中产生了二氧化氮 问1：溶液变绿色是生成了什么呢？根据我们常规的理解，由于硝酸中氮的化合价降低了，铜化合价应该升高，但是含铜离子的溶液应该是蓝色的，那这个绿色是什么呢？ 信息提示： 久置的浓硝酸呈黄色，我们上面实验用到的浓硝酸为无色的。 4HNO3(浓) 4NO2 +2H2O+O2 问1：根据这个信息，请同学们思考为什么浓硝酸呈黄色？ 有同学认为是产生的二氧化氮以分子形式溶解在了硝酸溶液中，二氧化氮呈红棕色，所以使其溶液颜色呈黄色了。 问2：那刚才的溶液为什么呈绿色？ 有同学认为这是产生的二氧化氮以分子形式溶解在溶液中和铜盐溶液相互作用的结果。 因为根据颜色的搭配关系，我们也可以发现蓝色和黄色相加可以生产绿色。 资料： 讲解：这是发表在2020年化学教育期刊上的文章，在这里老师做了实验，在不同的铜盐溶液中通入二氧化氮气体，发现溶液真的变成了绿色。 问3：现在请同学们根据以上的情况写出反应方程式 Cu+4HNO3(浓) Cu(NO3)2+ 2H2O +2NO2 讲解：在这个方程式里，浓硝酸作为氧化剂，化合价降低，生成二氧化氮。但是4mol浓硝酸，真正发生还原反应的只有2mol,剩下的2mol起到酸性的作用。 问4：现在请同学们再把这个反应方程式改写成离子方程式？ 在这个离子方程式中我们发现，在酸性环境下，硝酸根离子具有强氧化性。Cu+4H++2NO3- Cu2++2NO2 + 2H2O 过渡：铜可以跟浓硝酸反应，那稀硝酸呢？ 实验：铜与稀硝酸的反应视频 解释与结论： 溶液慢慢变蓝色有无色气泡产生
讲解:从溶液颜色变化可见产生了铜离子 问5：那无色气体又是什么呢 有同学认为在这个反应中铜的化合价升高，那根据氧化还原反应规律，需有元素化合价降低，这里能下降的元素只有氢元素和氮元素，所以我们这里可以猜测的常见的三种无色气体是H2,NO,N2 问6：那到底是哪种气体呢？ 有同学认为可以在无色气体里通入氧气，如果颜色变成红棕色，则是NO 实验:把空气抽进针筒内 讲解：在这里我们发现无色气体变成了红棕色，可见是有一氧化氮的生成 问7：现在根据前面的这些实验现象，写出化学方程式 3Cu+8HNO3(稀) 3Cu(NO3)2 +4H2O+2NO 在这里面稀硝酸的中氮的化合价低，作为氧化剂，所以稀硝酸也是氧化性酸，但是8mol的稀硝酸只有2mol参与还原反应，剩下的6mol起到的是酸性的作用。 问8：现在请同学把它改写成离子方程式 3Cu+8H++2NO3- 3Cu2++2NO +4H2O 在这个离子方程式中，硝酸根离子的氧化性要在酸性环境下体现。 讲解：现在我们把前面的内容总结一下，通过两个实验，我们发现铜可以与浓硝酸反应，也可以跟稀硝酸反应，浓硝酸被还原生成二氧化氮，稀硝酸被还原生成一氧化氮，都体现了氧化性，是氧化性酸，那他们的氧化性谁强呢？ 有同学认为浓硝酸中氮的化合价从正五价变成正四价，降低一价，而稀硝酸中氮的化合价从正五价降低到正二价，降低三价，所以稀硝酸的氧化性应该比浓硝酸强。 而有的同学则认为氧化性强弱与其得到电子额难易程度有关，与其得到的电子多少无关，根据反应现象来看，铜与浓硝酸的反应比铜与稀硝酸的反应来的剧烈，所以浓硝酸的氧化性强。 讲解：一般而言，硝酸浓度越大，氧化性越强。 过渡：硝酸的强氧化性，还体现在哪些地方： 讲解：常温下浓硝酸会使Fe,Al钝化 浓硝酸，稀硝酸会与大部分金属反应，会与非金属单质反应，会与还原性物质反应。 过渡：硝酸根离子的氧化性会随着酸性环境和浓度而不同，他的还原产物也会随着温度和浓度等条件的改变而改变，会有HNO2，NO，NO2，N2O，N2，NH3，NH4+等 ，这些物质会造成二次污染那如何除去这些物质呢？ 活动二： 除去硝酸的还原产物 讲解： 根据NO，NO2，N2O中氮的化合价，我们要把高价态的氮转变成低价态的氮气，要加还原剂，而对于NH3，NH4+来说是要把低价态的氮转化成高价态的氮气，所以要加氧化剂。 有同学则认为可以在让NO，NO2，N2O和NH3，NH4+反应，从而产生氮气 问9：请同学试着写一下NO和NH3反应的方程式？ 过渡：我们现在终于把硝酸根离子最终转化成了氮气，现在我们来看看生活中是如何来处理这个污染的 走进生活 在生活中我们就是利用了刚才的反应原理来消除硝酸根离子，除此以外还有 但是这两种方法有缺点：第一种方法中用到了大量金属，金属会以金属泥的形式残留在河底，形成新的污染，而氮氧化合物则会造成二次污染，而第二种方法则是价格比较高。所以科学家们在寻求新的方法来除去硝酸根离子。比如通过生物脱单法，通过培养绿藻可以把硝酸根离子直接转变成植物蛋白，还可以培养类似于反硝化细菌的物质来让它转变成氮气。 总结：现在我们来总结一下，这节课我们通过化学的研究思路：预测，实验，解释与结论来探究如何把硝酸盐转化为氮气，得到了硝酸到氮气的转化关系图，也在理论上解决了硝酸根离子造成的环境污染问题 总结三个课时的内容，我们是通过学习书本中关于自然界中氮的循环图，得到了含氮物质自己的相互转化关系图，并制得了各种含氮的产品：如氨气做制冷剂，如铵盐做氮肥，如硝酸做炸药，做氮肥，做燃料等等。 通过学习自然界的物质转变，然后我们人为的去创造一些新物质，这是我们科学家一直在做的，2021年9.27号中科院的科学家宣布突破了二氧化碳人工合成淀粉的技术，这是人类的创造力，这是科技的力量。