介绍和改造金属与硝酸反应产物的国外记忆模型
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摘要：金属与硝酸反应的产物会随着金属活泼性或硝酸浓度的不同而不同，学生在学习时非常困难。笔者介绍并改造了国外一种有关金属与硝酸反应产物的记忆模型，利用它可以很快地检索出金属与硝酸反应的五种不同的还原产物，特别地容易记忆和使用，以期对教师的教和学生的学提供一定的帮助。
关键词：高中化学；金属的活泼性；硝酸的浓度；记忆模型
【中图分类号】G633.8
在实际的化学教学过程中，对于金属与硝酸的反应一般采用四等式法，从图像的角度来认识或应用守恒法来判断金属与硝酸反应的产物[1-3]，学生理解起来有难度。本文介绍一个国外的手型记忆模型，使抽象的问题具体化、形象化，更有利于学生的识记和理解金属与硝酸反应的产物。
1 金属与硝酸的反应
金属与硝酸的反应是化学中一种常见的反应。而该反应产物主要与硝酸的浓度、金属的活泼性有关。一般情况下，浓硝酸与金属反应的还原产物主要是NO2；稀硝酸与不活泼金属反应的主要还原产物也是NO2；而稀硝酸与活泼金属反应的还原产物除了NO，还有N2O、N2；对于很稀的硝酸与活泼的金属反应主要的还原产物是氨气或者铵盐。
由于硝酸中氮的价态为+5价，易发生还原反应，价态降低，其还原的程序大致如图1所示。
+5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3
HNO3 NO2 N2O3 NO N2O N2 NH2OH N2H4 NH3
图1 硝酸中氮元素的价态变化
1.1 影响金属与硝酸反应的因素
硝酸是最重要的含氮酸，因为它既是一种强酸也是一种强氧化剂（HNO3中的氮元素最高价态显+5），并且硝酸能够溶解大多数金属[4]，金属与硝酸的氧化还原反应产物比用硫酸或者盐酸的更复杂，主要是因为硝酸的五个可能的还原产物中包括三个氮氧化物（NO2， NO， 和 N2O）、N2和NH4NO3。其中，硝酸还原的上述产物中代表氮的三种不同价态的氧化物，硝酸与金属发生氧化还原反应时氮元素所得到的电子数，即其中氮元素的价态降低程度，减少还原产物的种类；主要有两个因素决定：（1）金属的活泼性；（2）酸的浓度。金属的活泼性被认为是主要的因素，因为在整个反应过程中它并没有改变，而酸的浓度减少了[5-6]。
其实，不同的金属与硝酸反应，产物不同。例如，锌和硝酸之间的反应生成什么价态的还原产物取决于HNO3浓度。此外，大多数的反应会同时并以各种比例生成一些还原产物。唯一共同的趋势是：金属的活泼性越强和硝酸的浓度越稀，氮元素的价态降低的程度越大。显然，这往往会导致学生在氧化还原反应的练习中产生模棱两可现象，因为不清楚选择那个作为还原产物。因此，有必要设计一个方案来帮助学生来应对金属与硝酸的反应的化学方程式的书写问题。该提议的方案要满足以下三个要求：（1）能够清晰地表示以金属的活泼性和酸的浓度为影响因素的硝酸与金属反应的还原产物；（2）容易记忆；（3）容易使用。
1.2 决定金属与硝酸反应产物的两个因素的界限
（1）金属的活泼性
以金属的标准电极电位来划分金属的活泼性强弱。相对于与硝酸的反应，可将所有金属分成两组：活泼的和活泼性弱的。以镉（Cd2+/Cd）的标准电极电位为一个定值（?0.4030 V），金属的标准电极电位低于镉的是活泼的金属，而其余的（包括镉）被认为是活泼性较弱的金属。
（2）硝酸的浓度
通常，可将硝酸溶液分浓硝酸（最多16 mol/L或约70%），稀硝酸（3-6mol/L或10-30%）和非常稀硝酸（0.1-3 mol/L或小于10%）。在下面国外的记忆模型里，浓酸用“C”表示，稀酸用“d” 表示，非常稀酸用“vd”表示。
2 金属与硝酸反应产物的国外记忆模型
2.1 国外记忆模型的描述
使用记忆模型能够提高新信息的记忆和理解。现介绍一种国外金属与硝酸反应产物的记忆模型――左手模型[7]（拇指向下，如图2）。模型中的手指表示硝酸的还原产物，金属的活泼性与酸的浓度作为影响其产物的两个因素。
这种记忆模型对于每个手指来说有两个输入端和五个输出端，而且从左到右读出。上层的输入端对应于活泼性较弱的金属分别与浓、稀硝酸反应，该输出对应于硝酸的浓度，并且进行了相应的标记，因此表示为“Cd”。下层的输入端对应于活泼的金属分别与浓、稀、极稀硝酸反应。巧合的是，“C” 和 “d” 结合在一起的意义形成了化学元素镉的象征，使记忆“C”、 “d”、“C”、“d”、 “vd”的顺序更加容易。每一个输出端给出硝酸还原的适当价态产物，其顺序从顶部（小指）到底部（拇指）从+4到-3依次递减。需强调的是，更多的电子被获得，氮元素从+5可能降低到-3。此外，输出之间的角度与氮元素价态间的不同有轻微的联系（相比其余部分，“0”和“-3”之间的角度是相当大的）。所得到硝酸还原成适当价态的产物依次是：NO2、NO、N2O、N2和NH4NO3。
在这种记忆模型中，以选择镉的标准电极电位作为金属活泼性强弱的分界点，就像是符号中的字母可以用来提醒学生注意其相关的影响。
2.2 国外记忆模型的使用
给出一个完整的化学反应，学生应该首先应在标准电极电位表的帮助下与镉的标准电极电位进行比较来确定金属的活泼性。其次，酸的浓度。一个很好的例子是铜和浓硝酸的反应，铜的标准电极电位（Cu2+/Cu）为0.3419 V，大于镉的标准电极电位，因此它被认为是活泼性较弱的，并且记忆模型的上输入端被使用。一旦酸的浓度增大，“C”输出端被使用，其a生的为二氧化氮：
Cu （活泼性较弱的）+ 4HNO3 （浓）=Cu（NO3）2+ 2NO2+ 2H2O
同理，其他的例子如下：
3Hg（活泼性较弱） + 8HNO3（稀）=3Hg（NO3）2 +2NO+ 4H2O
4Mg（活泼的）+ 10HNO3（浓）=4Mg（NO3）2 +N2O+5H2O
5Fe （活泼的） + 12HNO3（稀） =5Fe（NO3）2+ N2+ 6H2O
8Al （活泼的）+ 30HNO3（非常稀） =8Al（NO3）3 + 3NH4NO3+9H2O
2.3 外记忆模型的优势与限制
国外的记忆模型成功地适用于大多数的金属和硝酸之间的共同反应，学生使用起来简单而又快捷，发现特别容易记住。在考试过程中，学生可以观察自己的左手和数到合适的价态。但是，该模型主要受两个因素的限制：影响硝酸的还原产物（金属的活泼性和酸的浓度），没有把温度以及在少数情况下释放的H2（氢气）考虑在内，而且它只表示了当时的还原产物，也具有一定的限制。
3 总结
金属与硝酸发生反应，由于其还原产物较为复杂，学生不容易记忆，一旦涉及到此类的问题，会给学生的化学学习带来一定的困难。为此，我们将这种国外记忆模型进行了改造，利用它可以很快地检索出五种不同的产物，其中整数代表在所得还原产物中氮的化合价，特别地容易记忆和使用，如图3所示。
学生在做金属与硝酸反应产物分析的有关练习时，可以借助于自己的手掌来跨越此难点，不仅能够使学生轻松解决问题还可以激发学生的学习兴趣，使其更加乐学。
参考文献：
[1] 李绪福.应用守恒法判断金属与硝酸反应产物[J].科教文汇（下旬刊），2008，10：274.
[2] 王永森. 从图像角度认识金属与硝酸的反应[J]. 中学理科，2005（9）：39-41.
[3] 张万霞. 硝酸与金属反应面面观[J]. 理科考试研究，2015（15）：64.
[4] Miles， D. T. Run-D.M.C.： A Mnemonic Aid for Explaining Mass Transfer in Electrochemical Systems[J].Chem. Educ. 2013， 90 （12），1649?1653.
[5] 吴翠琢. 硝酸与金属反应的产物分析[J]. 教育教学论坛，2014（12）：243.
[6] 韩勇钢. 浅析金属与硝酸反应计算题的思维模型构建和解题思想的突破[J]. 理科考试研究，2014（15）：87.
[7] Kurushkin， Mikhail. Writing reactions of metals with nitric acid： a mnemonic device for introductory chemistry students [J]. Journal of Chemical Education. 2015，92（6），1125-1126