銅與硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張澤志，韓春亮

(河南教育學(xué)院應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)學(xué)科組，河南鄭州450046)

河南省普通高中新課程化學(xué)學(xué)科教學(xué)實(shí)施指導(dǎo)意見指出，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程離不開思維，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰響?yīng)包含實(shí)驗(yàn)中的思維，而不僅僅是動手操作.要重視通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生思維的敏捷性、靈活性、深刻性、獨(dú)創(chuàng)性和批判性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力.

中學(xué)化學(xué)教學(xué)中銅與硝酸反應(yīng)及二氧化氮的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是兩個重要演示實(shí)驗(yàn).按照教材上常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)時可能會造成有害氣體泄漏污染環(huán)境、生成的無色一氧化氮極易被反應(yīng)器中的空氣氧化成紅棕色二氧化氮而影響對一氧化氮顏色的觀察、不能連續(xù)性反應(yīng)等缺點(diǎn).為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)裝置簡單、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明顯、操作簡便，有利于培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念和創(chuàng)新科學(xué)思維［1－4］，筆者結(jié)合實(shí)際，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一些創(chuàng)新設(shè)計(jì).

1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

具塞玻璃管，具塞試管，玻璃注射器，帶導(dǎo)管的膠塞，乳膠管，滴管，燒杯，止水夾，等.

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品

銅絲，濃硝酸(67%)，蒸餾水，石蕊試液，稀氫氧化鈉溶液，冰水混合物，等.

2 實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象

2.1 銅與濃硝酸反應(yīng)及二氧化氮?dú)怏w的制備

將下端盤成圈狀的銅絲放入玻璃管底部，其上端穿過膠塞，按圖1組裝好儀器，并檢查裝置的氣密性.關(guān)閉止水夾b、c，打開止水夾a，通過注射器將試管中濃硝酸抽提進(jìn)入玻璃管底部，關(guān)閉止水夾a，此時銅與濃硝酸迅速反應(yīng)生成紅棕色的氣體NO2，發(fā)生的反應(yīng)為Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O.待NO2充滿玻璃管后，上提銅絲，反應(yīng)停止.

2.2 二氧化氮與四氧化二氮的可逆反應(yīng)

用浸冰水布條迅速包住玻璃管冷卻，可以觀察到管中紅棕色氣體(NO2)顏色逐漸變淡最后可至無色(N2O4)，發(fā)生的反應(yīng)為

移去布條，管中無色氣體顏色變深最后至紅棕色，反應(yīng)為

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment

2.3 二氧化氮的溶解及水反應(yīng)

擠壓膠頭滴管使水進(jìn)入玻璃管，紅棕色消失，反應(yīng)為3NO2+H2O=2HNO3+NO.打開止水夾a，石蕊試液噴入形成美麗的紅色噴泉.玻璃管內(nèi)剩有一定體積的無色氣體，不溶于水.用注射器向管內(nèi)注入空氣，發(fā)現(xiàn)無色氣體變紅，反應(yīng)為2NO+O2=2NO2，并迅速消失，管內(nèi)液面稍微上升.

2.4 銅與稀硝酸反應(yīng)及一氧化氮?dú)怏w的制備

通過止水夾c排凈玻璃管內(nèi)的溶液，取下膠頭滴管吸入蒸餾水后重新插入原孔.向試管中加入適量蒸餾水稀釋濃硝酸，關(guān)閉止水夾b，打開止水夾a、d，通過注射器將試管中稀硝酸抽提進(jìn)入玻璃管底部，關(guān)閉止水夾a，將銅絲放回玻璃管底部，此時銅絲上有無色氣體NO生成，發(fā)生反應(yīng)為3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+ 2NO↑+4H2O.反應(yīng)一段時間后，擠壓膠頭滴管讓水進(jìn)入玻璃管，打開止水夾b，未見石蕊試液噴入形成美麗的紅色噴泉，說明一氧化氮不溶于水.將空氣或氧氣由注射器注入玻璃管中，可以看到管內(nèi)氣體迅速由無色變?yōu)榧t棕色，發(fā)生反應(yīng)為2NO+O2=2NO2，并觀察到噴泉形成.

2.5 氫氧化鈉溶液吸收多余氣體

反應(yīng)完畢后，用注射器抽取氫氧化鈉溶液，注入玻璃管中，吸收多余氣體防止污染環(huán)境，發(fā)生反應(yīng)為

3 討論

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn):實(shí)驗(yàn)裝置簡單，在同一裝置中可連續(xù)做多個實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯直觀，能很好地觀察氮氧化物的顏色，對比性強(qiáng);實(shí)驗(yàn)過程在密閉裝置中進(jìn)行，氣體不易擴(kuò)散到空氣中，減少了環(huán)境污染，不會對實(shí)驗(yàn)人員及觀察者造成傷害;提高了藥品的利用率，并可以通過抽提銅絲控制反應(yīng).

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意問題:關(guān)于NO2與水反應(yīng)的問題探究.由于常規(guī)難以制得純凈的NO2，采用注射器抽提有利于排盡玻璃管中的空氣，從而收得較為純凈的NO2;用冰水冷卻玻璃管中紅棕色氣體(NO2)，顏色逐漸變淡最后可至無色(N2O4).由于N2O4的可逆分解，氣體顏色可能達(dá)不到無色而呈現(xiàn)淺色，冷卻效果可能會影響氣體顏色的深淺;石蕊試液通過的玻璃導(dǎo)管越細(xì)，形成紅色噴泉的現(xiàn)象就越明顯;玻璃管中液面最終上升的高度受收集氣體的溫度、室溫和雜質(zhì)成分的影響;實(shí)驗(yàn)若將玻璃管抽成真空有利于提高NO2的純度，但不便于實(shí)驗(yàn)操作，這些問題有待于進(jìn)一步探究.

［1］ 教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))［M］.北京:人民教育出版社，2003.

［2］ 黃健培.二氧化氮與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究［J］.化學(xué)教育，2005(S1):141－142.

［3］ 岳云華.二氧化氮與水的循環(huán)吸收反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2009，25(5):15－16.

［4］ 王榮.銅與濃、稀硝酸實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.新課程，2009(12):222.