濃、稀硝酸與銅反應(yīng)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

董軍

摘要：將濃、稀硝酸與銅反應(yīng)、氮氧化物的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)整合在一套密封裝置中分別連續(xù)進(jìn)行，觀察濃、稀硝酸與銅反應(yīng)的相對快慢與產(chǎn)物種類、氮氧化物相互轉(zhuǎn)化和氮氧化物轉(zhuǎn)化為硝酸的多個(gè)定性及定量實(shí)驗(yàn)，并用常用儀器搭建裝置，實(shí)現(xiàn)了裝置簡單、操作易行、現(xiàn)象鮮明、定性定量、綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)初衷。

關(guān)鍵詞：硝酸與銅反應(yīng)；氮氧化物；相互轉(zhuǎn)化；定性定量；綠色環(huán)保

文章編號：1005–6629（2017）1–0061–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 加強(qiáng)與改進(jìn)硝酸及氮氧化物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的必要性

硝酸是工業(yè)常見、常用的三大強(qiáng)酸之一，濃、稀硝酸與銅的反應(yīng)，其產(chǎn)物二氧化氮、一氧化氮的性質(zhì)及它們之間的轉(zhuǎn)化，是中學(xué)化學(xué)的重要內(nèi)容。但由于硝酸的腐蝕性及反應(yīng)產(chǎn)生有毒氣體，很多學(xué)校不做該實(shí)驗(yàn)，因此化學(xué)教學(xué)的特色沒有突顯，學(xué)生對硝酸氮氧化物的性質(zhì)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理解不深，實(shí)驗(yàn)技能得不到訓(xùn)練，教學(xué)質(zhì)量受到影響，甚至使學(xué)生產(chǎn)生“化學(xué)就是腐蝕和污染”的錯(cuò)誤認(rèn)識而有恐懼感，把化學(xué)僅當(dāng)成上大學(xué)的鋪路石。

如何做到既能提高實(shí)驗(yàn)的開出率，又能保證安全不讓學(xué)生受到傷害，還能豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、整合基礎(chǔ)知識、體現(xiàn)綠色化學(xué)、提高實(shí)驗(yàn)的效率和價(jià)值，一直是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中重要的研究內(nèi)容?，F(xiàn)把筆者經(jīng)過多年研究的濃、稀硝酸與銅反應(yīng)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)匯總?cè)缦隆?/p>

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

利用濃、稀硝酸與銅的反應(yīng)，分析比較濃、稀硝酸氧化性的相對強(qiáng)弱及產(chǎn)物種類、氮氧化物之間的相互轉(zhuǎn)化，利用氮氧化物與水反應(yīng)產(chǎn)生硝酸的性質(zhì)，把反應(yīng)產(chǎn)生的氮氧化物不排放、定量控制、循環(huán)轉(zhuǎn)化，最后轉(zhuǎn)化成硝酸，從而實(shí)現(xiàn)既有多重實(shí)驗(yàn)多種物質(zhì)的性質(zhì)試驗(yàn)，又能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理、引發(fā)學(xué)生興趣、增強(qiáng)綠色化學(xué)意識、鍛煉實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

3 儀器裝置

儀器：150mL廣口瓶、200mL燒杯、250mL分液漏斗、150mL注射器；橡皮塞、玻璃管、膠管夾、鐵架臺（附鐵圈）和橡膠管等

裝置：用上述儀器組裝成如圖1所示的硝酸及氮氧化物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置

4 反應(yīng)原理

（1）濃硝酸與銅的反應(yīng)：

Cu+4HNO3=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

（2）稀硝酸與銅的反應(yīng)：

3Cu+8HNO3=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

（3）氮氧化物的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化：

3NO2+H2O=2HNO3+NO，2NO+O2=2NO2

（4）利用反應(yīng)自身產(chǎn)生的氣體，把酸液由廣口瓶自動(dòng)轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，實(shí)現(xiàn)收集純凈氣體的目的。

5 實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象和解釋

實(shí)驗(yàn)1 濃硝酸與銅的反應(yīng)

（2）一氧化氮與氧氣的反應(yīng)

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過本實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

6.1 關(guān)于硝酸與銅的反應(yīng)

（1）濃硝酸與銅迅速反應(yīng)生成紅棕色的二氧化氮?dú)怏w：Cu+4HNO3=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

（2）稀硝酸與銅反應(yīng)生成無色的一氧化氮?dú)怏w：3Cu+8HNO3=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

（3）濃硝酸與銅反應(yīng)劇烈，而稀硝酸與銅反應(yīng)則相對平緩。

（4）濃、稀硝酸與銅的反應(yīng)都放熱，但濃硝酸的反應(yīng)放熱劇烈并較多。

6.2 二氧化氮和一氧化氮的性質(zhì)

（1）二氧化氮是紅棕色氣體，易與水反應(yīng)生成硝酸和一氧化氮：3NO2+H2O=2HNO3+NO

（2）一氧化氮是無色氣體，不溶于水，但能與氧氣反應(yīng)生成二氧化氮：2NO+O2=2NO2

（3）一氧化氮在與氧氣以4：3體積比混合時(shí)，能與水完全化合生成硝酸：4NO +3O2+2H2O=4HNO3

7 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

7.1 儀器常用，裝置簡單

本實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室中最簡單的儀器（廣口瓶、燒杯、分液漏斗和注射器等）和常見的組裝形式，能適應(yīng)各學(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件，便于師生進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。

7.2 操作簡單，現(xiàn)象鮮明

實(shí)驗(yàn)全過程除使用注射器之外就是開、關(guān)活塞和膠管夾，由于該實(shí)驗(yàn)中的各反應(yīng)都較快，氣體顏色差別明顯且轉(zhuǎn)化迅速，并且酸液排出與回流較快，使該實(shí)驗(yàn)效率高且現(xiàn)象明顯。

7.3 安全環(huán)保，易于推廣

由于硝酸和氣體都在密閉的儀器中，沒有物質(zhì)外泄，并且儀器、裝置簡單，無外加反應(yīng)條件等，使該實(shí)驗(yàn)有很高的安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性和可操作性。

7.4 構(gòu)思巧妙，立意高端

本實(shí)驗(yàn)整合了裝置的氣密性檢查，濃、稀硝酸分別與銅的反應(yīng)，濃、稀硝酸與銅反應(yīng)的熱量變化，二氧化氮和一氧化氮的水溶性實(shí)驗(yàn)，一氧化氮被氧氣氧化，二氧化氮、混有氧氣的一氧化氮分別與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)等等，多個(gè)定性和定量的實(shí)驗(yàn)集于一個(gè)裝置中，儀器、裝置利用率和實(shí)驗(yàn)效率非常高。

本實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了不同濃度的硝酸跟銅的反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物及現(xiàn)象變化快慢很容易進(jìn)行對比；氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化，最后全部轉(zhuǎn)化為硝酸，并且進(jìn)行了定量分析和定量實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了無物質(zhì)、無“三廢”排放，原子利用率百分之百，既安全環(huán)保，又模擬了工業(yè)生產(chǎn)硝酸的重要環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)了化學(xué)知識的價(jià)值，對學(xué)生的定量意識、定性與定量相結(jié)合的認(rèn)識、環(huán)保意識和綠色化學(xué)思想的建立起到了很好的作用。

8 注意事項(xiàng)

8.1 保障實(shí)驗(yàn)安全順利進(jìn)行的措施

（1）為保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合預(yù)期設(shè)計(jì)以及準(zhǔn)確體現(xiàn)二氧化氮、一氧化氮?dú)怏w在轉(zhuǎn)化過程中的體積關(guān)系，需要把兩個(gè)廣口瓶中的空氣全部排出，其方法和操作就是在甲瓶加注濃硝酸、乙瓶加注水以確保在塞好橡皮塞后瓶中基本沒有氣體。

（2）為保證在甲瓶中濃硝酸能夠全部排出，可預(yù)先在瓶底部筑一層石蠟，留下一個(gè)供導(dǎo)管排液的小坑（如圖1所示）。

（3）為了實(shí)驗(yàn)?zāi)馨丛O(shè)計(jì)進(jìn)行，確保實(shí)驗(yàn)安全，分液漏斗的容積一定要大于廣口瓶的容積。

（4）一氧化氮與氧氣的反應(yīng)，一定要用純凈的氧氣（事先收集于注射器中），不要用空氣替代，否則不會(huì)出現(xiàn)一氧化氮在與氧氣以4：3體積比混合時(shí)一氧化氮?dú)怏w被完全吸收的現(xiàn)象。

（5）注射器的使用：

①為方便實(shí)驗(yàn)，針頭在使用時(shí)要穿過橡皮塞，每次用完后不必拔出，但要伸入橡皮塞內(nèi)，保持裝置的氣密性，并避免與濃硝酸接觸被腐蝕。

②在不使用注射器時(shí)，其針頭底座要用橡皮帽或橡皮塞密封，以確保廣口瓶的密封狀態(tài)。在使用時(shí)一定要注意分液漏斗的活塞是否關(guān)閉。

③可直接用大號獸用注射器，依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求多次定量使用。也可用其充滿氧氣做氣源，在實(shí)驗(yàn)時(shí)供給其他小注射器。

8.2 保障稀硝酸能較快與銅反應(yīng)的措施

（1）所用濃硝酸的濃度要大（16 mol·L-1），這樣由它所形成的稀硝酸的濃度會(huì)大于4 mol·L-1，并且由于濃硝酸與銅反應(yīng)放熱使而后的稀硝酸的溫度較高，保障了稀硝酸能較快與銅反應(yīng)。

（2）必要時(shí)在廣口瓶乙和燒杯中使用溫水（如40℃，水溫不能太高，否則廣口瓶甲中會(huì)出現(xiàn)水霧現(xiàn)象）。

（3）對寒冷地區(qū)，把廣口瓶甲中的石蠟換用軟化點(diǎn)高的聚乙烯蠟（軟化點(diǎn)115℃），將廣口瓶甲置于水槽中，在而后進(jìn)行稀硝酸與銅的反應(yīng)前注入熱水。

8.3 充分利用稀硝酸與銅反應(yīng)的空檔

如果稀硝酸與銅反應(yīng)較慢，可以在此時(shí)間段內(nèi)讓學(xué)生完成前面的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并提出三個(gè)承上啟下的問題讓學(xué)生思考。如：

問題1：依據(jù)濃硝酸與銅反應(yīng)的現(xiàn)象，判斷濃硝酸具有什么性質(zhì)？這個(gè)實(shí)驗(yàn)還能反映出該反應(yīng)的什么性質(zhì)？

問題2：對比實(shí)驗(yàn)1中二氧化氮與一氧化氮的體積，寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。

問題3：如果充入氧氣，把二氧化氮和一氧化氮分別全部轉(zhuǎn)化為硝酸，請分別寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式，分析氣體的體積比。

9 結(jié)束語

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)的基本思想、實(shí)驗(yàn)原理和裝置設(shè)計(jì)，對其他如氯氣、硫酸、氨氣等有強(qiáng)腐蝕性、會(huì)產(chǎn)生有毒或有剌激性氣體的實(shí)驗(yàn)，都具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。只要教師肯動(dòng)腦，把握物質(zhì)的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，研究與改革實(shí)驗(yàn)，就必然會(huì)創(chuàng)作出更多更好的實(shí)驗(yàn)服務(wù)于教學(xué)。在整合學(xué)生的知識、開發(fā)學(xué)生的大腦、發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，充分認(rèn)識化學(xué)知識的作用和價(jià)值，進(jìn)一步提升學(xué)生的科學(xué)觀念和科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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