銅與硝酸反應及NOx性質實驗的創(chuàng)新設計

甘肅省蘭州市教育科學研究所(730046) 吳正帥

甘肅省蘭州市第六十三中學(730060) 郝海龍

化學實驗在中學化學教學中占有很重要的地位，化學教學需要借助實驗來幫助學生加深對知識的理解。銅與硝酸反應實驗以及氮氧化物性質是高中化學教學的重要內容?，F(xiàn)行人教版必修教材設置了銅與硝酸反應的內容，但沒有設置銅與硝酸反應的實驗，而是設置了二氧化氮溶于水的實驗探究。在實際教學中，筆者認為有必要將銅與硝酸反應實驗及NOx性質實驗進行改進、設計、整合。將銅與硝酸反應、NO難溶于水的性質、NO與O2的反應、氮氧化物性質實驗、尾氣處理等內容集成于相對密閉的系統(tǒng)中進行。這樣一來,可以激發(fā)學生的學習興趣，突破教學難點，有利于知識的系統(tǒng)化建構，更好地落實課程理念，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實驗探究能力，凸顯化學實驗在落實化學科學素養(yǎng)方面的作用。

1 實驗藥品和儀器

硝酸、銅片或螺旋狀的銅絲、30%的氫氧化鈉溶液、U型管、球型干燥管、燒杯、洗氣瓶、止水夾、帶導管的三孔膠皮塞、帶導管的單孔膠皮塞、導管、橡皮管、洗耳球。

2 實驗裝置與實驗方法

(1)為了減少稀硝酸使用量，可在U型管中加入適量CCl4打底(CCl4容易回收)。將4.8 mol/ L稀硝酸加入U型管左端至其一半高度左右，右端加入少量蒸餾水，保證U型管一端下傾時，底部仍留有稀硝酸。將事先組裝好的帶有導管、止水夾②及夾有與U型管高度一半長的銅片或螺旋狀銅絲的膠塞塞于U型管左端；將帶有導管、止水夾①、不帶銅片或螺旋狀銅絲的膠塞塞于U型管右端。

(2)將小口端帶有乳膠管的球型干燥管大口端插入盛有30%氫氧化鈉溶液的燒杯中。使乳膠管的另一端與三孔洗氣瓶的左孔連接，并夾上止水夾④；三孔洗氣瓶的右孔上的導管與U型管左管連接；三孔洗氣瓶的中孔上的帶有乳膠管的導管夾上止水夾③。U型管可以置于燒杯中。實驗裝置圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

(3)向左重復傾斜U型管，排除左端管內空氣，可以看到銅片或螺旋狀銅絲與稀硝酸反應產生氣泡，此時可以打開U型管右端膠塞上的止水夾①，以調節(jié)導管中氣壓與外界氣壓平衡，否則，隨著氣體的產生會沖走膠塞，發(fā)生危險。

反應原理如下：

(4)隨著反應的繼續(xù)進行，U型管左端生成的無色一氧化氮氣體會聚集在U型管左端上部，并逐漸使銅片或銅絲與稀硝酸分開，此時可以觀察一氧化氮氣體的顏色為無色氣體。

(5)打開止水夾②，用洗耳球從止水夾①中緩慢鼓入空氣，U型管左端生成的無色一氧化氮氣體會經過止水夾②排入三孔洗氣瓶中，等排氣完畢后，重新夾上止水夾②，反應又開始發(fā)生。若要使反應停止，則夾好止水夾①，使U型管向右重復傾斜，則稀硝酸液流入右端，使銅片或螺旋狀銅絲與稀硝酸分離，反應即可停止。

(6)一氧化氮進入三孔洗氣瓶后，顏色變?yōu)榧t棕色，即生成了二氧化氮氣體。

反應原理如下：

若要排去三孔洗氣瓶中的氮氧化物，可以打開止水夾③和④，從止水夾③中以洗耳球鼓入空氣，則三孔洗氣瓶中的氮氧化物會經過止水夾④、干燥管被燒杯中氫氧化鈉溶液吸收。排氣結束后，夾上止水夾③和④，以便重復再用。

反應原理如下：

3 說明事項

(1)實驗時要保證裝置氣密性良好，不能漏氣。

(2)通過反復傾斜U型管，保證U型管左端空氣全部排出。

(3)硝酸濃度過大反應時會生成二氧化氮氣體，硝酸濃度過小反應速率較慢。通過實驗探究硝酸的物質的量濃度界限，得出硝酸的物質的量濃度界限為4.8 mol/ L。當硝酸的物質的量濃度大于4.8 mol/ L時，與銅反應就會產生紅棕色二氧化氮氣體，而當硝酸的物質的量濃度低于或等于4.8 mol/L時，與銅反應就會產生無色一氧化氮氣體。本實驗宜采用的硝酸濃度為4.8 mol/ L。

(4)使用洗耳球鼓氣時，應慢慢捏動，以防止稀硝酸壓入三孔洗氣瓶中，同時也避免了氮的氧化物被堿液吸收不徹底而溢于環(huán)境之中造成污染。

4 實驗優(yōu)點

(1)裝置簡單適用，可以隨時控制反應的發(fā)生和停止，且可以重復多次使用，實現(xiàn)了實驗的可控性，同時可以避免溶液的倒吸。

(2)實驗操作簡便，可操作性強，現(xiàn)象明顯，能明顯觀察到NO難溶于水且被空氣中的氧氣氧化生成NO2，實驗現(xiàn)象與理論吻合。同時實現(xiàn)實驗相對定性和定量的研究，以節(jié)約藥品。

(3)該實驗將銅與硝酸反應實驗、氮氧化物性質實驗、氮氧化物與水或氫氧化鈉溶液反應的實驗、尾氣處理操作進行了集成設計。在密閉系統(tǒng)中，連續(xù)完成了系列實驗，避免了NO、NO2等有害氣體擴散入環(huán)境中，對實驗者和環(huán)境無危害，體現(xiàn)了綠色化學的思想。

(4)實驗中采用的稀硝酸濃度為4.8 mol/ L，反應時間合理，實驗現(xiàn)象鮮明，教學效果明顯(反應50 s后開始產生大量無色氣泡，生成紅棕色氣體，反應5 min后，溶液呈現(xiàn)明顯的藍色)。

(5)實驗設計新穎，具有一定的趣味性，容易激發(fā)學生學習化學的興趣；實驗設計科學，容易培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。