銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的整合設(shè)計

楊香濤　阮方來

摘要： 對銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實驗裝置進行整合設(shè)計，采用新的實驗裝置可以實現(xiàn)實驗的有效控制，完成二氧化氮、一氧化氮氣體的制備和性質(zhì)檢驗，較好解決了殘留二氧化氮和一氧化氮氣體逸出所產(chǎn)生的污染問題，體現(xiàn)了對環(huán)境友好的設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞： 銅與濃、稀硝酸反應(yīng); 一氧化氮和二氧化氮; 環(huán)境友好實驗; 實驗整合設(shè)計

文章編號： 10056629（2019）10007003中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題提出

現(xiàn)行高中化學蘇教版必修教材《化學1》專題4第二單元第三節(jié)“硝酸的性質(zhì)”一節(jié)中，對硝酸的性質(zhì)進行了探究，并設(shè)計了如圖1所示的實驗裝置[1]，在利用該裝置探究濃、稀硝酸的性質(zhì)時，并不能證明集氣瓶內(nèi)收集到的無色氣體就是一氧化氮，同時裝置中殘留的氣體會逸出造成環(huán)境污染;該反應(yīng)由于使用銅片與濃、稀硝酸直接反應(yīng)，不便于控制反應(yīng)的發(fā)生和結(jié)束，浪費了藥品;另外教材第102頁“練習與實踐3”中利用如圖2所示的兩套裝置來探究銅與稀硝酸的反應(yīng)及一氧化氮氣體的相關(guān)性質(zhì)[2]，這兩套裝置同樣具有不便于控制反應(yīng)的發(fā)生和結(jié)束、浪費藥品及一氧化

氮和二氧化氮氣體逸出引發(fā)污染等問題。為此，我們在教材實驗的基礎(chǔ)上，對銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實驗進行了整合設(shè)計，較好地解決了上述問題。

2 設(shè)計思想

教材實驗雖然在同一裝置中完成了銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)，但沒有很好解決藥品用量、實驗操作、氮氧化物相關(guān)性質(zhì)的檢驗及環(huán)境污染等問題。為此，我們的實驗整合設(shè)計著重解決以下五個問題： 一是銅與濃、稀硝酸反應(yīng)裝置的可控性[3];二是實驗藥品用量的最小化;三是二氧化氮和一氧化氮氣體性質(zhì)的驗證;四是殘留二氧化氮和一氧化氮氣體引發(fā)的污染;五是實驗設(shè)計合理、安全無污染，體現(xiàn)了對環(huán)境友好的設(shè)計理念。

3 設(shè)計思路

根據(jù)銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實驗原理和所要解決的問題，形成實驗的設(shè)計思路如下：

（1） 用可抽動的銅絲代替銅片，便于控制反應(yīng)的發(fā)生與結(jié)束。

（2） 利用銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化氮氣體排出裝置內(nèi)的空氣。

（3） 通過具支試管和裝置下方集氣瓶內(nèi)生成氣體的顏色驗證二氧化氮氣體的生成。

（4） 利用裝置下方集氣瓶和燒杯中的氫氧化鈉溶液吸收二氧化氮氣體。

（5） 通過對K4的控制和裝置上方集氣瓶內(nèi)氣體顏色及液面的變化驗證一氧化氮氣體的生成、一氧化氮氣體與氧氣的反應(yīng)及二氧化氮氣體、氧氣與水的反應(yīng)。

（6） 整個反應(yīng)系統(tǒng)處于液封狀態(tài)，有利于氣體的檢驗和有毒氣體的吸收[4]。

5.4 實驗步驟及現(xiàn)象

5.4.1 銅與濃硝酸的反應(yīng)

（1） 按圖3所示連接好實驗裝置，檢查裝置的氣密性，并裝好試劑（其中向具支試管中加入2mL 15.0mol·L-1濃硝酸，向分液漏斗中加入5mL蒸餾水，向裝置下方的集氣瓶和燒杯中分別加入50mL 6.0mol·L-1氫氧化鈉溶液，向裝置上方的集氣瓶中加滿蒸餾水）。

（2） 先關(guān)閉K2、 K3、 K4，打開K1。

（3） 將銅絲插入到濃硝酸中，此時銅絲與濃硝酸立即反應(yīng)，觀察到銅絲表面有大量氣泡產(chǎn)生，具支試管中的溶液逐漸由無色變?yōu)榫G色，具支試管和裝置下方的集氣瓶內(nèi)充滿紅棕色氣體。

（4） 待觀察到上述現(xiàn)象后，將銅絲抽離濃硝酸，反應(yīng)立即停止。靜置，發(fā)現(xiàn)裝置下方集氣瓶內(nèi)氣體的紅棕色逐漸褪去，燒杯中有部分氫氧化鈉溶液倒吸入集氣瓶中。

5.4.2 銅與稀硝酸的反應(yīng)

（5） 打開分液漏斗活塞，向具支試管中加入5mL蒸餾水，迅速關(guān)閉分液漏斗活塞，靜置，一段時間后發(fā)現(xiàn)具支試管內(nèi)氣體由紅棕色逐漸變?yōu)闊o色，溶液由綠色變?yōu)樗{色。

（6） 關(guān)閉K1，打開K2、 K3。

（7） 將銅絲插入具支試管內(nèi)的稀硝酸中，觀察到銅絲表面有氣泡緩慢產(chǎn)生，液面上方氣體仍為無色，同時可以觀察到裝置上方的集氣瓶中液面下降，且液面上方氣體呈無色，當液面下降至圖示實線處，將銅絲抽離稀硝酸，關(guān)閉K2。

（8） 打開K4，吸入空氣一段時間，然后關(guān)閉K4。此時觀察到裝置上方的集氣瓶內(nèi)無色氣體逐漸變?yōu)榧t棕色，一段時間后，集氣瓶內(nèi)氣體顏色逐漸變淺直至無色，同時液面又逐漸上升。

5.5 實驗說明

（1） 用可抽拉銅絲代替銅片，便于控制反應(yīng)的發(fā)生與結(jié)束。

（2） 上述實驗第（3）步中，當銅絲與濃硝酸反應(yīng)后，具支試管中的溶液逐漸變成綠色，是由于反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化氮氣體部分溶解于濃硝酸中使溶液呈黃色，當與藍色的硝酸銅溶液混合后溶液便呈綠色。另外根據(jù)銅與濃硝酸反應(yīng)生成的氣體為紅棕色，可以證明反應(yīng)中生成的氣體為二氧化氮。當二氧化氮氣體接觸到裝置下方集氣瓶和燒杯中的氫氧化鈉溶液后會被吸收，發(fā)生反應(yīng)2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O，所以在第（4）步中可以觀察到氣體的紅棕色逐漸褪去，又由于集氣瓶內(nèi)的氣體壓強變小，所以燒杯中的氫氧化鈉溶液會倒吸入集氣瓶中。

（3） 第（5）步中，向具支試管中加入蒸餾水，不僅稀釋了具支試管中的濃硝酸，還與具支試管及溶液中的二氧化氮氣體反應(yīng)生成了一氧化氮氣體，發(fā)生反應(yīng)3NO2+H2O2HNO3+NO，所以一段時間后發(fā)現(xiàn)具支試管內(nèi)氣體由紅棕色逐漸變?yōu)闊o色，溶液由綠色變?yōu)樗{色。

（4） 第（8）步中，由于裝置上方的集氣瓶與外界相通，在重力的作用下，集氣瓶中的蒸餾水通過導管進入燒杯導致液面下降，同時由于集氣瓶內(nèi)氣體壓強減小，外界空氣會被吸進集氣瓶內(nèi)，所以集氣瓶內(nèi)的無色氣體又逐漸變?yōu)榧t棕色，發(fā)生反應(yīng)2NO+O22NO2，由此可以證明銅與稀硝酸反應(yīng)生成的無色氣體為一氧化氮。一段時間后，氣體顏色逐漸變淺直至無色，這是由于生成的二氧化氮氣體與吸入空氣中的氧氣溶于水生成硝酸，發(fā)生反應(yīng)4NO2+O2+2H2O4HNO3，同時由于上述反應(yīng)的發(fā)生使集氣瓶內(nèi)氣體的壓強減小，導致液面上升。

6 實驗總結(jié)

銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的整合設(shè)計，改進了教材中銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)實驗，整合了教材內(nèi)容與習題內(nèi)容中有關(guān)銅與稀硝酸的反應(yīng)，解決了二氧化氮和一氧化氮氣體的制備及部分性質(zhì)的檢驗、尾氣的處理等問題，實現(xiàn)了實驗的有效控制。

該實驗中所用的儀器均為實驗室中的常規(guī)儀器，組合簡單，操作方便，實驗現(xiàn)象明顯[5]，不僅減少了藥品的浪費，同時也避免了對環(huán)境的污染，增強了學生的環(huán)保意識和社會責任感。本實驗涉及的反應(yīng)原理較多，而且實驗設(shè)計中既有銅與濃、稀硝酸反應(yīng)及其產(chǎn)物的探究，又有一氧化氮和二氧化氮氣體部分性質(zhì)的實驗驗證，整套裝置始終處于液封狀態(tài)，實驗過程無污染物排出，有益環(huán)保。

參考文獻：

[1][2]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）（第6版）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2015： 100， 102～103.

[3][4]曹愛娟， 王建芬. 硫化氫燃燒實驗的新設(shè)計[J]. 化學教學， 2018， （9）： 72～74.

[5]王建芬. 鉀與水反應(yīng)實驗的新設(shè)計[J]. 化學教學， 2018， （8）： 63～65.