基于智能手機的銅和硝酸反應實驗過程可視化設計

劉江 趙寧東 劉俊 徐懷春

摘要： 以銅和濃（稀）硝酸反應為例，用醫(yī)用注射器、三通旋塞等對實驗進行微量化改進。通過智能手機拍攝結合希沃授課助手將實驗過程實時傳輸大屏幕，得到放大的畫面，有利于學生對實驗現(xiàn)象的觀察。改進后的實驗能完成銅與濃（稀）硝酸反應性質(zhì)的驗證，藥品用量少、現(xiàn)象明顯、材料易得，適合教師在演示實驗教學中使用。

關鍵詞： 銅與濃（稀）硝酸反應; 微量化演示實驗; 智能手機

文章編號： 10056629（2020）06007203? 中圖分類號： G633.8? 文獻標識碼： B

化學是實驗與理論并重的自然科學。在化學實驗教學中通過師生動手操作，認真觀察實驗現(xiàn)象，引導學生分析現(xiàn)象與本質(zhì)，促進學生掌握知識、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。在實驗教學中往往存在實驗裝置繁瑣、安裝時間長，且現(xiàn)象不明顯、實驗藥品用量多、廢棄物難以處理、有毒有害物質(zhì)直接排放、實驗成功率低等問題。

銅和濃（?。┫跛岱磻翘K教版高中《化學1》“硝酸的性質(zhì)”[1]中的重要內(nèi)容，教材中的實驗裝置是用具支試管與分液漏斗組合，將產(chǎn)生的氣體通入倒置于充滿水的集氣瓶中，觀察實驗現(xiàn)象。水槽較重，具支試管與分液漏斗的固定和操作不夠方便，更不能手持裝置走到學生中間讓學生近距離觀察，而在講臺上演示時會使部分學生看得不夠清楚;將產(chǎn)生的氣體通入倒置于充滿水的集氣瓶，容易使生成的有毒氣體直接排放到空氣中污染環(huán)境，且實驗試劑用量偏多。許多高中教師對銅和濃（?。┫跛岱磻膶嶒炦M行了很多研究和改進，但依然存在許多問題沒有解決[2，3]。本文用醫(yī)用注射器、醫(yī)用三通旋塞等，把銅和濃（稀）硝酸反應設計成微量化實驗，用手機拍攝并結合“希沃授課助手”以直播的形式將實驗現(xiàn)象實時傳輸?shù)酱笃聊唬娔X）上，學生通過大屏幕（電腦）觀察，解決了實驗試劑用量大，有毒、有害物質(zhì)逸散排放，實驗現(xiàn)象不易觀察等問題。該設計實驗裝置組裝簡單，易操作，能用于固液、液液、氣液等反應的實驗。

1 實驗

1.1 藥品和材料

濃硝酸（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、廢銅導線;鐵架臺（帶固定夾）、天平、輸液軟管、不同規(guī)格的注射器（1mL 1個，20mL 3個，150mL 1個）、醫(yī)用三通旋塞、智能手機、筆記本電腦（希沃授課一體機）、手機三角支架、VGA線

1.2 實驗裝置和操作

按圖1所示連接醫(yī)用三通旋塞。1號接口與裝有1g打磨過的廢銅導線容積為20mL的注射器相接，活塞與底部留0.5cm間隙（注射器編號與對應接口編號相同）;2號接口與裝有1mL濃硝酸容積為1mL的注射器相接;3號接口與容積為150mL的注射器相接，用于收集產(chǎn)生的氣體;4號接口與裝有水容積為20mL的注射器相接;5號口與輸液軟管相接，并將其插入4mol/L氫氧化鈉溶液中，如圖2所示。實驗時空氣和水的用量可按需旋轉(zhuǎn)各旋塞補加。

使用VGA線將筆記本電腦與投影儀視頻接口連接起來，并設置投影儀的信號源為電腦，選擇合適的電腦屏幕分辨率以便輸出的畫面達到最佳效果，有條件也可以直接使用“希沃授課一體機”，直接進入下一步操作。通過手機和電腦下載安裝最新版的“希沃授課助手”，將手機和筆記本電腦接入同一個無線局域網(wǎng)，或者電腦上運行“希沃授課助手”。點擊“啟動熱點”使筆記本電腦發(fā)射出一個WiFi信號，手機打開WLAN接入電腦發(fā)射出的WiFi，兩者連接建立數(shù)據(jù)通訊。將手機用手機三角支架固定在桌面上，運行手機上的“希沃授課助手”，點擊“移動展臺”菜單，選擇“直播”模式，點擊開始。調(diào)整清晰度、手機支架的高度以及與反應裝置間的距離至手機（電腦）屏幕出現(xiàn)清晰的畫面為止。

旋轉(zhuǎn)旋塞A使1號和2號接口相通，將1mL濃硝酸注入裝有銅絲的注射器，迅速旋轉(zhuǎn)旋塞A和B使1號和3號接口相通，用3號注射器收集反應產(chǎn)生的氣體。同時把2號注射器替換為裝有一定量的空氣的注射器，待反應進行約30s后旋轉(zhuǎn)旋塞B和C，使3號和4號接口相通，向3號注射器注入約5mL水，輕輕搖動裝置使注射器內(nèi)的氣體與水充分反應，觀察現(xiàn)象。注射器內(nèi)顏色變?yōu)闊o色時注入一定量空氣氧化NO2與水反應產(chǎn)生的NO氣體，重復注入空氣2～3次至注入空氣注射器內(nèi)顏色不再變化為止，確保NO全部氧化為NO2，且與水充分反應。調(diào)整活塞將3號注射器內(nèi)溶液注入1號注射器，進行驗證稀硝酸與銅反應的性質(zhì)實驗，用1號注射器收集產(chǎn)生的無色氣體。同時調(diào)整旋塞B和C將3號注射器內(nèi)剩余的氣體經(jīng)輸液軟管排出。約2min后旋轉(zhuǎn)旋塞A和B向3號注射器內(nèi)注入一定量的空氣，同時旋轉(zhuǎn)旋塞將1號注射器內(nèi)的氣體注入3號注射器觀察現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)相應的活塞重復NO2與水反應及注入空氣氧化NO的操作。做完實驗從5號口吸入4mol/L NaOH溶液吸收殘留的氮氧化物，未反應完的銅絲再次回收利用。

2 實驗結果及分析

該實驗涉及的相關反應為：

通過實驗觀察可得： 向裝有打磨過的廢銅導線的注射器注入濃硝酸，立即產(chǎn)生大量紅棕色的氣體（反應①），注射器活塞向外移動，隨著反應的進行，注射器活塞向外移動的速度變慢，同時溶液變成了綠色。向收集氣體的注射器注入少量水，輕輕搖動裝置可以觀察到： 收集氣體的注射器活塞緩慢向內(nèi)移動，注射器內(nèi)紅棕色漸漸變淺最后變成無色（反應③），說明NO2易與水反應;向注射器內(nèi)注入空氣后顏色又變?yōu)榧t棕色（反應④），反復注入空氣過程中顏色一次比一次淺，直至最后注入空氣無明顯變化，說明NO容易被空氣中的O2氧化為NO2。向1號注射器注入NO2與水反應的溶液，有無色的氣體產(chǎn)生（反應②），此時注射器活塞向外移動的速度相比銅與濃硝酸反應要慢得多，溶液為淺藍色;向裝有NO的注射器注入一定量的空氣后，無色氣體變?yōu)榧t棕色。

改進后的實驗裝置簡單，操作方便，更換試劑簡單，實現(xiàn)銅與濃（?。┫跛岱磻⒘繉嶒灥囊惑w化，在密閉體系內(nèi)完成NO2和NO氣體的制備及性質(zhì)的檢驗，可以對實驗進行有效控制。在實驗過程中，整套裝置始終處于密封狀態(tài)，實驗過程無有毒有害氣體排出，實驗現(xiàn)象非常明顯，便于觀察，成功率高，可在平行班級進行多次演示。通過“無線投屏”的方式，將實驗畫面放大，讓學生觀察到整個實驗過程及氣泡產(chǎn)生的速率，溶液顏色的變化等現(xiàn)象也清晰可見。

用這套裝置還可以制取NO2并驗證NO2和N2O4的平衡轉(zhuǎn)化受溫度、壓強的影響。學生可以觀察到NO2的制備過程，消除《化學反應原理》教材中雙鏈球中盛放的是否是NO2的疑問，并且證明了NO2和N2O4之間的平衡轉(zhuǎn)化確實受溫度、壓強的影響。

注意事項： 實驗前要弄清楚醫(yī)用三通旋塞的旋塞所在位置與接口的相通關系;用于收集氣體的注射器容積要大，必要時可以用手輕輕拉著3號注射器活塞向外移，避免1號注射器活塞因注射器內(nèi)壓強過大造成有毒氣體泄漏;實驗時濃硝酸量不能太多，銅絲須稍微過量。

3 結語

用注射器、醫(yī)用三通旋塞、輸液管等易得材料，只需通過簡單的調(diào)整組裝就能用于固液、液液、氣液等反應。如用稀鹽酸與大理石反應制取CO2，用一個較大的注射器收集，將CO2分別注入裝有噴灑過石蕊試劑未干燥小花、噴灑過石蕊試劑干燥的小花，以及滴有酚酞試劑的堿性溶液就可以完成CO2性質(zhì)的部分實驗，并且實驗室教師可以借助“希沃授課助手”以直播的形式展示實驗現(xiàn)象，也可以手持實驗裝置直接走到學生面前，讓學生近距離觀察現(xiàn)象;進行固液反應實驗時只需在裝有兩種試劑的注射器間連接一個合適的“過濾器”就可通過注入和吸出液體試劑，控制反應的開始與停止;也能用于電石與水反應制取乙炔實驗中，將乙炔氣體通入酸性高錳酸鉀溶液、溴的四氯化碳溶液可完成乙炔性質(zhì)的驗證;在密閉體系內(nèi)用濃鹽酸和高錳酸鉀反應制取少量氯氣并驗證氯氣的性質(zhì);也可以在課前制取所需的氣體收集在注射器內(nèi)，方便課堂上直接使用。

智能手機拍攝結合“希沃授課助手”投屏到大屏幕（電腦）放大的方法實現(xiàn)了“小器材、少試劑、大現(xiàn)象”的演示效果，還可以用于具有危險性的微量化學實驗的演示，如把手機與手機微距鏡頭簡單的組合，通過“投屏”放大的方式可以演示金屬鈉從切開后在空氣中表面的變化到與水反應過程的細節(jié)現(xiàn)象;也可以用于金屬鎂、鋅、鐵與鹽酸反應現(xiàn)象的觀察，這樣不僅能觀察到反應的劇烈程度（氣泡產(chǎn)生的速率），還能了解更為豐富、細致、直觀的信息。在化學實驗演示教學中合理地使用智能手機進行教學能解決一些實驗的安全問題，增強實驗效果，不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，調(diào)動學生的積極性，還能啟發(fā)學生作深入思考。在實踐中增強他們的安全意識，貫徹落實綠色化學的理念，逐步形成節(jié)約原料、節(jié)省能源、保護環(huán)境等觀念，樹立“科學態(tài)度與社會責任”意識。

參考文獻：

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

[2] 顏冬微， 吳雙桃， 劉藝等. 銅與濃、 稀硝酸反應的微量實驗設計[J]. 化學教學， 2017， （2）： 63～65.

[3] 王玉芬. 在注射器中進行銅和硝酸反應實驗[J]. 化學教學， 2013， （7）： 41～42.