“銅與稀硝酸反應(yīng)”一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李德前 魏海 張羿

摘要：對(duì)中學(xué)化學(xué)教科書(shū)上編排的“銅與稀硝酸反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，集一氧化氮的制取、氧化、二氧化氮溶于水、尾氣與廢液的處理等實(shí)驗(yàn)于一體。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置具有功能集成、反應(yīng)可控、現(xiàn)象直觀、過(guò)程環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。將此實(shí)驗(yàn)用于教學(xué)實(shí)踐對(duì)發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性具有重要作用。

關(guān)鍵詞：銅與稀硝酸反應(yīng); 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)一體化設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005-6629（2020）09-0070-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

針對(duì)銅與稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，不少化學(xué)教育工作者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。受已有文獻(xiàn)的啟發(fā)[1～4]，我們借助塑料瓶、醫(yī)用三通閥、醫(yī)用1mL注射器等替代品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)新裝置，使碳酸鈣與稀硝酸、銅與稀硝酸、一氧化氮與氧氣、二氧化氮與水等反應(yīng)易于控制、裝置一體化，實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染。

1?實(shí)驗(yàn)用品

1個(gè)150mL塑料瓶（含配套的三孔橡皮塞）、2個(gè)1mL注射器（其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）、醫(yī)用三通閥（其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2）、2個(gè)20mL注射器、塑料小藥瓶（在其中下部的表面扎一些小孔）、玻璃導(dǎo)管、透明硅膠管等;5mol/L的稀硝酸、細(xì)銅絲、大理石（或碳酸鈣）、氧氣、蒸餾水（迅速冷卻的）、氫氧化鈉溶液等

2?實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的一體化裝置見(jiàn)圖3（夾持裝置略）。

3?實(shí)驗(yàn)步驟

3.1?組裝實(shí)驗(yàn)裝置

（1） 找兩個(gè)1mL注射器，在其中一個(gè)注射器的活塞上固定長(zhǎng)約10cm的銅絲，在另一個(gè)注射器的活塞上連接一個(gè)有孔小塑料瓶（內(nèi)裝大理石或碳酸鈣）;再找兩個(gè)20mL注射器，暫時(shí)不要在針筒里裝入藥品。

（2） 找一個(gè)150mL的塑料瓶，注入140mL 5mol/L稀硝酸;取一個(gè)與塑料瓶口徑相配套的橡皮塞，在橡皮塞上均勻地打出三個(gè)孔，其中一個(gè)孔與導(dǎo)氣管的外徑相匹配，另外兩個(gè)孔與1mL注射器的針筒直徑相匹配。

（3） 找一個(gè)醫(yī)用三通閥，在其三個(gè)管口上分別套上一小段硅膠管（用于連接其他儀器）。

（4） 按圖3所示，連接整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

3.2?檢查裝置氣密性

（1） 旋轉(zhuǎn)三通閥的控制閥，使其保持三通狀態(tài)（此時(shí)a與b、 a與c、 b與c均是相通的）。

（2） 推拉注射器③的活塞，如果注射器④的活塞隨之而動(dòng)，則裝置的氣密性良好;然后從三通閥上輕輕取下注射器③、 ④。

（3） 如果裝置漏氣，需要找出漏氣部位，然后更換儀器或采取密封措施，再次檢查裝置的氣密性。

3.3?制取一氧化氮?dú)怏w

（1） 緩緩下推注射器②的芯桿，使有孔小塑料瓶浸入稀硝酸中（見(jiàn)圖4），碳酸鈣與稀硝酸立即反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w[有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是CaCO3+2HNO3Ca（NO3）2+H2O+CO2↑]。1～2分鐘后，用燃著的木條靠近三通閥的c管口（因?yàn)槎趸細(xì)怏w密度比空氣大，其不會(huì)從三通閥的b管口逸出），如果木條的火焰熄滅，則說(shuō)明裝置內(nèi)的空氣已完全排出。此時(shí)再輕輕提起注射器②的芯桿，使碳酸鈣與稀硝酸反應(yīng)停止。

（2） 輕輕擠壓塑料瓶，使裝置內(nèi)殘留的二氧化碳?xì)怏w最大限度地被排出，然后調(diào)節(jié)三通閥的控制閥以關(guān)閉a導(dǎo)管（此時(shí)b、 c導(dǎo)管保持相通）。

（3） 用注射器③抽取5mL氧氣（確保針筒內(nèi)沒(méi)有殘留空氣），并將其接到三通閥的b管口;用注射器④抽取5mL剛冷卻的蒸餾水（確保針筒內(nèi)沒(méi)有殘留空氣），并將其接到三通閥的c管口（見(jiàn)圖3，下同）。

（4） 輕輕下推注射器①的芯桿，使銅絲浸入稀硝酸中，銅與稀硝酸立即發(fā)生反應(yīng)[有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是3Cu+8HNO33Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O]，放出的一氧化氮?dú)怏w使塑料瓶逐漸鼓起;當(dāng)塑料瓶剛好恢復(fù)至原狀時(shí)，立即調(diào)節(jié)三通閥的控制閥，僅使導(dǎo)管a、 c形成通路（此時(shí)b導(dǎo)管處于關(guān)閉狀態(tài)），這樣一氧化氮?dú)怏w就源源不斷地進(jìn)入注射器④的針筒里;此時(shí)可以觀察到，塑料瓶里銅絲周?chē)娜芤褐饾u變?yōu)樗{(lán)色，注射器④針筒里的一氧化氮?dú)怏w始終是無(wú)色的。

（5） 當(dāng)注射器④的針筒里收集到10mL一氧化氮時(shí)，輕輕提起注射器①的芯桿，使銅絲離開(kāi)稀硝酸，銅與稀硝酸反應(yīng)立即停止。

3.4?一氧化氮與氧氣反應(yīng)

（1） 調(diào)節(jié)三通閥的控制閥，僅使b、 c導(dǎo)管連通（此時(shí)a導(dǎo)管處于關(guān)閉狀態(tài)）。

（2） 稍稍用力上提注射器③的芯桿，注射器④中的一氧化氮?dú)怏w就會(huì)被吸入注射器③的針筒里;由于注射器③的針筒里盛有5mL氧氣，因而10mL一氧化氮?dú)怏w進(jìn)入注射器③中恰好完全反應(yīng)（有關(guān)的化學(xué)方程式是2NO+O22NO2）;此時(shí)觀察到，注射器③中的氣體變?yōu)榧t棕色、活塞在10mL刻度處。

3.5?二氧化氮與水反應(yīng)

（1） 繼續(xù)緩緩上提注射器③的芯桿，注射器④中的蒸餾水也被吸入注射器③中，當(dāng)5mL蒸餾水被全部吸入注射器③的針筒里（此時(shí)活塞位于15mL刻度處），立即關(guān)閉三通閥的b導(dǎo)管（此時(shí)a、 c導(dǎo)管保持相通）。

（2） 輕輕晃動(dòng)注射器③（有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是3NO2+H2O2HNO3+NO），可以觀察到紅棕色氣體的顏色逐漸變淺，注射器針筒內(nèi)混合物的總體積逐漸變小，最終注射器針筒內(nèi)得到無(wú)色溶液（硝酸溶液）和無(wú)色氣體（一氧化氮），注射器活塞最終位于大約8mL刻度處[5]。

3.6?處理尾氣和廢液

（1） 取下注射器③，并使吸入口向上（以防針筒內(nèi)溶液流出），拉動(dòng)芯桿吸入空氣，殘留的一氧化氮?dú)怏w又轉(zhuǎn)化為二氧化氮?dú)怏w;最后將該注射器針筒里的殘留物全部推入足量的氫氧化鈉溶液中（有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是HNO3+NaOHNaNO3+H2O及2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O）。

（2） 輕輕擠壓塑料瓶，將裝置內(nèi)殘留的一氧化氮?dú)怏w全部排入注射器④的針筒里，然后關(guān)閉三通閥的a導(dǎo)管（此時(shí)導(dǎo)管b、 c保持相通）;立即拉動(dòng)注射器④的芯桿，吸入空氣，殘留的一氧化氮?dú)怏w轉(zhuǎn)化為二氧化氮?dú)怏w;再取下注射器④，將其中的氣體全部推入足量的氫氧化鈉溶液里（有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O）。

（3） 將上述兩步所得混合廢液用稀醋酸調(diào)成中性，然后回收利用（如用作氮肥，澆灌校園內(nèi)花草樹(shù)木）。

（4） 拔掉塑料瓶口上的橡皮塞，向瓶?jī)?nèi)混合液（溶質(zhì)是硝酸、硝酸銅、硝酸鈣）中加入適量的堿式碳酸銅粉末[6][有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是Cu2（OH）2CO3+4HNO32Cu（NO3）2+3H2O+CO2↑]，既降低了溶液的酸性，又便于回收利用（如作為銅鹽溶液，進(jìn)行有關(guān)金屬活動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)）。

（5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品、清洗實(shí)驗(yàn)儀器。

4?兩點(diǎn)說(shuō)明

（1） 1mL注射器的活塞與針筒內(nèi)壁之間的靜摩擦力約為7N[7]，由于活塞下端懸掛物的重量以及塑料瓶?jī)?nèi)氣壓作用在活塞上所產(chǎn)生的壓力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于7N，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注射器芯桿及其活塞絕不會(huì)自行下落或上升（僅可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)）。

（2） 建議使用全新的醫(yī)用一次性注射器及醫(yī)用三通閥（價(jià)格極低），如果是醫(yī)療廢棄物必須經(jīng)消毒處理后才能使用。

5?實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 在全封閉的實(shí)驗(yàn)體系中連續(xù)演示銅與稀硝酸反應(yīng)、一氧化氮氧化、二氧化氮溶于水等實(shí)驗(yàn)，使化學(xué)反應(yīng)一體化、實(shí)驗(yàn)操作程序化、裝置功能集成化。

（2） 碳酸鈣與稀硝酸的反應(yīng)、銅與稀硝酸的反應(yīng)通過(guò)1mL注射器控制，深化了對(duì)啟普發(fā)生器原理的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性;實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)新穎，拓展了學(xué)生的視野，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神[8]。

（3） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中想方設(shè)法控制有害氣體的逸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)尾氣和廢液及時(shí)回收處理，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)境意識(shí)與資源意識(shí)，而且提高了學(xué)生抵御科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)的能力。

（4） 在一氧化氮、二氧化氮的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生觀察注射器活塞所處的刻度（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），不僅強(qiáng)化了氮氧化物的性質(zhì)學(xué)習(xí)，而且培養(yǎng)了學(xué)生的定量意識(shí)。

總之，上述改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的裝置穩(wěn)定、操作連貫、反應(yīng)可控、現(xiàn)象直觀，是良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材，有利于提高學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任感。

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