二氧化氮制取實驗裝置和除氣操作的改進

李旭娃

摘要： 常用的制取二氧化氮氣體的裝置，在制備時會有產物氣體逃逸。使用傳統(tǒng)的除去二氧化氮余氣的方法也會使有害氣體泄漏。為此對二氧化氮制取實驗裝置進行改進，對二氧化氮氣體的除去采用倒吸法，并將倒吸法的應用進行推廣。運用倒吸法除去二氧化氮氣體的方法內容和改進過程，對激發(fā)學生興趣、培養(yǎng)化學學科核心素養(yǎng)是很好的教學資源。

關鍵詞： 二氧化氮; 制取裝置; 余氣處理; 倒吸法; 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2021）02-0059-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

高中化學教材對于NO2及其性質的介紹主要安排在“氮和氮的氧化物”一章中。氮的氧化物有很多，涉及的問題也很復雜。在紅棕色的NO2氣體中，總是伴隨著無色的N2O4的存在。它們之間存在著平衡關系2NO2（g）N2O4（g）? ΔH<0，這種變化關系不僅具有明顯的顏色特征，而且正反應是放熱反應，也是氣體體積減小的反應。所以，NO2與N2O4之間的轉化是一種能夠由溫度或壓強的改變而引起化學平衡移動的具有明顯顏色變化的最典型的化學反應，學生能夠直接感知溫度或壓強引起的化學平衡的移動。因此，長期以來各種不同版本的化學教材中，都無不將這個反應編入化學平衡移動條件的教學中[1～3]。所以，NO2在化學平衡教學中是一種十分重要的氣體物質。

然而，NO2是一種有毒有害氣體。在制取NO2時，用通常的制氣裝置難免會有NO2釋放于空氣中。在制取NO2和化學平衡實驗之后，要除去NO2余氣，如果處理不當，也會有NO2逃逸至空氣中。這些釋放的氣體，會污染環(huán)境。

因此，采取怎樣的方法防止NO2的逸散，是化學教師和實驗室工作人員必須研究的課題，之前曾有該實驗改進的一些文章發(fā)表[4]，但還不夠完善。1? 二氧化氮制取裝置的改進

1.1? 常用制取裝置的缺陷性

在化學教學中，NO2氣體常用銅和濃硝酸反應制取。少量的NO2制取一般在試管中進行，而化學平衡實驗中的NO2用量較大，需要用容量較大的燒瓶來制取。通常將制氣燒瓶與玻璃導管相連接，再將玻璃導管插入集氣燒瓶中。如圖1所示。

在制取氣體過程中，將銅與濃硝酸混合后，其反應是持續(xù)進行的，從導管排出的氣體也是持續(xù)進行的。這就使產生氣體的排出過程與氣體的收集過程不相吻合。如： （1）更換集氣瓶時氣體就會釋放至空氣中，收集的瓶數(shù)越多，氣體釋放得越多。（2）收集結束后，制氣燒瓶內的銅和硝酸還會繼續(xù)反應，生成的氣體還會繼續(xù)釋放至空氣中。即使將導管插入NaOH溶液中，氣體排出較快時，仍有較多氣泡會從溶液中逸出污染空氣。

1.2? 改進方法及特點

針對上述缺陷，對于NO2的制取裝置進行如下改進。

在圖1相應的裝置中，將膠管從中間剪斷，連接1個T形管（將T形管直管兩端與膠管相連）。

在T形管的側管（位于直管中間，

且與直管垂直的部分）配上止水夾K1，在T形管的右側配上止水夾K2。在側管上連接玻璃管，在玻璃管上綁1個氣球，如圖2所示。這樣，就可使氣體的制取和氣體的收集在封閉條件下進行。

2? 除氣操作的改進

在除去燒瓶中的NO2氣體時，通常的做法是去掉膠塞，向其中加入NaOH溶液，通過搖動，使NO2與NaOH溶液反應而除去。但這種操作在去掉膠塞時，氣體會從瓶口向外擴散，在加入NaOH溶液時也會將氣體排出瓶外。

那么，能不能在不取下膠塞的情況下讓NaOH溶液進入呢？

2.1? 制氣燒瓶中氣體的除去

2.1.1? 倒吸法的引入

由教材中的噴泉實驗可知，當容器內部的氣壓小于外界大氣壓時，溶液就會自動進入容器內。

銅和濃硝酸制取NO2的反應劇烈，不需加熱，反應后混合物的溫度也不高（用手觸摸瓶壁時有熱感）。制取NO2后，燒瓶中剩余的銅和硝酸還會繼續(xù)反應（但越來越慢），生成氣體，放出熱量，形成溫度升高和氣壓增大的趨勢。同時，體系內的熱量會透過瓶壁而放出，形成氣壓減小的趨勢。所以，制取氣體時，瓶內氣壓大于外界大氣壓，氣體會排出。當制取氣體結束后，隨著冷卻瓶內氣壓變得小于外界大氣壓，這時，如果將導管插入NaOH溶液中，就會發(fā)生倒吸現(xiàn)象，NO2氣體在封閉條件下與吸入的NaOH反應而被除去。這種通過倒吸除去氣體的方法叫做倒吸法。裝置的氣密性是否良好，是形成倒吸的關鍵。

2.1.2? 除氣操作

在氣體收集完畢，制氣反應很慢時，關閉K2，打開K1，讓氣球與制氣燒瓶相連通，將導管插入盛有NaOH溶液的細口瓶中，如圖3所示。當內部氣壓小于外界大氣壓時（氣球變癟），關閉K1，打開K2，這時就會形成倒吸，NaOH溶液進入瓶內。再打開K1。

2.1.3? 生成物及其現(xiàn)象

（1） 在制氣燒瓶中，Cu與HNO3反應生成Cu（NO3）2、 NO2、 NO（主要在反應后期生成）、H2O等，而NO2、 NO會與H2O反應生成HNO2，電離出NO-2，與Cu2+形成Cu（NO2）2的綠色溶液[5]（當大量的氫氧化鈉溶液進入之后，硝酸銅的濃度大大減小。因此，氫氧化鈉溶液進入后溶液的綠色，只是亞硝酸銅溶液的顏色）。

當NaOH溶液倒吸進入燒瓶后： ①在溶液中生成Cu（OH）2、 Cu（OH）2·Cu（NO3）2等;②NO2等氣體與吸進瓶內下落的NaOH溶液在運動狀態(tài)下充分接觸而反應： 2NaOH+2NO2NaNO3+NaNO2+H2O， 2NaOH+NO2+NO2NaNO2+H2O，在少量水中生成大量的NaNO2，沉入底部后，與Cu2+生成大量的可溶性黃綠色固體Cu（NO2）2[6， 7];③NaOH溶液中因種種原因混入了Na2CO3，因此，在酸性區(qū)域中有CO2氣體生成;④紅棕色消失。

在NO2與NaOH溶液反應的過程中，氣體轉化成了液體或固體物質，使氣壓減小，故倒吸能持續(xù)進行。在倒吸過程中，由于局部過濃，發(fā)生競爭反應，在濃度不同的區(qū)域，生成不同的物質，有些物質不穩(wěn)定，放置時會發(fā)生轉化。

（2） 在倒吸發(fā)生后，燒瓶中的現(xiàn)象隨反應物Cu和HNO3的比例、NaOH溶液的濃度、倒吸控制情況的不同而不同。本文實驗中的NaOH溶液濃度為10%。

如果Cu過量，而且使NaOH溶液間接地分幾次吸入（不振蕩），靜置時混合物中會出現(xiàn)一系列五彩繽紛的迷人現(xiàn)象： ①倒吸剛完成時，底部為綠色液體，上部為藍色和綠色分布不均勻的絮狀混合物，有些類似藍綠色珍珠。②隨著靜置，絮狀混合物向中部聚集，綠色成分減少，底部和上部在10分鐘之內形成清液（變化快慢隨吸入氫氧化鈉的量和混合程度的不同而不同，下同）。底部的許多氣泡（CO2）不能逸出，附著于絮狀物下部。絮狀物中逐漸出現(xiàn)輕度黑色[是因為Cu（OH）2分解成了CuO];絮狀物底部呈綠色[是因為底部溶液的pH小，使易溶的Cu（NO2）2不易轉化成難溶的Cu（OH）2，故Cu（NO2）2不易消失]。整個現(xiàn)象類似水中生物世界。③再靜置10多分鐘后，絮狀物完全變黑。這是因為上部的OH-透過絮狀物進入下部溶液中，pH增大，可溶性的Cu（NO2）2轉化成難溶的Cu（OH）2，又進一步分解為CuO。其現(xiàn)象儼然是山川大地籠罩在水霧中的景象。

從倒吸開始到絮狀物完全變黑的過程，從不同的時段、不同的角度去觀察，都可以看到變幻奇特的“水中世界”，不禁使人浮想聯(lián)翩，心馳神往。

如果使倒吸一次性完成，其現(xiàn)象就會有所不同。有些像玉石翡翠，有些像藍綠鈞瓷……，隨著靜置時間的變化而不斷變幻著。

如果制氣燒瓶中硝酸過量，而且倒吸進入的NaOH溶液相對較少，那么，除去氣體后再振蕩，得到的則是鮮艷美麗的綠色溶液。

2.2? 集氣燒瓶中氣體的除去

除氣時，集氣燒瓶與帶有氣球的T形管相連，再將T形管與玻璃導管相連，將玻璃導管插入NaOH溶液中（因內外氣壓相等，而且玻璃導管中有空氣，使二氧化氮與NaOH溶液不易接觸，倒吸難以發(fā)生）。然后關閉K2，打開K1，用熱毛巾捂住燒瓶，使氣體受熱膨脹，氣壓增大，氣體進入氣球中。片刻后，關閉K1，去掉熱毛巾，打開K2，再用冷毛巾捂住燒瓶，氣體遇冷收縮，氣壓減小，形成倒吸，NaOH溶液進入瓶內。再打開K1。

NaOH溶液進入集氣瓶后，與瓶內氣體反應，生成NaNO3、 NaNO2和H2O， NO2、 N2O4、 NO被除去，使紅棕色的氣體變?yōu)闇\黃色的溶液。

3? 實驗改進的意義

3.1? 在化學教學中的應用

通過上述改進，使NO2的制取和除去的方法內容以及操作過程成為一種具有豐富內涵的優(yōu)質教學資源。根據(jù)教學的需要，可以進行靈活處理： 可以拓展和延伸、可以壓縮和刪減，也可以側重或淡化。

制氣裝置的改進，倒吸現(xiàn)象的發(fā)生過程，燒瓶中的迷人現(xiàn)象，都會使學生產生很大的興趣。在這樣一種難得的氛圍中，用科學且有趣的方法除去有毒有害氣體，會使學生對于所經歷的過程和所學的知識印象深刻，永久難忘。

（1） 這些內容和過程可以在時間充裕的課堂（如習題課、復習課等）、化學課外活動、興趣小組活動中進行，以激發(fā)學生的學習興趣和學習熱情。

對于高年級學生，這種有趣的活動過程可以起到復習鞏固、拓展知識的作用。對于還未學習二氧化氮知識的學生，會引發(fā)其強烈的求知欲和探究欲。對于還未學習化學的低年級學生，其趣味性和神奇性會深深地吸引他們，使其形成對化學科學的向往和追求。

在有關NO2的課堂教學中，筆者在自己任課的班級嘗試采用倒吸法除去制氣瓶中的NO2，收到了很好的效果。

（2） 整個教學內容和過程，涉及到多方面知識和問題。如化學式、化學方程式、化合價、化學平衡、氣壓的大小關系、物質的穩(wěn)定性與倒吸的關系、物質狀態(tài)的變化、顏色的變化、生成物的不穩(wěn)定性及其轉化、氣體污染的嚴重性、治理環(huán)境的緊迫性和責任感、倒吸的創(chuàng)造性利用等，將這些方法和內容通過歸納、整理、分類、細化，實施在教育教學的活動中，可以從多個維度去培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)。

3.2? 倒吸法的應用推廣

制取氣體的裝置，不論是否加熱，如有必要，利用上述裝置和操作方法，都可以引發(fā)倒吸的發(fā)生。利用倒吸法可以除去多種殘留的有毒有害氣體。在中學階段，除了NO2外，還有SO2、 Cl2、 HCl、 H2S、 NH3等都可以用倒吸法除去。其中SO2、 Cl2、 HCl、 H2S等氣體用NaOH溶液，而NH3則用鹽酸溶液吸收。

不同的氣體性質不同，制取氣體裝置的特點也有所不同。（1）制取氣體的反應，有的需要加熱，有的不需要加熱。有的反應放熱多，有的反應放熱少。（2）有的氣體溶解度大，有的氣體溶解度小，這兩種情況影響著倒吸的發(fā)生與快慢。除去殘留氣體時，通過一定時間的冷卻（有的不需要冷卻）后，再用手觸摸燒瓶，當其不發(fā)燙（一般在60℃以下，此時的倒吸不會導致容器的破裂）時，再利用氣球的脹癟程度，可以作為判斷內外氣壓大小的標志。以此為依據(jù)，決定采取引發(fā)倒吸的方法和時機。除去氣體時，氣球中的氣體不能太多（如果其中有較多的氣體時，收集起來另行處理），以便于制氣燒瓶中倒吸的發(fā)生。

通過實踐，利用倒吸法除去上述各種氣體的實驗均獲得了成功。

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所化學課程教材研究開發(fā)中心編著. 化學·選修4[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 28.

[2]人民教育出版社化學室編著. 化學·必修加選修（第二冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2003： 44.

[3]人民教育出版社化學室編著. 化學（選修·第三冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 1995： 13.

[4]李大塘. 一氧化氮和二氧化氮的制取及其性質實驗新裝置[J]. 化學教學， 2001， （2）： 52.

[5][6]盧榮耀. 幾種常見銅鹽溶液的顏色問題[J]. 中學化學教學參考， 2012， （4）： 47.

[7]亞硝酸銅是否溶于水： https：//wenda.so.com/q/1362809634068610.