基于傳感器探究實(shí)驗(yàn)室制備NO的條件

戈益超 朱成東 劉帥東

摘要：?針對(duì)人教版（2019）必修（第二冊(cè)）教材中關(guān)于銅與稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的不足進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)探究。借助雙排管、溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器等儀器，采用半值法探究制備NO的硝酸濃度;結(jié)合恒溫水箱探究該反應(yīng)的合適溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，制備NO的硝酸濃度一般不超過(guò)4.4mol·L-1，反應(yīng)溫度宜控制在20℃或以下，反應(yīng)時(shí)間一般在10～20分鐘內(nèi)。

關(guān)鍵詞：?制備NO;?硝酸;?半值法;?數(shù)字傳感器;?實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：?10056629（2021）07005704

中圖分類號(hào)：?G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?B

1?問(wèn)題提出

人教版（2019）必修（第二冊(cè)）教材中關(guān)于銅與濃、稀硝酸反應(yīng)時(shí)由于未給出稀硝酸濃度的具體限定，往往存在硝酸濃度過(guò)低，反應(yīng)速率過(guò)慢，不利于演示實(shí)驗(yàn);若為了加快反應(yīng)速率，選擇濃度較大的硝酸或加熱，又往往因?yàn)闈舛冗^(guò)大或溫度過(guò)高生成還原產(chǎn)物NO2，以致造成實(shí)驗(yàn)失敗等現(xiàn)象。如何在較短時(shí)間內(nèi)制得NO，且不會(huì)出現(xiàn)NO2干擾實(shí)驗(yàn)?zāi)?？針?duì)上述困惑，經(jīng)過(guò)查閱大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)雖然大多數(shù)化學(xué)工作者對(duì)NO的制備進(jìn)行了有效探究，但通常是圍繞如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，使該反應(yīng)連續(xù)化或者一體化[1～3]，或者改進(jìn)實(shí)驗(yàn)是為了達(dá)到較環(huán)?；蚓G色化等[4～6]。很少有文獻(xiàn)涉及硝酸濃度的定量討論，以及如何避免反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)NO2的干擾。針對(duì)上述問(wèn)題，本課題組設(shè)計(jì)了探究實(shí)驗(yàn)：?選用半值法，結(jié)合雙排管、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器等儀器來(lái)探究制備NO的最佳實(shí)驗(yàn)條件。

2?實(shí)驗(yàn)研究

2.1?實(shí)驗(yàn)用品

儀器和材料：?三頸瓶、威尼爾壓強(qiáng)傳感器、威尼爾溫度傳感器、電腦、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、雙排管、鐵架臺(tái)、抽氣泵、恒溫水浴鍋

藥品：?硝酸（65%～68%，分析純）、蒸餾水、銅絲、高純度氬氣

2.2?實(shí)驗(yàn)裝置

圖1?雙排管及數(shù)字傳感器組合探究制備NO條件的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。采用雙排管把三頸瓶抽成真空，并用氬氣作為保護(hù)氣形成無(wú)氧環(huán)境;然后再利用壓強(qiáng)傳感器檢測(cè)氣體壓強(qiáng)變化，從而判斷產(chǎn)生氣體的快慢;同時(shí)利用溫度傳感器檢測(cè)氣體中出現(xiàn)NO2時(shí)溶液的溫度，為探究合適的硝酸濃度和適宜的反應(yīng)溫度提供技術(shù)支持。

2.3?實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)論

2.3.1?探究硝酸濃度對(duì)制備NO的影響

（1）?檢查裝置氣密性。向圖1所示的三頸瓶中加入10mL指定濃度的稀硝酸，按照?qǐng)D1連接溫度傳感器（將銅絲較松地環(huán)繞在溫度傳感器不銹鋼探頭上，后期借助外力分離），在另外兩個(gè)瓶口處分別塞上帶有壓強(qiáng)傳感器和雙排管排氣管。

（2）?利用雙排管把三頸瓶抽成真空，然后充入高純度氬保護(hù)，重復(fù)三次，實(shí)現(xiàn)無(wú)氧環(huán)境。

（3）?連接電腦和傳感器采集器，打開電腦中采集軟件，待到數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，利用連接在溫度傳感器膠塞上的鐵絲把環(huán)繞的銅絲撥入到硝酸中，使之充分反應(yīng)。

（4）?點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集器，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，至出現(xiàn)NO2氣體時(shí)停止數(shù)據(jù)采集，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）?選取不同濃度硝酸重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，并記錄每組數(shù)據(jù)。

借助物理學(xué)上測(cè)定電阻的方法——半值法來(lái)選擇不同濃度硝酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。參照嚴(yán)宣申《普通無(wú)機(jī)化學(xué)》（第二版）中銅與硝酸反應(yīng)在硝酸濃度為6～8mol·L-1時(shí)還原產(chǎn)物以NO為主[7]。故第1組實(shí)驗(yàn)選擇硝酸（65%～68%）濃度的一半約7mol·L-1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，若很快有NO2產(chǎn)生，則第2組選擇第1組濃度的一半，若較長(zhǎng)時(shí)間無(wú)NO2產(chǎn)生，則第3組選擇第1、?2組濃度之和的一半，依次類推。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)觀察到有NO2氣體出現(xiàn)時(shí)停止數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)容器內(nèi)壓強(qiáng)變化和時(shí)間的比值得出制備NO硝酸的合理濃度。其中當(dāng)出現(xiàn)NO2氣體的時(shí)間相近時(shí)，壓強(qiáng)變化和時(shí)間的比值越大，說(shuō)明氣體產(chǎn)生速率越快，越有利于制備NO，此硝酸的濃度即為實(shí)驗(yàn)最佳值。

基于不同濃度硝酸的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，設(shè)計(jì)并完成了5組實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)匯總見表1。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，若硝酸濃度過(guò)大，極易產(chǎn)生NO2，不利于實(shí)驗(yàn)室制備NO;若濃度過(guò)低，雖然不易產(chǎn)生NO2，但是產(chǎn)生NO的速率偏慢，也不利于實(shí)驗(yàn)室制備NO。其中4.4mol·L-1硝酸與銅絲反應(yīng)時(shí)，不僅NO2產(chǎn)生較慢，而且此時(shí)容器中壓強(qiáng)變化和時(shí)間的比值相對(duì)較大，說(shuō)明產(chǎn)生NO速率相對(duì)較快，從而有利于實(shí)驗(yàn)室制備NO。綜上各項(xiàng)數(shù)據(jù)，建議選擇濃度為4.4mol·L-1的HNO3更適合實(shí)驗(yàn)室制備NO。

2.3.2?探究溫度對(duì)制備NO的影響

隨著硝酸濃度逐漸減小，理論上產(chǎn)生的氣體應(yīng)該主要是NO，為什么一段時(shí)間后2、?3、?4、?5組依然會(huì)出現(xiàn)NO2呢？查閱資料可知，銅和稀硝酸反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)[8]，再結(jié)合硝酸受熱易分解的性質(zhì)，推測(cè)是不是由于反應(yīng)放熱導(dǎo)致溶液溫度升高從而引起硝酸分解產(chǎn)生NO2呢？為了進(jìn)一步探究溫度對(duì)反應(yīng)的影響，課題組在探究不同濃度稀硝酸反應(yīng)時(shí)，也采用溫度傳感器對(duì)反應(yīng)溶液溫度變化進(jìn)行測(cè)定，所得數(shù)據(jù)見表2。

依據(jù)硝酸濃度越大、溫度越高越易分解的特征[9]。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)，硝酸濃度選擇5.3mol·L-1，又因?yàn)樯鲜鰧?shí)驗(yàn)中出現(xiàn)NO2時(shí)的溫度最高為24.7℃，再者室內(nèi)溫度偶爾也有高于25℃情況，但很少能達(dá)到35℃，所以選擇了水浴溫度為30℃、?35℃繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

實(shí)驗(yàn)6?探究HNO3在特定溫度下受熱分解

實(shí)驗(yàn)步驟：?向三頸瓶中加入10.0mL?5.3mol·L-1?HNO3，排盡空氣，塞上塞子密閉，分別放到水溫為30℃、?35℃水浴鍋中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

現(xiàn)象及小結(jié)：?在30℃、?35℃水浴鍋中分別加熱了15分鐘，三頸瓶中依然為無(wú)色。說(shuō)明銅絲和硝酸反應(yīng)中產(chǎn)生NO2的原因不是反應(yīng)放熱造成硝酸分解所致。

究竟是什么原因造成銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生NO2呢？結(jié)合文獻(xiàn)分析，硝酸還原產(chǎn)物與溫度有一定的關(guān)系，其中溫度升高造成硝酸與銅反應(yīng)速率加快，那么硝酸第一步還原產(chǎn)物NO2沒(méi)有被及時(shí)還原，從而導(dǎo)致局部區(qū)域NO2過(guò)飽和釋放出去，造成NO中混有NO2[10]。究竟是不是此原因呢？為了進(jìn)一步探究本質(zhì)，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)7?探究硝酸與銅反應(yīng)產(chǎn)生NO2的時(shí)間與溫度的關(guān)系

由于硝酸濃度越大還原產(chǎn)物出現(xiàn)NO2的可能性越大，溫度越高越易導(dǎo)致硝酸分解。本實(shí)驗(yàn)選擇極端交叉實(shí)驗(yàn)方案，即上述實(shí)驗(yàn)方案中硝酸濃度最低（3.5mol·L-1）和反應(yīng)溫度最高（35℃）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄出現(xiàn)NO2的時(shí)間并與實(shí)驗(yàn)2進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)步驟：?向三頸瓶中加入10.0mL?3.5mol·L-1?HNO3和銅絲，按照上述實(shí)驗(yàn)方法排盡裝置中的空氣，并放在35℃水浴鍋中進(jìn)行反應(yīng)。觀察三頸瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)NO2時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

現(xiàn)象及小結(jié)：?150s后，三頸瓶中出現(xiàn)紅棕色氣體（NO2）。對(duì)比實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)7出現(xiàn)NO2的時(shí)間，可以得出在硝酸和銅絲反應(yīng)中，溫度升高是引起產(chǎn)生NO2的一個(gè)重要原因，且溫度越高，產(chǎn)生NO2越快。

2.3.3?探究制備NO的最佳條件

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論，如何選擇合適的反應(yīng)溫度呢？結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4中出現(xiàn)紅色的時(shí)間和溫度變化，再考慮到反應(yīng)速率不宜太慢，所以選擇4.4mol·L-1硝酸和銅絲控制溫度為20℃時(shí)進(jìn)行恒溫反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)步驟：?向三頸瓶中加入10.0mL?4.4mol·L-1?HNO3和銅絲，按照上述實(shí)驗(yàn)方法排盡裝置中的空氣，并放在20℃水浴鍋中進(jìn)行反應(yīng)。觀察三頸瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)NO2時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

現(xiàn)象及小結(jié)：?在500s之后氣體產(chǎn)生速率明顯加快，且1200s依然保持為無(wú)色。故反應(yīng)溫度控制在20℃或以下較合適，且反應(yīng)時(shí)間控制在10～20分鐘有利于制備NO。

3?現(xiàn)象解釋、結(jié)論和建議

3.1?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋

關(guān)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程難以避免出現(xiàn)NO2的原因，查閱文獻(xiàn)[11]可知，一般認(rèn)為硝酸首先被還原為NO2，但是由于硝酸濃度較稀，從而導(dǎo)致反應(yīng)速率較慢，NO2來(lái)不及逸出就進(jìn)一步被還原為NO，所以稀硝酸還原產(chǎn)物以NO為主。但是由于反應(yīng)放熱，造成反應(yīng)速率加快，從而短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多的NO2，而NO2對(duì)硝酸被還原有催化作用，故隨著時(shí)間推移，還原產(chǎn)物中大量出現(xiàn)NO2，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。機(jī)理如下：

3.2?探究結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室制備NO的硝酸濃度一般不超過(guò)4.4mol·L-1，溫度控制在20℃或以下，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間控制在10～20分鐘內(nèi)。

3.3?對(duì)本實(shí)驗(yàn)的建議

結(jié)合上述原理及相關(guān)數(shù)據(jù)，本課題組給出制備NO的建議如下：

（1）?在選取銅絲的粗細(xì)和長(zhǎng)度確定的情況下，反應(yīng)物的濃度和反應(yīng)的溫度是影響硝酸還原產(chǎn)物種類的重要因素。

（2）?建議實(shí)驗(yàn)室制備NO所用硝酸濃度不超過(guò)4.4mol·L-1，溫度控制在20℃或以下且反應(yīng)時(shí)間控制在10～20分鐘內(nèi)。

本實(shí)驗(yàn)采用雙排管有效地解決了構(gòu)建無(wú)氧環(huán)境的難題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;通過(guò)探究濃度、溫度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響，可促進(jìn)學(xué)生深刻理解半值法和控制單一變量在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，落實(shí)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)探究還說(shuō)明通過(guò)改變反應(yīng)條件可以有效控制反應(yīng)向有利于人們所希望的方向發(fā)展，體現(xiàn)了化學(xué)變化觀念。

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