“銅與濃、稀硝酸反應(yīng)”的微量化實驗設(shè)計

西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(637000) 張 貴 蒲 婷 陳 磊 楊春艷

微量化實驗是在微型化實驗的基礎(chǔ)上提出的，微型化實驗是在上世紀80年代由美國率先發(fā)展起來的，微型化實驗是指以微小量的試劑在微型化的實驗裝置中進行的化學(xué)實驗，雖然微型化實驗憑借其試劑用量少、污染少、反應(yīng)迅速等優(yōu)點被廣泛使用，但其可見度低及實驗儀器需要特殊定制等缺點，使其難以在演示實驗以及一些偏遠地區(qū)學(xué)校的學(xué)生實驗中使用。而微量化實驗則是在常規(guī)實驗裝置中進行的實驗，不僅能夠保證演示實驗的可見度，而且實驗儀器簡單易得，同時也達到了實驗試劑用量小、反應(yīng)快、污染少、易操作等效果，可見微量化實驗?zāi)茉谝恍┓矫嫔峡朔⑿突瘜嶒灥谋锥?。因此微量化實驗在中學(xué)化學(xué)實驗中的研究及推行十分必要[1]。本文以銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的微量化實驗設(shè)計為例進行探究。

1 實驗來源

銅與硝酸反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)中的一個重要實驗，不僅能夠體現(xiàn)硝酸的強氧化性，而且隨著硝酸的濃度不同，與金屬反應(yīng)的產(chǎn)物也不同，是落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要素材。人教版(2019版)高中教材化學(xué)必修2“硝酸”一節(jié)中實驗5～8裝置如圖1所示，在實驗教學(xué)過程中存在著以下幾處不足。

圖1 教材實驗裝置

1.1 實驗不夠嚴謹

反應(yīng)前試管中的空氣未排盡，不僅影響稀硝酸與銅反應(yīng)產(chǎn)物NO的檢驗，而且會使學(xué)生誤認為紅棕色的氣體NO2是由產(chǎn)生的NO與試管中氧氣反應(yīng)的產(chǎn)物。

1.2 尾氣處理不完全

雖然該裝置中使用NaOH溶液來吸收尾氣，但反應(yīng)完成后還有少量的有毒氣體在試管中無法被吸收，打開活塞會造成空氣污染。

針對教材實驗的不足，許多一線教師對該反應(yīng)裝置進行了改進。塑料注射器因其材料性能穩(wěn)定、透明度高、氣密性好以及有刻度線等優(yōu)點在中學(xué)化學(xué)實驗改進中被廣泛應(yīng)用，特別是在微量化實驗中其優(yōu)點能得到很好的體現(xiàn)。魏海老師通過利用雙注射器組合，使銅與硝酸的反應(yīng)更方便、安全、綠色化[2]，蔣海珊老師等人使用塑料泡沫插在注射器吸口處能有效地保證裝置氣密性[3]。代黎娜老師則將注射器與塑料輸液袋結(jié)合起來做成銅與硝酸的一體化實驗裝置，不僅有較強的趣味性還能使產(chǎn)生的氣體循環(huán)利用[4]。本文則在前人的基礎(chǔ)上使用注射器在微量化、綠色化及便于學(xué)生操作等方面對銅與硝酸實驗進行了再改進。

2 裝置的制作

2.1 制作材料

10 mL塑料注射器1個，塑料泡沫塊，銅絲。

2.2 制作過程

將銅絲插入塑料泡沫塊中，控制其長度使上端留有2 cm左右，下端不插破塑料泡沫，具體如圖2所示。

圖2 銅絲插在塑料泡沫中

3 實驗過程

3.1 銅與濃硝酸反應(yīng)

圖3 排空氣

(1)用10 mL注射器吸取2～3 mL剛冷卻的蒸餾水，然后使注射器吸口向上，緩緩?fù)苿踊钊亮憧潭?，排盡注射器中的空氣，如圖3所示。

(2)用如圖4所示10 mL注射器吸取1 mL的濃硝酸，將插有銅絲的塑料泡沫按銅絲對準注射器吸口的方式插在注射器上，并保持注射器吸口朝下。銅絲與濃硝酸接觸立即發(fā)生反應(yīng)，銅絲上迅速冒出氣泡，注射器活塞先緩緩向上移，然后速度逐漸加快，注射器針筒內(nèi)出現(xiàn)大量紅棕色氣體，溶液由無色逐漸變?yōu)樗{綠色，如圖5，用手觸摸針筒，感覺到發(fā)熱，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O。待活塞移動至10 mL時，拔掉塑料泡沫塊(為防止氣體溢出，在水中拔出)，反應(yīng)立即停止。

圖4 銅與濃硝酸反應(yīng)裝置

圖5 NO2的產(chǎn)生與收集

(3)將注射器吸口向下，緩緩?fù)苿踊钊麑⑨樛仓械乃{綠色液體(硝酸與硝酸銅混合溶液)排出，用裝有NaOH溶液的小燒杯接收[5]，此時注射器中只留下紅棕色的NO2氣體約9 mL。

3.2 一氧化氮、二氧化氮轉(zhuǎn)化為稀硝酸

(1)如圖6所示，將只留有NO2氣體的注射器吸口朝下放入裝有蒸餾水的燒杯中，可以看到蒸餾水倒吸進入針筒中，活塞緩緩向下移，待針筒中蒸餾水約有1 mL時，迅速將注射器拿出水面，塞上塑料泡沫塊，輕輕晃動注射器，觀察到紅棕色氣體消失，活塞緩緩下移至4 mL處。該過程涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式為：3NO2+H2O=2HNO3+NO。此時注射器中NO的體積約3 mL，圖7可以反映出NO2與NO之間3∶1的數(shù)量關(guān)系。

圖6 NO2與水反應(yīng)

圖7 NO的產(chǎn)生與收集

(2)取下注射器上的塑料泡沫塊，將注射器的吸口朝下，向上拉動活塞吸入空氣，觀察可發(fā)現(xiàn)有紅棕色氣體生成，輕輕晃動注射器，然后紅棕色氣體消失，多次吸入空氣，直至注射器內(nèi)的氣體顏色不再發(fā)生變化，此時NO全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛?，達到有毒氣體零排放。該過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式為：2NO+O2=2NO2，4NO+3O2+2H2O=4HNO3。此時注射器中主要有稀硝酸約1 mL。

(3)將注射器吸口朝上，緩緩向上推動活塞液體恰好至吸口處，將注射器中的空氣排盡，注意注射器中不能留有氣泡。

3.3 銅與稀硝酸反應(yīng)

(1)如圖8所示，將插有銅絲的塑料泡沫按銅絲對準注射器吸口的方式插在注射器上，并保持注射器吸口向下，銅絲與針筒中的稀硝酸接觸發(fā)生反應(yīng)，觀察到銅絲上有氣泡產(chǎn)生，溶液由無色逐漸變?yōu)榈{色，活塞緩慢向上移動，有無色氣體生成。待反應(yīng)3 min后約產(chǎn)生了1 mL無色氣體，取下插有銅絲的塑料泡沫塊停止反應(yīng)，插上塑料泡沫塊防止氣體逸出。該過程的化學(xué)反應(yīng)方程式為：3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O；此時注射器中有硝酸銅溶液、水和一氧化氮的混合物(見圖9)。

圖8 稀硝酸與銅反應(yīng)

圖9 NO的產(chǎn)生與收集

(2)將注射器吸口朝下，取下塑料泡沫塊，向上拉動活塞吸取空氣，溶液上方的無色氣體變?yōu)榧t棕色，再輕輕晃動幾下注射器，紅棕色氣體消失，見圖10。該過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式為：2NO+O2=2NO2，4NO+3O2+2H2O=4HNO3。此時注射器中主要有硝酸銅、硝酸、水、空氣等混合物。

圖10 NO的檢驗

(3)反應(yīng)結(jié)束，緩緩?fù)苿踊钊?，將注射器中的廢液排出，用小燒杯接收，整理實驗用品，回收實驗廢液。

4 實驗裝置優(yōu)點

(1)裝置簡單。該實驗裝置由廢舊注射器和塑料泡沫構(gòu)成，裝置簡單易得且不需要對裝置進行復(fù)雜改進，有利于教師進行實驗教學(xué)，特別是教學(xué)裝備條件相對落后的地區(qū)或?qū)W?？梢宰龅綄W(xué)生人手一套實驗裝置來進行實驗探究。

(2)現(xiàn)象明顯。該實驗連續(xù)地演示了銅與濃硝酸、二氧化氮與水、一氧化氮與氧氣、銅與稀硝酸等一系列反應(yīng)，學(xué)生通過注射器能夠清晰地觀察到生成物顏色、體積等變化，方便學(xué)生理解硝酸的性質(zhì)，復(fù)習(xí)鞏固氮的氧化物相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。

(3)綠色環(huán)保。該實驗最大的優(yōu)點是資源循環(huán)利用，將銅與濃硝酸反應(yīng)生成的二氧化氮與水反應(yīng)生成下一步實驗需要的稀硝酸，不僅節(jié)約了藥品，消除了尾氣污染，達到了零排放，而且直觀地呈現(xiàn)了銅與不同濃度的硝酸反應(yīng)的現(xiàn)象，更有利于學(xué)生理解硝酸的氧化性與其濃度的關(guān)系。

(4)實驗可控。反應(yīng)中通過控制銅絲與硝酸的接觸，能夠簡單快速地控制實驗的發(fā)生與停止。

(5)實驗安全。實驗使用的藥品劑量少，實驗風險低，便于學(xué)生自主操作。

5 結(jié)語

對銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的微量化實驗改進中，試劑用量小，僅使用1 mL的濃硝酸就完成了銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的兩個實驗，且實驗現(xiàn)象明顯，沒有尾氣污染，能夠作為教師的演示實驗，而且該實驗儀器易得，操作簡單，具有一定的趣味性，能夠在保證實驗安全的前提下作為學(xué)生的探究實驗。微量化實驗改進可以作為教材實驗補充，能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新意識、環(huán)保意識和節(jié)約資源的意識等。