探究氮的含氧化合物轉(zhuǎn)化的一體化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

陳彩紅 車銘妍

山東省煙臺(tái)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)王懿榮高級(jí)中學(xué)(264006)

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的重要載體，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、證據(jù)推理與模型認(rèn)知，宏觀辨識(shí)與微觀探析等化學(xué)核心素養(yǎng)。在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中，銅與濃、稀硝酸的性質(zhì)和氮氧化合物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化是“學(xué)習(xí)活動(dòng)建議”中的建議實(shí)驗(yàn)，要求“結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解氮及其重要化合物的主要性質(zhì)”[1]。

2019年版的人教版[2]、魯科版[3]、蘇教版[4]的銅與硝酸的實(shí)驗(yàn)操作裝置(見圖1)都存在一些不足：①有毒氣體NO逸出，尾氣處理效果不理想；②反應(yīng)不可控；③因?yàn)檠b置內(nèi)殘留空氣，產(chǎn)物NO的檢驗(yàn)存在誤差。而眾多創(chuàng)新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)多關(guān)注的是銅與濃、稀硝酸的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，存在裝置設(shè)計(jì)過長(zhǎng)、過于復(fù)雜或可視化程度不高等問題。

圖1 不同版本教材上的實(shí)驗(yàn)裝置圖

基于以上分析，本復(fù)習(xí)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)力求實(shí)現(xiàn)氮的含氧化合物轉(zhuǎn)化的一體化設(shè)計(jì)，將多個(gè)轉(zhuǎn)化過程以連續(xù)的方式在同一實(shí)驗(yàn)裝置中呈現(xiàn)，不僅能幫助學(xué)生加深對(duì)氮的含氧化合物轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)，也有利于觸發(fā)學(xué)生對(duì)一體化實(shí)驗(yàn)的思考，有利于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)藥品:銅絲、濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)68%)、NaOH溶液(6 mol/L)、蒸餾水、H2O2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)、MnO2、0.5 mol/L的NaHCO3溶液。

實(shí)驗(yàn)儀器:磁子、吸鐵石、三頸燒瓶(100 mL)、注射器(10 mL、50 mL、100 mL)、帶孔橡膠塞、鐵架臺(tái)、鐵夾。

2.2 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

(1)將銅絲纏繞在磁子上,利用磁鐵的移動(dòng)將其放入三頸燒瓶中。

(2)用10 mL注射器向100 mL的三頸燒瓶?jī)?nèi)加入7 mL的濃硝酸,注射器A中吸入10 mL的濃度為6 mol/L的NaOH溶液;注射器B中吸入10 mL的蒸餾水;

(3)利用錐形瓶、橡膠塞、100 mL注射器的簡(jiǎn)單組合裝置,用10 mL濃度為5%的H2O2溶液和少量MnO2粉末制備氧氣,收集在注射器C中(吸入少量水進(jìn)行液封)。

(4)將各注射器針頭插入橡膠塞中,注射器針筒先不安上,之后利用5 mL的注射器向三頸燒瓶中注入1 mL濃度為0.5 mol/L的NaHCO3溶液,NaHCO3與HNO3反應(yīng)產(chǎn)生CO2排除裝置內(nèi)的空氣，防止氧氣對(duì)后面NO→NO2的轉(zhuǎn)化造成干擾，最后按照?qǐng)D2安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，準(zhǔn)備過程可在上課之前完成。

圖2 一體化實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

(1)實(shí)現(xiàn)濃硝酸→NO2的轉(zhuǎn)化

首先通過磁鐵控制磁子下移,銅與濃硝酸發(fā)生反應(yīng),Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,觀察到產(chǎn)生大量紅棕色氣體,溶液變?yōu)榫G色。維持8～10 s的時(shí)間,磁鐵上移,反應(yīng)停止,防止產(chǎn)生太多的NO2而無法處理。

(2)實(shí)現(xiàn)NO2→HNO3的轉(zhuǎn)化

通過注射器B向三頸燒瓶?jī)?nèi)注入10 mL的水,對(duì)濃硝酸進(jìn)行稀釋,觀察到溶液變?yōu)樗{(lán)色,紅棕色氣體慢慢變淺直至消失,發(fā)生反應(yīng):3NO2+H2O=2HNO3+NO。

(3)實(shí)現(xiàn)HNO3→NO的轉(zhuǎn)化

利用磁鐵控制磁子下移,銅與稀硝酸反應(yīng):3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+ 2NO↑ +4H2O,觀察到銅絲表面產(chǎn)生氣泡,三頸燒瓶中氣體顏色沒有變化,說明產(chǎn)生的氣體是無色的NO,發(fā)生反應(yīng)35～40 s后,磁鐵上移,反應(yīng)停止。

(4)實(shí)現(xiàn)NO→NO2的轉(zhuǎn)化

通過注射器C緩緩地注入適量的氧氣,觀察到無色氣體變?yōu)榧t棕色,發(fā)生反應(yīng):2NO+O2=2NO2。觀察到紅棕色后顏色又慢慢變淺,對(duì)此提出疑問,認(rèn)識(shí)到NO2會(huì)繼續(xù)和H2O發(fā)生反應(yīng),發(fā)生總反應(yīng):4NO2+O2+2H2O=4HNO3和4NO+3O2+2H2O=4HNO3。

(5)實(shí)現(xiàn)NO2→NaNO3+NaNO2、HNO3→NaNO3的轉(zhuǎn)化

NO2有毒,需要進(jìn)行尾氣處理,通過注射器A向三頸燒瓶?jī)?nèi)注入0.5 mol/L的NaOH溶液,NO2、多余的稀硝酸與NaOH發(fā)生反應(yīng):2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O、HNO3+NaOH=NaNO3+H2O,最終實(shí)現(xiàn)有毒氣體NO2的零排放。

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置器材簡(jiǎn)易,將注射器配合三頸燒瓶使用,現(xiàn)象明顯,便于觀察。

(2)通過磁鐵控制磁子的上下移動(dòng),隨時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生與停止,操作簡(jiǎn)單,且磁子并不與濃、稀硝酸反應(yīng),能夠重復(fù)使用。

(3)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在密閉條件下進(jìn)行,尾氣處理得當(dāng),符合綠色化學(xué)的理念,便于師生近距離觀察。

(4)使多個(gè)氮的含氧化合物之間的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)在同一個(gè)裝置內(nèi)以連續(xù)性的方式呈現(xiàn),反應(yīng)現(xiàn)象直觀性強(qiáng),反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)突出,激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,提高了教學(xué)的復(fù)習(xí)效果。

4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)可以將注射器的針頭涂抹凡士林后提前插入橡膠塞中,利用多次抽拉注射器將堵塞針頭的橡膠粒吹出,實(shí)驗(yàn)時(shí)直接插上注射器即可,方便快捷。

(2)在加入NaHCO3溶液與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生CO2趕出裝置內(nèi)空氣時(shí),先不要插上注射器C,便于空氣逸出;NaHCO3溶液的量不要加太多,防止?jié)庀跛嶙兿　?/p>

(3)注射器C插入三頸燒瓶之前要吸入少量的水,進(jìn)行液封,防止O2與產(chǎn)生的NO提前反應(yīng);并且要緩慢注入O2,讓O2與NO充分反應(yīng)。