銅與濃硝酸反應實驗裝置的新設計

賀紫檸　李忠恒

摘要： 通過分析現(xiàn)行不同版本的教材及相關文獻中銅與濃硝酸反應的實驗，針對其存在的問題，提出新的實驗設計方案。采用定制的玻璃儀器、注射器和翻口塞等常見的實驗器材對該反應的裝置進行重新設計。改進后的實驗裝置不僅具有反應可控、操作簡單、現(xiàn)象明顯等特點，還解決了裝置中殘留有毒氣體而導致的污染問題，體現(xiàn)了環(huán)境友好的設計理念。

關鍵詞： 銅與濃硝酸的反應； 污染問題； 實驗改進； 氧化還原反應

文章編號： 10056629（2023）08006704中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 教材實驗分析

銅與濃硝酸的反應是高中化學教材里學生必須要掌握的重要內容，其產物之間的轉化有利于學生了解氮氧化物的性質。筆者通過比較不同版本的高中化學教材中銅與濃硝酸反應的實驗裝置，針對當前高中對于該反應的實驗教學，分析其存在的優(yōu)勢和缺點。

1.1 人教版（2019年版）教材

圖1是人教版（2019年版）教材中的實驗裝置［1］。該實驗裝置易于組裝，操作簡單，通過抽取銅絲可隨時實現(xiàn)反應的停止和發(fā)生，但同時也存在以下缺陷：

（1） 銅和濃硝酸反應劇烈，生成NO2的速率很快，可能導致部分NO2來不及被吸收就逸散到空氣中，造成污染，且裝置內部也會殘留NO2，拆除裝置時仍然會污染環(huán)境。

（2） 由于無防倒吸裝置，溶液可能會倒吸進入試管中，導致實驗失敗。

1.2 魯科版（2019年版）教材

圖2是魯科版（2019年版）教材中實驗裝置［2］。該方案僅用一支試管作為實驗儀器，易于操作，現(xiàn)象明顯，但該裝置的缺點也非常顯而易見：

（1） 該裝置先后放入銅片與濃硝酸，使其直接接觸發(fā)生反應，且不能隨時控制，造成實驗藥品的浪費。

（2） 沒有尾氣處理的實驗裝置，致使NO2逸散到空氣中，造成環(huán)境污染。

1.3 蘇教版（2020年版）教材

圖3是蘇教版（2020年版）教材中實驗裝置［3］。該裝置利用實驗室常見器材進行組裝，操作簡單，且在實驗過程中利用排水法收集氣體，從而防止有毒氣體的逸散，但也存在以下不足：

（1） 缺少防倒吸裝置，水槽中的水容易倒流至試管中從而導致實驗失敗。

（2） 未對該反應生成的硝酸及無色的NO氣體進行說明和性質檢驗。

2 對已有改進實驗的述評

現(xiàn)有的教材實驗雖然完成了銅與濃硝酸的反應，并且具有操作簡單、現(xiàn)象明顯等優(yōu)點，但也存在藥品用量大、未檢驗產物相關性質及易造成環(huán)境污染等問題。針對這些問題，出現(xiàn)了不少的改進實驗，現(xiàn)就以下三類實驗方案進行分析。

方案一：圖4所示的實驗裝置沿用了人教版教材中控制銅絲的方式實現(xiàn)反應的隨時發(fā)生或停止，并通過多個帶有止水夾的橡膠管連接各部分裝置，利用蒸餾水以及從K4口吸入空氣以檢驗生成的氣體的性質［4］。但整個裝置較為復雜，藥品用量較大，且裝置內部會殘留大量的NO2氣體，拆卸裝置時造成有毒氣體的泄露，從而污染環(huán)境。

方案二：圖5所示的實驗裝置在完全密閉的條件下進行實驗，具有操作簡單、現(xiàn)象明顯、能有效處理尾氣和廢液、防止有毒氣體逸出造成環(huán)境污染的優(yōu)點［5］。但該實驗僅僅是生成氣體和處理尾氣與廢液的簡單實驗，未能驗證生成物NO2的性質，功能比較單一。

方案三：圖6所示的實驗裝置，通過注射器改變裝置內壓強，從而控制反應的停止與發(fā)生，不僅操作簡便，能夠檢驗NO2的性質，還能進一步完成銅與稀硝酸反應的實驗［6］。但該實驗同時也存在裝置較復雜、易殘留大量有毒氣體拆卸時氣體泄漏造成污染問題。

3 銅與濃硝酸反應實驗裝置的新設計

在分析銅與濃硝酸反應實驗裝置的基礎上，筆者提出了新的想法，以定制的玻璃儀器為實驗載體，通過上下拉動銅絲以控制反應的發(fā)生或停止。采用注射器滴入加有石蕊溶液的蒸餾水，對生成的NO2氣體進行性質檢驗，使用氣球平衡氣壓。在實驗結束后，用注射器注入氧氣使生成的NO氣體全部轉化為NO2，然后利用氫氧化鈉溶液進行尾氣處理和廢液處理。利用定制的玻璃儀器、注射器、翻口塞、氣球等實驗器材，設計了一種反應可控、操作簡單、現(xiàn)象明顯的實驗裝置，同時具有藥品用量小、較環(huán)保等特點，有利于教師在課堂上引導學生自己動手進行實驗，發(fā)展學生的綜合能力，落實學生化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.1 儀器與藥品

儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、定制玻璃儀器、氣球、5mL注射器（若干）、20mL注射器、翻口塞

藥品：市售濃硝酸（65%）、銅絲（直徑約1mm、長約25cm）、紫色石蕊溶液、蒸餾水、飽和氫氧化鈉溶液、氧氣

3.2 定制玻璃儀器和實驗裝置

定制如圖7所示的玻璃儀器。左邊的試管命名為“試管1”，右邊的試管命名為“試管2”，從左往右的支管口和試管口分別命名為“支管口1”“試管口1”“試管口2”“支管口2”。“試管1”和“試管2”總長均為80mm，其中試管口長為30mm，內徑為19mm；“支管口1”和“支管口2”長為30mm，內徑為14mm，裝置總長為148mm（忽略玻璃儀器的厚度）。利用上述玻璃儀器和其他儀器搭建的實驗裝置如圖7所示。

3.3 實驗涉及的主要化學反應

3.4 實驗操作步驟及現(xiàn)象

（1） 按圖7所示連接好實驗裝置，用注射器注入適量濃硝酸于試管1中，然后用裝載銅絲的翻口塞堵住試管口1，銅絲下端呈螺旋狀。使用封口膜封住四個管口，用注射器插入支管口2，抽取管內空氣，發(fā)現(xiàn)氣球變癟并且開始內縮，若松開注射器，則注射器自動回縮，證明裝置氣密性良好。

（2） 向下推動銅絲，使銅絲浸入到濃硝酸溶液中，銅絲與濃硝酸溶液劇烈反應，溶液迅速變?yōu)榫G色，同時產生大量紅棕色氣體NO2。NO2氣體迅速充滿整個玻璃儀器，氣球膨脹，此時抽拉銅絲，使銅絲與濃硝酸溶液分離，停止反應。

（3） 用注射器抽取3mL滴入紫色石蕊溶液的蒸餾水，從試管口2逐滴滴入玻璃儀器中，觀察到氣球逐漸變癟，試管2中的紅棕色逐漸變淺退為無色，滴入試管2中的紫色石蕊溶液變?yōu)榧t色。

（4） 利用注射器將提前制備好的氧氣從支管口2中注入試管2中，試管內的紅棕色瞬間加深，說明先前NO2與水反應不僅僅是生成了酸，還生成了NO氣體，而根據(jù)元素化合價升降代數(shù)和為零的原理可知生成的酸必然是HNO3。

（5） 向玻璃儀器中注入過量的氧氣，使無色NO氣體全部轉為紅棕色NO2，再分別向試管1和試管2中注入適量的飽和氫氧化鈉溶液，觀察到紅棕色氣體消失，試管1中的綠色溶液變?yōu)樗{色并出現(xiàn)藍色沉淀，試管2中的紅色石蕊溶液重新變?yōu)樽仙瑒t說明已完成了尾氣吸收和廢液處理。

3.5 新實驗裝置的優(yōu)點

新實驗裝置的優(yōu)點如下：

（1） 組裝簡單，便于操作。實驗主體裝置為相互連接的帶支管的試管型玻璃儀器，可以反復使用，也可以應用到銅與稀硝酸的實驗中，驗證生成的NO氣體。整個裝置不僅適用教師在課堂上演示實驗，也適用于學生分組實驗，提高學生的動手能力。

（2） 現(xiàn)象明顯，利于觀察。一方面，用注射器滴入紫色石蕊溶液，可清晰地觀察到儀器內氣體顏色逐漸變淺的動態(tài)過程，以及石蕊溶液紫色變?yōu)榧t色的具有強烈反差的實驗現(xiàn)象。另一方面，利用注射器向裝置中注入氧氣，觀察到有紅棕色氣體產生，不僅可以驗證NO2與水反應有NO生成，該反應為氧化還原反應，還能在實驗結束后注入過量氧氣，將裝置內所有的NO氣體全部轉化為NO2氣體，便于進行尾氣處理。

（3） 平衡氣壓，保證安全。氣球的使用不僅可以起到平衡氣壓的作用，也可暫時存儲生成的NO2氣體，有利于后續(xù)反應觀察到明顯的實驗現(xiàn)象。

（4） 密閉環(huán)境，防止泄漏。向密閉環(huán)境中注入飽和氫氧化鈉溶液進行尾氣吸收和廢液處理，有效地避免了有毒氣體的泄漏，從而解決了空氣污染問題，還能在這個過程中觀察到紅棕色消失、生成藍色沉淀、石蕊溶液變色等實驗現(xiàn)象，有利于控制加入的飽和氫氧化鈉溶液的量，避免浪費，充分利用實驗現(xiàn)象引發(fā)學生進一步的思考。

參考文獻：

［1］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學必修第二冊（2019年版）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 15.

［2］王磊主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊（2019年版）［M］. 濟南： 山東科學技術出版社， 2019： 119.

［3］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學必修第二冊（2020年版）［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2020： 41～42.

［4］楊香濤， 阮方來. 銅與濃、稀硝酸反應實驗的整合設計［J］. 化學教學， 2019， （10）： 70～72.

［5］李潤. 銅與濃、稀硝酸反應的改進實驗［J］. 化學教育（中英文）， 2018， 39（7）： 63～65.

［6］顏冬微， 吳雙桃， 劉藝， 黃沔銣. 銅與濃、稀硝酸反應的微量實驗設計［J］. 化學教學， 2017， （2）： 63～65.

*西華師范大學四川省教育發(fā)展研究中心2019年課題“新課標背景下高中化學實驗教學創(chuàng)新探究”（項目編號：CJF19090）研究成果之一。