銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗簡易裝置的設(shè)計

劉亞莉　吳霞　劉茜　楊麗君

摘要： 對高中化學(xué)教材中“銅與濃、稀硝酸反應(yīng)”的實驗裝置進行評析與改進設(shè)計。使用具支試管等儀器將銅與硝酸反應(yīng)、氮氧化物間的轉(zhuǎn)化實驗整合在一套密封裝置中分別連續(xù)進行；借助pH傳感器實時監(jiān)測反應(yīng)過程中二氧化氮溶于水后溶液pH的變化。該實驗裝置具有現(xiàn)象明顯、操作簡單、反應(yīng)可控、安全環(huán)保等特點。

關(guān)鍵詞： 銅與硝酸反應(yīng)； 簡易裝置； 實驗改進

文章編號： 10056629（2023）11006804 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題提出

銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗是學(xué)生探究硝酸具有氧化性的重要實驗，硝酸的濃度不同，與金屬（銅）反應(yīng)的產(chǎn)物也不同?，F(xiàn)行人教版教材中用抽動的銅絲和試管設(shè)計該實驗，其目的是證明銅與濃硝酸反應(yīng)生成NO2，銅與稀硝酸反應(yīng)生成NO。在該實驗的實施過程中發(fā)現(xiàn)有以下幾點不足：（1）銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗是分開進行的，硝酸用量比較大，不符合節(jié)約與環(huán)保的理念。（2）開始前試管內(nèi)存有空氣，使得反應(yīng)生成的NO氣體與試管中存有的氧氣反應(yīng)生成NO2，干擾了實驗結(jié)果。（3）抽動的銅絲雖然可以控制反應(yīng)的進程，但仍伴隨著氣體逸出，會污染環(huán)境。（4）不易有效驗證NO與O2反應(yīng)生成NO2，如果要驗證則需要取下橡膠塞，這樣會使NO和NO2氣體逸散到空氣中，造成環(huán)境污染。（5）尾氣處理不完全，實驗完成后試管內(nèi)仍殘存較多的NO2和NO氣體會污染教學(xué)環(huán)境。

2 相關(guān)文獻簡評

為了解銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗研究的進展與現(xiàn)狀，查閱大量文獻，發(fā)現(xiàn)研究銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的文章較多，主要集中在以下幾個方面：（1）對實驗進行微型化處理，減少藥品的使用與污染物的生成［1］；（2）對實驗進行連續(xù)化或者一體化改進［2～5］，即把銅與濃、稀硝酸反應(yīng)以及對氮氧化物性質(zhì)的檢驗整合在一起，但又存在操作復(fù)雜、材料不易獲得、現(xiàn)象不夠明顯等問題；（3）單獨對銅與稀硝酸反應(yīng)實驗進行一體化設(shè)計，同時用NaOH溶液對尾氣進行處理［6，7］；（4）設(shè)計密閉的實驗環(huán)境減少污染［8］。以上實驗設(shè)計雖各有所長，但也存在裝置較復(fù)雜、不易操作等問題，有的只對現(xiàn)象作定性分析，沒有結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行定量分析。

為此我們設(shè)計了新的銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的簡易裝置，借助pH傳感器測定銅與濃、稀硝酸反應(yīng)生

成的二氧化氮溶于水之后溶液pH的變化；通過宏觀現(xiàn)象以及曲線分析表明：銅與濃硝酸反應(yīng)生成紅棕色氣體（NO2），銅與稀硝酸反應(yīng)生成無色氣體（NO）；證明硝酸具有氧化性；硝酸濃度不同則生成的產(chǎn)物也不同；其中反應(yīng)產(chǎn)物涉及氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化：二氧化氮易溶于水生成一氧化氮，一氧化氮與氧氣反應(yīng)生成二氧化氮。

3 實驗部分

3.1 儀器及試劑

實驗儀器：Vernier數(shù)據(jù)采集器、計算機（安裝LoggerPro軟件）、pH傳感器、具支試管（15×150mm）1個、具支試管（30×200mm）1個、B型磁力攪拌子1個、條形磁鐵1個、氣球2個、20mL注射器2個、10mL量筒2個、單孔橡膠塞2個、橡膠管若干、V型管1個

實驗藥品：銅絲、市售濃硝酸（65%～68%）、蒸餾水、碳酸氫鈉固體

3.2 銅與稀硝酸反應(yīng)實驗

教材中關(guān)于銅與稀硝酸反應(yīng)實驗沒有限定稀硝酸具體的濃度，如果硝酸的濃度過低，反應(yīng)速率很慢，不利于進行演示實驗；為了加快反應(yīng)速率，讓硝酸濃度過高或者進行加熱，又會導(dǎo)致生成NO2，造成實驗失敗等問題［9］。為能直觀地觀察到銅與稀硝酸反應(yīng)生成無色的NO氣體，NO氣體又與氧氣反應(yīng)生成紅棕色的NO2氣體，同時對尾氣進行綠色化處理，對“銅與稀硝酸反應(yīng)”實驗進行了改進，使一氧化氮的制取、氧化，二氧化氮溶于水、尾氣處理等實驗集于一體。

3.2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

3.2.2 實驗步驟

（1） 按圖1組裝實驗裝置并檢查其氣密性。用量筒分別量取1mL濃硝酸與3mL蒸餾水于具支試管內(nèi)。

（2） 將綁有銅絲的B型磁力攪拌子放于具支試管內(nèi)，并用條形磁鐵置于外部從而固定內(nèi)部銅絲的位置，塞上橡膠塞。

（3） 向V型管中加入適量的碳酸氫鈉粉末并關(guān)閉止水夾1，用注射器A吸取少量稀硝酸，與V型管連接緩慢推入管內(nèi)，反應(yīng)一段時間后用燃著的木條放到具支試管的支管口檢驗是否把裝置內(nèi)的空氣排盡。

（4） 接著在具支試管的支管口套上氣球，關(guān)閉止水夾2，移動磁力攪拌子使銅絲與稀硝酸反應(yīng)，看到氣球變大后，停止反應(yīng)，緩慢拉動注射器B的活塞收集一定體積的NO氣體。

（5） 將注射器B從橡膠塞中抽出，套上注射器針頭（含針頭塑料套），繼續(xù)緩慢拉注射器B活塞吸入一定體積的氧氣，當無色氣體變成紅棕色氣體后，接著吸取適量的水，觀察實驗現(xiàn)象。

（6） 實驗結(jié)束后，用注射器B吸取5mL 5%的NaOH溶液注入反應(yīng)裝置里面，進行尾氣處理，避免污染空氣。

3.2.3 實驗現(xiàn)象

（1） V型管中碳酸氫鈉粉末表面有氣泡產(chǎn)生，燃著的木條熄滅，說明產(chǎn)生了二氧化碳，排盡反應(yīng)裝置內(nèi)的空氣，實驗原理是NaHCO3+HNO3NaNO3+CO2↑+H2O。

（2） 隨著銅絲與稀硝酸接觸，反應(yīng)開始，銅絲表面產(chǎn)生無色氣泡，氣球逐漸變大，說明產(chǎn)生了無色氣體（NO），反應(yīng)溶液由無色變?yōu)樗{色，實驗原理是3Cu+8HNO3（?。?NO↑+3Cu（NO3）2+4H2O。

（3） 用注射器B收集10mL NO，再吸入5mL O2，無色氣體迅速變成紅棕色，活塞在10mL刻度處，說明無色NO氣體與O2反應(yīng)生成紅棕色NO2氣體（2NO+O22NO2），接著吸入5mL水之后紅棕色氣體消失（3NO2+H2O2HNO3+NO），注射器內(nèi)總體積減少，最終得到無色溶液和無色氣體，活塞處于大于9mL刻度處［10］。此現(xiàn)象為證明銅與稀硝酸反應(yīng)生成NO氣體提供了有力的證據(jù)。

3.2.4 有關(guān)說明

（1） 銅絲與稀硝酸反應(yīng)速率較慢，為加快反應(yīng)速率，可對其反應(yīng)裝置進行水浴加熱（45℃），使學(xué)生能在較短時間內(nèi)觀察到實驗現(xiàn)象。

（2） 通過觀察銅絲表面產(chǎn)生的氣泡量以及NO2出現(xiàn)時間的長短可得出制備NO所需稀硝酸的最佳濃度為濃硝酸與蒸餾水的體積比為1∶3。

（3） 銅絲與稀硝酸反應(yīng)前排除裝置內(nèi)的空氣，避免氧氣與NO發(fā)生反應(yīng)生成NO2，導(dǎo)致實驗失敗。

（4） 注射器B收集的NO氣體還可以進行氮氧化物之間轉(zhuǎn)化的定量實驗，通過引導(dǎo)學(xué)生觀察注射器活塞所處的刻度，強化氮氧化物性質(zhì)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識。

上述銅與稀硝酸反應(yīng)生成無色的NO，說明硝酸具有氧化性，也驗證了NO與NO2之間的轉(zhuǎn)化，但無法說明硝酸濃度不同，其反應(yīng)產(chǎn)物也不同。為解決這一問題，并進一步探究不同濃度硝酸的氧化性，借助pH傳感器設(shè)計了銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的簡易裝置。

3.3 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗

3.3.1 實驗裝置

實驗裝置見圖2。

3.3.2 實驗步驟

（1） 按圖2所示連接好實驗裝置并檢查其氣密性。

（2） 量取1mL的濃硝酸于具支試管A中，選取一段40cm長的銅絲，上端纏繞于B型磁力攪拌子上，下端繞成螺旋狀，長約4cm。

（3） 將綁有銅絲的B型磁力攪拌子放于具支試管A內(nèi)，用條形磁鐵置于玻璃管外部從而固定內(nèi)部銅絲的位置，再塞上連接有導(dǎo)管的橡膠塞。

（4） 量取10mL的蒸餾水于具支試管B中，放入pH傳感器，打開Vernier LoggerPro軟件，設(shè)置好參數(shù)后點擊采集按鈕，接著移動條形磁鐵使銅絲與濃硝酸接觸發(fā)生反應(yīng)。

（5） 反應(yīng)3秒左右后上移條形磁鐵停止反應(yīng)，用注射器加入3mL蒸餾水，再移動條形磁鐵使銅與稀硝酸反應(yīng)。

（6） 當紅棕色氣體消失的時候，打開止水夾，用洗耳球?qū)⒖諝饨?jīng)導(dǎo)管慢慢打入具支試管A中，提醒學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)再次出現(xiàn)紅棕色氣體。

（7） 重復(fù)鼓氣，將一氧化氮全部轉(zhuǎn)化為二氧化氮，同時將裝置內(nèi)部殘留的NO2氣體全部排出被蒸餾水溶液吸收。

3.3.3 實驗現(xiàn)象

（1） 銅絲與濃硝酸接觸反應(yīng)劇烈，試管壁發(fā)熱，銅絲表面產(chǎn)生大量紅棕色氣泡，無色溶液變成綠色溶液［Cu+4HNO3（濃）2NO2↑+Cu（NO3）2+2H2O］。

（2） 可觀察到電腦上呈現(xiàn)試管B中溶液pH隨時間變化曲線圖（如圖3所示）。其中AB段為實驗前蒸餾水的pH。BC段pH迅速下降到3左右后趨于平緩，說明銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的NO2氣體溶于水生成HNO3。

（3） 加水稀釋濃硝酸后，銅絲與稀硝酸反應(yīng)可觀察到銅絲表面產(chǎn)生大量無色氣泡，生成藍色溶液［3Cu+8HNO3（?。?NO↑+3Cu（NO3）2+4H2O］，產(chǎn)生的無色氣體將裝置內(nèi)的紅棕色氣體趕到具支試管B內(nèi)，試管B中溶液pH緩慢下降到2.8左右趨于平緩（CD段）。

（4） 通入空氣后，再次出現(xiàn)紅棕色氣體（2NO+O22NO2），繼續(xù)鼓氣使一氧化氮全部轉(zhuǎn)化為二氧化氮。NO2進入具支試管B中與水反應(yīng)生成硝酸，pH再次迅速下降到2左右趨于平緩（DE段），說明稀硝酸與銅反應(yīng)生成NO，一氧化氮與氧氣反應(yīng)再次生成NO2。

3.3.4 有關(guān)說明

（1） 濃硝酸（65%～68%）濃度不宜太高，濃度太高有可能因反應(yīng)過于劇烈而無法控制造成危險，產(chǎn)生的有毒氣體也無法及時處理。

（2） 本實驗選用40cm的銅絲纏在磁力攪拌子上進行實驗，保證銅絲與濃硝酸反應(yīng)后再與稀硝酸反應(yīng)，且銅絲與濃硝酸反應(yīng)速率較快。

（3） 銅與濃硝酸反應(yīng)是放熱反應(yīng)，為后面銅與稀硝酸反應(yīng)提供了一定的熱量，加快其反應(yīng)速率。

（4） 注意反應(yīng)順序，銅絲先與濃硝酸反應(yīng)，后加水銅與稀硝酸反應(yīng)，間隔時間不要太短，現(xiàn)象更明顯。

3.4 實驗注意事項

（1） 實驗進行之前需要對實驗裝置進行氣密性檢查，避免空氣對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

（2） 實驗的時候需要戴上橡膠手套和口罩，濃硝酸具有強烈的腐蝕性和揮發(fā)性。

3.5 實驗總結(jié)

（1） 銅與稀硝酸反應(yīng)實驗裝置排除了空氣中氧氣對實驗的干擾，實驗現(xiàn)象明顯，能直觀地觀察到銅與稀硝酸反應(yīng)的實驗現(xiàn)象以及實現(xiàn)氮氧化物之間的定量轉(zhuǎn)化與性質(zhì)檢驗，有助于學(xué)生形成良好的證據(jù)推理意識。

（2） 在全封閉體系中連續(xù)演示銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗，一氧化氮氧化實驗、二氧化氮溶于水的數(shù)字化實驗，使多步反應(yīng)一體化、實驗操作程序化、裝置功能集成化。

（3） 上述兩個改進裝置可隨時控制反應(yīng)的發(fā)生與停止，既可作為教師演示實驗，又可作為學(xué)生分組實驗，有助于學(xué)生開展探究活動，形成良好的創(chuàng)新意識。

（4） 上述兩個實驗裝置簡單，取材、制作方便，操作簡潔，有利環(huán)保，且實驗現(xiàn)象明顯，重現(xiàn)性好，易于推廣。

參考文獻：

［1］顏冬微， 吳雙桃， 劉藝等. 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的微量實驗設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （2）： 63～65.

［2］楊香濤， 阮方來. 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的整合設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （10）： 70～72.

［3］葉永謙， 張賢金， 吳新建. 銅與濃、稀硝酸連續(xù)反應(yīng)演示實驗的再改進［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （7）： 60～61， 64.

［4］伍強， 方瑞光. 銅與硝酸反應(yīng)實驗的一體化設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （6）： 60～63.

［5］董軍. 濃、稀硝酸與銅反應(yīng)的綜合實驗設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （1）： 61～64.

［6］李德前， 魏海， 張羿. “銅與稀硝酸反應(yīng)”一體化實驗設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （9）： 70～72.

［7］姚亮發(fā)， 鄭柳萍， 張賢金等. 基于證據(jù)推理意識的銅與稀硝酸反應(yīng)實驗的新設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， （12）： 75～77.

［8］魏海， 李德前. “雙注射器組合裝置”的制作與應(yīng)用——以銅與硝酸反應(yīng)的系列實驗為例［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （11）： 69～71.

［9］戈益超， 朱成東， 劉帥東. 基于傳感器探究實驗室制備NO的條件［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2021， （7）： 57～60.

［10］伍強， 方瑞光. 銅與硝酸反應(yīng)實驗的一體化設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （6）： 60～63.