葉永謙 張賢金 吳新建

摘要：針對(duì)銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)存在現(xiàn)象不夠明顯、裝置過(guò)于復(fù)雜等不足，從藥品和儀器的選擇兩方面進(jìn)行探索，設(shè)計(jì)了一套可用于銅與濃、稀硝酸連續(xù)反應(yīng)的演示裝置，并介紹了實(shí)驗(yàn)的步驟和現(xiàn)象。該演示裝置具有構(gòu)思巧妙、簡(jiǎn)約明了、安全環(huán)保等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：銅與硝酸；連續(xù)反應(yīng)；藥品和儀器選擇；演示裝置設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）7–0060–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

銅與濃、稀硝酸反應(yīng)分別生成紅棕色的二氧化氮?dú)怏w和無(wú)色的一氧化氮?dú)怏w，因氣體均有毒性，且硝酸具有腐蝕性，對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，一般都是從綠色化、微型化方向進(jìn)行研究。但是，微型化可能由于演示裝置過(guò)于微小或者現(xiàn)象不夠明顯，影響觀察的效果；為了做到銅既和濃硝酸反應(yīng)，又和稀硝酸反應(yīng)，并保證安全環(huán)保，裝置設(shè)計(jì)往往過(guò)于復(fù)雜。本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)通過(guò)使用固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體演示裝置，進(jìn)行銅與濃、稀硝酸的連續(xù)反應(yīng)，使該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、安全環(huán)保。

1 藥品的選擇

由于實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氮氧化合物氣體需吸收處理，所用到的硝酸具有腐蝕性，為了達(dá)到綠色化要求，本實(shí)驗(yàn)除了使用氫氧化鈉溶液吸收氮氧化合物氣體外，還就銅片的規(guī)格、數(shù)量，硝酸的濃度進(jìn)行研究。

1.1 銅片的選擇

實(shí)驗(yàn)室的單質(zhì)銅一般有銅粉、銅箔和銅片三種，前兩種由于反應(yīng)太快，一般遇到濃硝酸短時(shí)間就全部溶解掉，無(wú)法再設(shè)計(jì)與稀硝酸的反應(yīng)，且實(shí)驗(yàn)難以控制，瞬間產(chǎn)生大量的有毒氣體無(wú)法全部處理。因此，本實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)3cm、寬1cm、厚0.2cm的銅片三塊，保證有足夠的量與濃硝酸反應(yīng)后再與稀硝酸反應(yīng)，且反應(yīng)較溫和，產(chǎn)生有毒氣體氣流平穩(wěn)有利于吸收和處理。

1.2 硝酸濃度的選擇

濃硝酸與銅反應(yīng)若要觀察到紅棕色的氣體，必須達(dá)到一定濃度，但是濃度太高有可能因反應(yīng)過(guò)于劇烈而無(wú)法控制造成危險(xiǎn)，產(chǎn)生的有毒氣體也無(wú)法及時(shí)處理。同時(shí)，銅片短時(shí)間內(nèi)全部溶解，無(wú)法觀察到其與稀硝酸反應(yīng)的現(xiàn)象；如果硝酸濃度不夠，則無(wú)法觀察到紅棕色氣體[1]。經(jīng)過(guò)對(duì)照反應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)最終選擇的硝酸濃度在6 mol·L-1左右，有利于控制反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行并能觀察到明顯現(xiàn)象。

2 儀器的選擇

2.1 可視化、簡(jiǎn)約化角度的選擇

化學(xué)學(xué)科的演示實(shí)驗(yàn)，不僅要為學(xué)生提供正確而有說(shuō)服力的感性知識(shí)，還要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和思維能力，提高科學(xué)素養(yǎng)。為了提高演示實(shí)驗(yàn)的效果，設(shè)計(jì)時(shí)必須關(guān)注現(xiàn)象的清晰性和操作的簡(jiǎn)練性[2]，方便教師在幾分鐘內(nèi)將實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、儀器藥品、操作步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等講解清楚。因此，為了使學(xué)生在演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中既“看得清”又“看得懂”，儀器的選擇要滿足現(xiàn)象可視化、裝置簡(jiǎn)約化的要求。佃武杰等在“銅與濃、稀硝酸反應(yīng)微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”[3]一文中的裝置（圖1）設(shè)計(jì)巧妙，能實(shí)現(xiàn)銅與濃、稀硝酸反應(yīng)，但在課堂演示過(guò)程中，可視度方面略顯不足。張澤志等在“銅與硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”[4]一文中的裝置（圖2），能明顯對(duì)比銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的差別，但裝置設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，不利于學(xué)生直觀理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程?；谝陨显?，不宜選用注射器、點(diǎn)滴管、小試管等進(jìn)行儀器設(shè)計(jì)，將簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)復(fù)雜化。

2.2 連續(xù)反應(yīng)角度的選擇

本實(shí)驗(yàn)屬于塊狀固體與液體作用產(chǎn)生難溶性氣體的反應(yīng)，啟普發(fā)生器及其簡(jiǎn)易裝置也是選擇的方向之一。但要使銅與濃硝酸反應(yīng)后繼續(xù)與稀硝酸反應(yīng)，必須在反應(yīng)一段時(shí)間后流出濃硝酸，再注入蒸餾水得到稀硝酸，啟普發(fā)生器類裝置無(wú)法實(shí)

現(xiàn)這個(gè)功能。因此，固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體演示裝置[5]是較為合理的選擇。為了防止反應(yīng)產(chǎn)生的毒氣吸收不夠完全導(dǎo)致環(huán)境污染，在本實(shí)驗(yàn)裝置中改裝后的筒形恒壓漏斗下管口處增加一個(gè)倒扣的塑料漏斗，以確保實(shí)驗(yàn)安全。具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

在上述裝置中，改裝的恒壓漏斗是反應(yīng)的發(fā)生裝置，三角漏斗用于注入濃硝酸和承裝反應(yīng)后被壓出的液體，n形彎管及外玻璃管用于導(dǎo)出反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，內(nèi)玻璃管及玻璃活塞1用于控制濃硝酸的流出，玻璃活塞2用于控制氣體的導(dǎo)出，倒扣的塑料漏斗用于防止因氫氧化鈉吸收氮氧氣體不完全而導(dǎo)致毒氣泄漏。

3 實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

3.1 銅與濃硝酸反應(yīng)及二氧化氮處理

3.1.1 濃硝酸的配制

往恒壓漏斗中加入銅片后，量取40mL 65%～69%濃硝酸溶解在60mL蒸餾水中稀釋配制成濃度為6 mol·L-1左右的硝酸，從三角漏斗中倒入恒壓漏斗至充滿，關(guān)閉彎管玻璃活塞2。

3.1.2 二氧化氮的生成

銅片接觸濃硝酸后，表面立即有氣泡產(chǎn)生，溶液變淺綠色，反應(yīng)較為緩慢。一段時(shí)間后，反應(yīng)加快，恒壓漏斗上端有紅棕色氣體產(chǎn)生，將溶液壓入三角漏斗中，在液面上滴加適量植物油覆蓋，防止溶液中溶有的二氧化氮?dú)怏w逸出。

3.1.3 二氧化氮的吸收

觀察到明顯的紅棕色二氧化氮?dú)怏w生成后，打開(kāi)彎管玻璃活塞2，三角漏斗中的液體下降?？刂屏魉?，讓恒壓漏斗中紅棕色氣體形成緩慢氣流全部被氫氧化鈉溶液吸收。

3.2 銅與稀硝酸反應(yīng)和氮氧化合物氣體處理

3.2.1 稀硝酸的配制

當(dāng)恒壓漏斗中紅棕色氣體全部被排出后，打開(kāi)漏斗下方玻璃活塞1，使溶液流出，燒杯中有藍(lán)色沉淀生成。溶液流出過(guò)程中可能伴有氮氧化合物氣體，由于恒壓漏斗下口浸在氫氧化鈉溶液中且設(shè)計(jì)有倒扣的漏斗，可以有效吸收該氣體。待溶液流出大約30mL左右，關(guān)閉玻璃活塞1，往三角漏斗中加入蒸餾水，打開(kāi)彎管玻璃活塞2，使蒸餾水順利流入并充滿恒壓漏斗形成濃度為4 mol·L-1左右的稀硝酸。

3.2.2 一氧化氮的生成和檢驗(yàn)

硝酸被稀釋后，溶液顏色變?yōu)闇\藍(lán)色，銅片表面氣泡繼續(xù)產(chǎn)生。一段時(shí)間后，恒壓漏斗上部產(chǎn)生無(wú)色氣體，并將溶液壓入三角漏斗中。接著，打開(kāi)玻璃活塞1，使恒壓漏斗中稀硝酸全部流出，隨著空氣的進(jìn)入，恒壓漏斗中無(wú)色氣體立即變?yōu)榧t棕色。通過(guò)以上現(xiàn)象，可以證明銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的無(wú)色氣體是一氧化氮。

3.2.3 有毒氣體的吸收

當(dāng)恒壓漏斗中液體全部流出后，關(guān)閉玻璃活塞1，打開(kāi)彎管玻璃活塞2，往三角漏斗中加蒸餾水，將恒壓漏斗中有毒氣體全部排到氫氧化鈉溶液中吸收，實(shí)驗(yàn)完成。

4 設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，可以明顯地觀察到銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生紅棕色氣體，與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生無(wú)色氣體，該無(wú)色氣體遇空氣后又變?yōu)榧t棕色氣體。在有效提高實(shí)驗(yàn)演示的可視化程度的同時(shí)，還具有以下亮點(diǎn)。

4.1 構(gòu)思巧妙

本實(shí)驗(yàn)巧妙地運(yùn)用濃、稀硝酸產(chǎn)生二氧化氮和一氧化氮的界限進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)濃硝酸的流出和蒸餾水的加入實(shí)現(xiàn)硝酸濃度從6 mol·L-1到4 mol·L-1的變化，從而觀察到明顯的紅棕色氣體和無(wú)色氣體，且該無(wú)色氣體可再轉(zhuǎn)化為紅棕色氣體。

4.2 簡(jiǎn)約明了

本實(shí)驗(yàn)所用的儀器方便易得，且價(jià)格便宜，便于推廣使用。操作步驟簡(jiǎn)練，實(shí)驗(yàn)一氣呵成，時(shí)間在7分鐘左右，適合課堂上演示，使實(shí)驗(yàn)“看得清”和“看得懂”。

4.3 安全環(huán)保

本實(shí)驗(yàn)使用氫氧化鈉處理有毒的氣體，使用大容積外管確保毒氣充分吸收，并使用植物油、倒扣的塑料漏斗防止毒氣外逸。在確保實(shí)驗(yàn)安全的同時(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生綠色環(huán)保的意識(shí)。

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