馬東+張賢金

摘要：設(shè)計(jì)了銅與濃、稀硝酸一體化實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置。此裝置還可用于二氧化氮溶于水的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、一氧化氮的檢驗(yàn)、硝酸的檢驗(yàn)、尾氣零排放等多個(gè)實(shí)驗(yàn)。巧妙借助三通玻璃管，該實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)濃硝酸到稀硝酸的轉(zhuǎn)化，以及模擬制備硝酸的工業(yè)流程，且符合環(huán)保理念。

關(guān)鍵詞：硝酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)；三通玻璃管；硝酸制備工業(yè)流程；一體化設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）7–0060–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

銅和濃硝酸、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)非常重要的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，其在蘇教版教材[1]中使用的裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中先從分液漏斗中注入1mL濃硝酸，實(shí)現(xiàn)銅與濃硝酸反應(yīng)，再注入5mL水，稀釋濃硝酸，完成銅與稀硝酸反應(yīng)，繼而達(dá)到性質(zhì)檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。該裝置存在一些不足：（1）隨著氣體的不斷生成，具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大，導(dǎo)致分液漏斗中的水無法順利滴下；（2）無法驗(yàn)證銅與稀硝酸反應(yīng)生成的無色氣體是NO；（3）無尾氣吸收裝置，反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化氮最終保留在集氣瓶及具支試管中。隨著裝置的拆卸一氧化氮釋放到室內(nèi)，污染了環(huán)境，所以導(dǎo)致很多教師常以“看視頻”的形式代替做實(shí)驗(yàn)。

部分教師針對(duì)銅和濃硝酸反應(yīng)或銅和稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，如譚云生老師[2]在銅與濃硝酸反應(yīng)的改進(jìn)中，將銅片改為可抽動(dòng)的銅絲，可以控制反應(yīng)的發(fā)生與停止，使用膠頭滴管擠入水，水倒流到圓底燒瓶中，可以產(chǎn)生噴泉，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，實(shí)現(xiàn)了一套裝置的多種用途（見圖2）。該裝置存在的不足是：雖然在密閉條件下進(jìn)行，但實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的NO并未得到處理，隨著裝置的拆卸，勢(shì)必釋放到空氣中，污染環(huán)境。

蔣重凱老師[3]在銅和稀硝酸反應(yīng)的改進(jìn)中，選擇氫氧化鈉溶液吸收尾氣，但鑒于一氧化氮不能與氫氧化鈉溶液直接反應(yīng)，所以要在反應(yīng)過程中打開左側(cè)止水夾，使用洗耳球鼓入空氣，使裝置中的NO轉(zhuǎn)化為NO2（見圖3），解決了NO尾氣吸收的問題，但該裝置也有一定的缺陷即不能觀察到一氧化氮的無色狀態(tài)。

經(jīng)過文獻(xiàn)查閱與比較，筆者發(fā)現(xiàn)教師解決難點(diǎn)的方式大同小異：如觀察一氧化氮的無色，大多教師采取的是先制取二氧化碳，利用其排出空氣后觀察一氧化氮的無色，并配合使用洗耳球鼓入空氣，觀察氣體顏色的變化，從而證明生成的無色氣體為一氧化氮。尾氣吸收環(huán)節(jié)則采取氣囊收集或者鼓入空氣后用堿液吸收。鼓入空氣環(huán)節(jié)往往使用洗耳球，借助洗耳球鼓入空氣需要鼓入一次再重新吸入空氣后再鼓入，操作有些不便。此外有些裝置功能單一，藥品用量大，尾氣處理也并不恰當(dāng)。

也有不少教師將銅和濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)融合在一起，進(jìn)行了銅和濃、稀硝酸的一體化實(shí)驗(yàn)，如改進(jìn)裝置圖4[4]、圖5[5]、圖6[6]，實(shí)現(xiàn)了全封閉的環(huán)境，也能觀察到NO的顏色，但往往有NO殘留，無法實(shí)現(xiàn)NO的零排放，且裝置較為復(fù)雜，操作不方便，耗時(shí)長(zhǎng)。鄭長(zhǎng)龍教授曾經(jīng)指出，演示實(shí)驗(yàn)所采用的儀器和實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)力求簡(jiǎn)易、快速按時(shí)完成，這樣做是為了把學(xué)生的注意力吸引到實(shí)驗(yàn)裝置的主要部位上來，以減少因儀器過多裝置復(fù)雜而分散學(xué)生的注意力[7]。

2 本實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

2.1 設(shè)計(jì)靈感的來源

蘇教版教材在介紹硝酸性質(zhì)的同時(shí)，提供了工業(yè)制硝酸的流程圖（見圖7[8]），該過程本質(zhì)上是采用水和氧氣共同吸收氮氧化物制備硝酸。因此，銅與濃、稀硝酸產(chǎn)生的尾氣除了可以常用堿液吸收，也可以在實(shí)踐中選擇氧氣與水吸收以獲得硝酸，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，同時(shí)為工業(yè)制硝酸提供實(shí)驗(yàn)支撐。筆者集合教材和文獻(xiàn)中的裝置的優(yōu)點(diǎn)和不足，經(jīng)反復(fù)的修改和嘗試，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.2 裝置的改進(jìn)和創(chuàng)新

2.2.1 制作方法

取雙孔大橡膠塞、單孔小橡膠塞各一只，三通玻璃管上端接加壓球（也稱氣唧），下端左側(cè)的玻璃管穿過大小兩個(gè)橡膠塞，通入小玻璃瓶（內(nèi)裝銅片），在小玻璃瓶上加10mL注射器一支（內(nèi)裝1mL濃硝酸），作為反應(yīng)的發(fā)生裝置如圖8所示。最后把大橡膠塞和裝滿水的大塑料瓶連接起來，將20mL注射器（內(nèi)裝2mL紫色石蕊指示劑）針頭穿過橡膠塞通入大塑料瓶，組裝完成后的裝置如圖10、圖11所示（部分儀器零部件見圖9）。

2.2.2 藥品的選擇

反應(yīng)物的選擇：濃硝酸的濃度為12mol·L-1，濃度大反應(yīng)速率快，現(xiàn)象明顯；銅片的規(guī)格為2cm×2cm。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象和結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：按圖11所示組裝裝置，并檢驗(yàn)裝置的氣密性。在2支注射器中分別加入1mL濃HNO3（左）和2mL石蕊指示劑（右），接好針頭。大塑料瓶中加滿蒸餾水，把上部裝置連接好，注意小玻璃瓶（反應(yīng)器）勿進(jìn)水。

（2）銅與濃硝酸反應(yīng)：用左側(cè)注射器向小玻璃瓶中加入1mL濃硝酸，反應(yīng)開始；小玻璃瓶中會(huì)立即產(chǎn)生紅棕色氣體，溶液開始顯綠色，三通管中氣體也逐漸變紅棕色，大塑料瓶中的導(dǎo)氣管放出氣泡，先快后慢，產(chǎn)生均勻的氣泡。

（3）銅與稀硝酸反應(yīng)制取NO：向外拉動(dòng)左側(cè)注射器然后回位，小玻璃瓶中壓強(qiáng)減小，促使水經(jīng)過三通管倒吸進(jìn)入小玻璃瓶，使?jié)庀跛岜幌♂專芤侯伾優(yōu)樗{(lán)色，同時(shí)產(chǎn)生無色氣體，說明稀硝酸也能與銅發(fā)生反應(yīng)。

（4）NO的檢驗(yàn)：輕輕擠壓加壓球，空氣進(jìn)入，玻璃瓶中氣體顏色變?yōu)榧t棕色，證明前一反應(yīng)生成的氣體為NO。

（5）NO的吸收：繼續(xù)擠壓加壓球，注入空氣，同時(shí)抽動(dòng)左側(cè)注射器，水倒流到小玻璃瓶中，重復(fù)該操作數(shù)次，就像“呼吸”一樣，瓶中氣體反復(fù)反應(yīng)，直至注射器及瓶中氣體為無色為止。此時(shí)裝置中的氮氧化合物在氧氣和水的作用下完全轉(zhuǎn)化為硝酸。

（6）硝酸的檢驗(yàn)：用20mL注射器向大塑料瓶中注入2mL紫色石蕊，溶液變紅，證明最后溶液應(yīng)為硝酸溶液。

（7）NO吸收完全的檢驗(yàn)：右側(cè)注射器抽少量氣體后拔出并抽入空氣，注射器內(nèi)氣體顏色無變化，進(jìn)一步驗(yàn)證氮氧化合物已被吸收完全。

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）“全封閉”無需更換濃、稀硝酸。利用三通玻璃管實(shí)現(xiàn)濃稀硝酸的轉(zhuǎn)化，無需拆卸裝置，直觀對(duì)比銅與濃稀硝酸反應(yīng)現(xiàn)象的差異，加壓球代替洗耳球也使操作更加簡(jiǎn)便。

（2）裝置集合了銅與濃、稀硝酸一體化實(shí)驗(yàn)、二氧化氮溶于水的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、一氧化氮溶解性及一氧化氮與氧氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、生成硝酸的檢驗(yàn)、尾氣徹底被吸收的檢驗(yàn)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，藥品用量少，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)快速，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在7分鐘左右完成，適合課堂演示。

（3）“會(huì)呼吸”氮氧化合物、氧氣與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硝酸，硝酸從哪里來，回到哪里去，變廢為寶。此過程為工業(yè)生產(chǎn)流程中氮氧化物循環(huán)制硝酸提供了實(shí)驗(yàn)支撐，也實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保的要求。

（4）本裝置為“多功能”密閉裝置，可適用于固液混合不加熱型制取氣體，并進(jìn)行氣體性質(zhì)的檢驗(yàn)。如二氧化硫的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、氯氣的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、硫化氫的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)等。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新應(yīng)回歸教材，能體會(huì)實(shí)驗(yàn)的功能和價(jià)值，理解實(shí)驗(yàn)背后所蘊(yùn)涵的意義，承載知識(shí)的傳遞作用，更重要的是觀念的滲透，最大程度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的多重功能屬性。在改進(jìn)和創(chuàng)新中，不但能使學(xué)生感受化學(xué)的設(shè)計(jì)之美，同時(shí)也能帶來視覺上的震撼，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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