楊香濤　阮方來(lái)

摘要： 對(duì)銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，采用新的實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的有效控制，完成二氧化氮、一氧化氮?dú)怏w的制備和性質(zhì)檢驗(yàn)，較好解決了殘留二氧化氮和一氧化氮?dú)怏w逸出所產(chǎn)生的污染問(wèn)題，體現(xiàn)了對(duì)環(huán)境友好的設(shè)計(jì)理念。

關(guān)鍵詞： 銅與濃、稀硝酸反應(yīng); 一氧化氮和二氧化氮; 環(huán)境友好實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)整合設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2019）10007003中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題提出

現(xiàn)行高中化學(xué)蘇教版必修教材《化學(xué)1》專題4第二單元第三節(jié)“硝酸的性質(zhì)”一節(jié)中，對(duì)硝酸的性質(zhì)進(jìn)行了探究，并設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置[1]，在利用該裝置探究濃、稀硝酸的性質(zhì)時(shí)，并不能證明集氣瓶?jī)?nèi)收集到的無(wú)色氣體就是一氧化氮，同時(shí)裝置中殘留的氣體會(huì)逸出造成環(huán)境污染;該反應(yīng)由于使用銅片與濃、稀硝酸直接反應(yīng)，不便于控制反應(yīng)的發(fā)生和結(jié)束，浪費(fèi)了藥品;另外教材第102頁(yè)“練習(xí)與實(shí)踐3”中利用如圖2所示的兩套裝置來(lái)探究銅與稀硝酸的反應(yīng)及一氧化氮?dú)怏w的相關(guān)性質(zhì)[2]，這兩套裝置同樣具有不便于控制反應(yīng)的發(fā)生和結(jié)束、浪費(fèi)藥品及一氧化

氮和二氧化氮?dú)怏w逸出引發(fā)污染等問(wèn)題。為此，我們?cè)诮滩膶?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了整合設(shè)計(jì)，較好地解決了上述問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)思想

教材實(shí)驗(yàn)雖然在同一裝置中完成了銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)，但沒(méi)有很好解決藥品用量、實(shí)驗(yàn)操作、氮氧化物相關(guān)性質(zhì)的檢驗(yàn)及環(huán)境污染等問(wèn)題。為此，我們的實(shí)驗(yàn)整合設(shè)計(jì)著重解決以下五個(gè)問(wèn)題： 一是銅與濃、稀硝酸反應(yīng)裝置的可控性[3];二是實(shí)驗(yàn)藥品用量的最小化;三是二氧化氮和一氧化氮?dú)怏w性質(zhì)的驗(yàn)證;四是殘留二氧化氮和一氧化氮?dú)怏w引發(fā)的污染;五是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理、安全無(wú)污染，體現(xiàn)了對(duì)環(huán)境友好的設(shè)計(jì)理念。

3 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理和所要解決的問(wèn)題，形成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路如下：

（1） 用可抽動(dòng)的銅絲代替銅片，便于控制反應(yīng)的發(fā)生與結(jié)束。

（2） 利用銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化氮?dú)怏w排出裝置內(nèi)的空氣。

（3） 通過(guò)具支試管和裝置下方集氣瓶?jī)?nèi)生成氣體的顏色驗(yàn)證二氧化氮?dú)怏w的生成。

（4） 利用裝置下方集氣瓶和燒杯中的氫氧化鈉溶液吸收二氧化氮?dú)怏w。

（5） 通過(guò)對(duì)K4的控制和裝置上方集氣瓶?jī)?nèi)氣體顏色及液面的變化驗(yàn)證一氧化氮?dú)怏w的生成、一氧化氮?dú)怏w與氧氣的反應(yīng)及二氧化氮?dú)怏w、氧氣與水的反應(yīng)。

（6） 整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)處于液封狀態(tài)，有利于氣體的檢驗(yàn)和有毒氣體的吸收[4]。

5.4 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

5.4.1 銅與濃硝酸的反應(yīng)

（1） 按圖3所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置，檢查裝置的氣密性，并裝好試劑（其中向具支試管中加入2mL 15.0mol·L-1濃硝酸，向分液漏斗中加入5mL蒸餾水，向裝置下方的集氣瓶和燒杯中分別加入50mL 6.0mol·L-1氫氧化鈉溶液，向裝置上方的集氣瓶中加滿蒸餾水）。

（2） 先關(guān)閉K2、 K3、 K4，打開(kāi)K1。

（3） 將銅絲插入到濃硝酸中，此時(shí)銅絲與濃硝酸立即反應(yīng)，觀察到銅絲表面有大量氣泡產(chǎn)生，具支試管中的溶液逐漸由無(wú)色變?yōu)榫G色，具支試管和裝置下方的集氣瓶?jī)?nèi)充滿紅棕色氣體。

（4） 待觀察到上述現(xiàn)象后，將銅絲抽離濃硝酸，反應(yīng)立即停止。靜置，發(fā)現(xiàn)裝置下方集氣瓶?jī)?nèi)氣體的紅棕色逐漸褪去，燒杯中有部分氫氧化鈉溶液倒吸入集氣瓶中。

5.4.2 銅與稀硝酸的反應(yīng)

（5） 打開(kāi)分液漏斗活塞，向具支試管中加入5mL蒸餾水，迅速關(guān)閉分液漏斗活塞，靜置，一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)具支試管內(nèi)氣體由紅棕色逐漸變?yōu)闊o(wú)色，溶液由綠色變?yōu)樗{(lán)色。

（6） 關(guān)閉K1，打開(kāi)K2、 K3。

（7） 將銅絲插入具支試管內(nèi)的稀硝酸中，觀察到銅絲表面有氣泡緩慢產(chǎn)生，液面上方氣體仍為無(wú)色，同時(shí)可以觀察到裝置上方的集氣瓶中液面下降，且液面上方氣體呈無(wú)色，當(dāng)液面下降至圖示實(shí)線處，將銅絲抽離稀硝酸，關(guān)閉K2。

（8） 打開(kāi)K4，吸入空氣一段時(shí)間，然后關(guān)閉K4。此時(shí)觀察到裝置上方的集氣瓶?jī)?nèi)無(wú)色氣體逐漸變?yōu)榧t棕色，一段時(shí)間后，集氣瓶?jī)?nèi)氣體顏色逐漸變淺直至無(wú)色，同時(shí)液面又逐漸上升。

5.5 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

（1） 用可抽拉銅絲代替銅片，便于控制反應(yīng)的發(fā)生與結(jié)束。

（2） 上述實(shí)驗(yàn)第（3）步中，當(dāng)銅絲與濃硝酸反應(yīng)后，具支試管中的溶液逐漸變成綠色，是由于反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化氮?dú)怏w部分溶解于濃硝酸中使溶液呈黃色，當(dāng)與藍(lán)色的硝酸銅溶液混合后溶液便呈綠色。另外根據(jù)銅與濃硝酸反應(yīng)生成的氣體為紅棕色，可以證明反應(yīng)中生成的氣體為二氧化氮。當(dāng)二氧化氮?dú)怏w接觸到裝置下方集氣瓶和燒杯中的氫氧化鈉溶液后會(huì)被吸收，發(fā)生反應(yīng)2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O，所以在第（4）步中可以觀察到氣體的紅棕色逐漸褪去，又由于集氣瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)變小，所以燒杯中的氫氧化鈉溶液會(huì)倒吸入集氣瓶中。

（3） 第（5）步中，向具支試管中加入蒸餾水，不僅稀釋了具支試管中的濃硝酸，還與具支試管及溶液中的二氧化氮?dú)怏w反應(yīng)生成了一氧化氮?dú)怏w，發(fā)生反應(yīng)3NO2+H2O2HNO3+NO，所以一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)具支試管內(nèi)氣體由紅棕色逐漸變?yōu)闊o(wú)色，溶液由綠色變?yōu)樗{(lán)色。

（4） 第（8）步中，由于裝置上方的集氣瓶與外界相通，在重力的作用下，集氣瓶中的蒸餾水通過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入燒杯導(dǎo)致液面下降，同時(shí)由于集氣瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)減小，外界空氣會(huì)被吸進(jìn)集氣瓶?jī)?nèi)，所以集氣瓶?jī)?nèi)的無(wú)色氣體又逐漸變?yōu)榧t棕色，發(fā)生反應(yīng)2NO+O22NO2，由此可以證明銅與稀硝酸反應(yīng)生成的無(wú)色氣體為一氧化氮。一段時(shí)間后，氣體顏色逐漸變淺直至無(wú)色，這是由于生成的二氧化氮?dú)怏w與吸入空氣中的氧氣溶于水生成硝酸，發(fā)生反應(yīng)4NO2+O2+2H2O4HNO3，同時(shí)由于上述反應(yīng)的發(fā)生使集氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)減小，導(dǎo)致液面上升。

6 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的整合設(shè)計(jì)，改進(jìn)了教材中銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，整合了教材內(nèi)容與習(xí)題內(nèi)容中有關(guān)銅與稀硝酸的反應(yīng)，解決了二氧化氮和一氧化氮?dú)怏w的制備及部分性質(zhì)的檢驗(yàn)、尾氣的處理等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的有效控制。

該實(shí)驗(yàn)中所用的儀器均為實(shí)驗(yàn)室中的常規(guī)儀器，組合簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯[5]，不僅減少了藥品的浪費(fèi)，同時(shí)也避免了對(duì)環(huán)境的污染，增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。本實(shí)驗(yàn)涉及的反應(yīng)原理較多，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中既有銅與濃、稀硝酸反應(yīng)及其產(chǎn)物的探究，又有一氧化氮和二氧化氮?dú)怏w部分性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，整套裝置始終處于液封狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)污染物排出，有益環(huán)保。

參考文獻(xiàn)：

[1][2]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1（必修）（第6版）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2015： 100， 102～103.

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