李德前 魏海 張羿

摘要：對中學化學教科書上編排的“銅與稀硝酸反應”實驗進行了改進，集一氧化氮的制取、氧化、二氧化氮溶于水、尾氣與廢液的處理等實驗于一體。新設計的實驗裝置具有功能集成、反應可控、現(xiàn)象直觀、過程環(huán)保等優(yōu)點。將此實驗用于教學實踐對發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，提升實驗教學的有效性具有重要作用。

關鍵詞：銅與稀硝酸反應; 實驗改進; 實驗一體化設計

文章編號：1005-6629（2020）09-0070-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

針對銅與稀硝酸反應的實驗，不少化學教育工作者對其進行了改進和優(yōu)化。受已有文獻的啟發(fā)[1～4]，我們借助塑料瓶、醫(yī)用三通閥、醫(yī)用1mL注射器等替代品設計實驗新裝置，使碳酸鈣與稀硝酸、銅與稀硝酸、一氧化氮與氧氣、二氧化氮與水等反應易于控制、裝置一體化，實驗過程對環(huán)境幾乎沒有污染。

1?實驗用品

1個150mL塑料瓶（含配套的三孔橡皮塞）、2個1mL注射器（其結構見圖1）、醫(yī)用三通閥（其結構見圖2）、2個20mL注射器、塑料小藥瓶（在其中下部的表面扎一些小孔）、玻璃導管、透明硅膠管等;5mol/L的稀硝酸、細銅絲、大理石（或碳酸鈣）、氧氣、蒸餾水（迅速冷卻的）、氫氧化鈉溶液等

2?實驗裝置

新設計的一體化裝置見圖3（夾持裝置略）。

3?實驗步驟

3.1?組裝實驗裝置

（1） 找兩個1mL注射器，在其中一個注射器的活塞上固定長約10cm的銅絲，在另一個注射器的活塞上連接一個有孔小塑料瓶（內裝大理石或碳酸鈣）;再找兩個20mL注射器，暫時不要在針筒里裝入藥品。

（2） 找一個150mL的塑料瓶，注入140mL 5mol/L稀硝酸;取一個與塑料瓶口徑相配套的橡皮塞，在橡皮塞上均勻地打出三個孔，其中一個孔與導氣管的外徑相匹配，另外兩個孔與1mL注射器的針筒直徑相匹配。

（3） 找一個醫(yī)用三通閥，在其三個管口上分別套上一小段硅膠管（用于連接其他儀器）。

（4） 按圖3所示，連接整個實驗裝置。

3.2?檢查裝置氣密性

（1） 旋轉三通閥的控制閥，使其保持三通狀態(tài)（此時a與b、 a與c、 b與c均是相通的）。

（2） 推拉注射器③的活塞，如果注射器④的活塞隨之而動，則裝置的氣密性良好;然后從三通閥上輕輕取下注射器③、 ④。

（3） 如果裝置漏氣，需要找出漏氣部位，然后更換儀器或采取密封措施，再次檢查裝置的氣密性。

3.3?制取一氧化氮氣體

（1） 緩緩下推注射器②的芯桿，使有孔小塑料瓶浸入稀硝酸中（見圖4），碳酸鈣與稀硝酸立即反應產生二氧化碳氣體[有關反應的化學方程式是CaCO3+2HNO3Ca（NO3）2+H2O+CO2↑]。1～2分鐘后，用燃著的木條靠近三通閥的c管口（因為二氧化碳氣體密度比空氣大，其不會從三通閥的b管口逸出），如果木條的火焰熄滅，則說明裝置內的空氣已完全排出。此時再輕輕提起注射器②的芯桿，使碳酸鈣與稀硝酸反應停止。

（2） 輕輕擠壓塑料瓶，使裝置內殘留的二氧化碳氣體最大限度地被排出，然后調節(jié)三通閥的控制閥以關閉a導管（此時b、 c導管保持相通）。

（3） 用注射器③抽取5mL氧氣（確保針筒內沒有殘留空氣），并將其接到三通閥的b管口;用注射器④抽取5mL剛冷卻的蒸餾水（確保針筒內沒有殘留空氣），并將其接到三通閥的c管口（見圖3，下同）。

（4） 輕輕下推注射器①的芯桿，使銅絲浸入稀硝酸中，銅與稀硝酸立即發(fā)生反應[有關反應的化學方程式是3Cu+8HNO33Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O]，放出的一氧化氮氣體使塑料瓶逐漸鼓起;當塑料瓶剛好恢復至原狀時，立即調節(jié)三通閥的控制閥，僅使導管a、 c形成通路（此時b導管處于關閉狀態(tài)），這樣一氧化氮氣體就源源不斷地進入注射器④的針筒里;此時可以觀察到，塑料瓶里銅絲周圍的溶液逐漸變?yōu)樗{色，注射器④針筒里的一氧化氮氣體始終是無色的。

（5） 當注射器④的針筒里收集到10mL一氧化氮時，輕輕提起注射器①的芯桿，使銅絲離開稀硝酸，銅與稀硝酸反應立即停止。

3.4?一氧化氮與氧氣反應

（1） 調節(jié)三通閥的控制閥，僅使b、 c導管連通（此時a導管處于關閉狀態(tài)）。

（2） 稍稍用力上提注射器③的芯桿，注射器④中的一氧化氮氣體就會被吸入注射器③的針筒里;由于注射器③的針筒里盛有5mL氧氣，因而10mL一氧化氮氣體進入注射器③中恰好完全反應（有關的化學方程式是2NO+O22NO2）;此時觀察到，注射器③中的氣體變?yōu)榧t棕色、活塞在10mL刻度處。

3.5?二氧化氮與水反應

（1） 繼續(xù)緩緩上提注射器③的芯桿，注射器④中的蒸餾水也被吸入注射器③中，當5mL蒸餾水被全部吸入注射器③的針筒里（此時活塞位于15mL刻度處），立即關閉三通閥的b導管（此時a、 c導管保持相通）。

（2） 輕輕晃動注射器③（有關反應的化學方程式是3NO2+H2O2HNO3+NO），可以觀察到紅棕色氣體的顏色逐漸變淺，注射器針筒內混合物的總體積逐漸變小，最終注射器針筒內得到無色溶液（硝酸溶液）和無色氣體（一氧化氮），注射器活塞最終位于大約8mL刻度處[5]。

3.6?處理尾氣和廢液

（1） 取下注射器③，并使吸入口向上（以防針筒內溶液流出），拉動芯桿吸入空氣，殘留的一氧化氮氣體又轉化為二氧化氮氣體;最后將該注射器針筒里的殘留物全部推入足量的氫氧化鈉溶液中（有關反應的化學方程式是HNO3+NaOHNaNO3+H2O及2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O）。

（2） 輕輕擠壓塑料瓶，將裝置內殘留的一氧化氮氣體全部排入注射器④的針筒里，然后關閉三通閥的a導管（此時導管b、 c保持相通）;立即拉動注射器④的芯桿，吸入空氣，殘留的一氧化氮氣體轉化為二氧化氮氣體;再取下注射器④，將其中的氣體全部推入足量的氫氧化鈉溶液里（有關反應的化學方程式是2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O）。

（3） 將上述兩步所得混合廢液用稀醋酸調成中性，然后回收利用（如用作氮肥，澆灌校園內花草樹木）。

（4） 拔掉塑料瓶口上的橡皮塞，向瓶內混合液（溶質是硝酸、硝酸銅、硝酸鈣）中加入適量的堿式碳酸銅粉末[6][有關反應的化學方程式是Cu2（OH）2CO3+4HNO32Cu（NO3）2+3H2O+CO2↑]，既降低了溶液的酸性，又便于回收利用（如作為銅鹽溶液，進行有關金屬活動性的實驗）。

（5） 實驗結束，整理實驗用品、清洗實驗儀器。

4?兩點說明

（1） 1mL注射器的活塞與針筒內壁之間的靜摩擦力約為7N[7]，由于活塞下端懸掛物的重量以及塑料瓶內氣壓作用在活塞上所產生的壓力都遠遠小于7N，所以實驗過程中注射器芯桿及其活塞絕不會自行下落或上升（僅可以通過手動調節(jié)）。

（2） 建議使用全新的醫(yī)用一次性注射器及醫(yī)用三通閥（價格極低），如果是醫(yī)療廢棄物必須經(jīng)消毒處理后才能使用。

5?實驗優(yōu)點

（1） 在全封閉的實驗體系中連續(xù)演示銅與稀硝酸反應、一氧化氮氧化、二氧化氮溶于水等實驗，使化學反應一體化、實驗操作程序化、裝置功能集成化。

（2） 碳酸鈣與稀硝酸的反應、銅與稀硝酸的反應通過1mL注射器控制，深化了對啟普發(fā)生器原理的認識，增強了實驗的趣味性;實驗裝置設計新穎，拓展了學生的視野，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神[8]。

（3） 實驗過程中想方設法控制有害氣體的逸出，實驗結束時對實驗尾氣和廢液及時回收處理，不僅增強了學生的環(huán)境意識與資源意識，而且提高了學生抵御科學風險的能力。

（4） 在一氧化氮、二氧化氮的性質實驗中引導學生觀察注射器活塞所處的刻度（實驗數(shù)據(jù)），不僅強化了氮氧化物的性質學習，而且培養(yǎng)了學生的定量意識。

總之，上述改進實驗的裝置穩(wěn)定、操作連貫、反應可控、現(xiàn)象直觀，是良好的實驗教學素材，有利于提高學生的探究能力和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的科學精神和社會責任感。

參考文獻：

[1]夏順生. 銅與硝酸反應的一體化實驗創(chuàng)新設計[J]. 實驗教學與儀器， 2016， （2）：39.

[2]王玉芬. 在注射器中進行銅和硝酸反應實驗[J]. 化學教學， 2013， （7）：41～42.

[3]鐘軍輝， 鄒曄. 注射器的妙用——蘇教版銅與硝酸反應實驗裝置的改進[J]. 高中數(shù)理化， 2012， （12）：69～70.

[4]沈玉紅. 銅與硝酸反應實驗的創(chuàng)新設計[J]. 實驗教學與儀器， 2019， （12）：35～37.

[5]伍強， 方瑞光. 銅與硝酸反應實驗的一體化設計[J]. 化學教學， 2016， （6）：60～63.

[6]趙立勝， 李德前. 銅與濃、 稀硝酸反應實驗的新設計[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備， 2017， （24）：47～48.

[7]全國醫(yī)用注射器（針）標準化技術委員會. GB15810-2001一次性使用無菌注射器標準[S]. 北京：中國標準出版社， 2001.

[8]李德前， 周梅華. “銅與稀硝酸反應”實驗的改進[J]. 教育與裝備研究， 2017， （10）：69～70.