李旭娃

摘要： 常用的制取二氧化氮氣體的裝置，在制備時會有產(chǎn)物氣體逃逸。使用傳統(tǒng)的除去二氧化氮余氣的方法也會使有害氣體泄漏。為此對二氧化氮制取實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)，對二氧化氮氣體的除去采用倒吸法，并將倒吸法的應(yīng)用進(jìn)行推廣。運用倒吸法除去二氧化氮氣體的方法內(nèi)容和改進(jìn)過程，對激發(fā)學(xué)生興趣、培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是很好的教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞： 二氧化氮; 制取裝置; 余氣處理; 倒吸法; 實驗改進(jìn)

文章編號： 1005-6629（2021）02-0059-04

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

高中化學(xué)教材對于NO2及其性質(zhì)的介紹主要安排在“氮和氮的氧化物”一章中。氮的氧化物有很多，涉及的問題也很復(fù)雜。在紅棕色的NO2氣體中，總是伴隨著無色的N2O4的存在。它們之間存在著平衡關(guān)系2NO2（g）N2O4（g）? ΔH<0，這種變化關(guān)系不僅具有明顯的顏色特征，而且正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，也是氣體體積減小的反應(yīng)。所以，NO2與N2O4之間的轉(zhuǎn)化是一種能夠由溫度或壓強的改變而引起化學(xué)平衡移動的具有明顯顏色變化的最典型的化學(xué)反應(yīng)，學(xué)生能夠直接感知溫度或壓強引起的化學(xué)平衡的移動。因此，長期以來各種不同版本的化學(xué)教材中，都無不將這個反應(yīng)編入化學(xué)平衡移動條件的教學(xué)中[1～3]。所以，NO2在化學(xué)平衡教學(xué)中是一種十分重要的氣體物質(zhì)。

然而，NO2是一種有毒有害氣體。在制取NO2時，用通常的制氣裝置難免會有NO2釋放于空氣中。在制取NO2和化學(xué)平衡實驗之后，要除去NO2余氣，如果處理不當(dāng)，也會有NO2逃逸至空氣中。這些釋放的氣體，會污染環(huán)境。

因此，采取怎樣的方法防止NO2的逸散，是化學(xué)教師和實驗室工作人員必須研究的課題，之前曾有該實驗改進(jìn)的一些文章發(fā)表[4]，但還不夠完善。1? 二氧化氮制取裝置的改進(jìn)

1.1? 常用制取裝置的缺陷性

在化學(xué)教學(xué)中，NO2氣體常用銅和濃硝酸反應(yīng)制取。少量的NO2制取一般在試管中進(jìn)行，而化學(xué)平衡實驗中的NO2用量較大，需要用容量較大的燒瓶來制取。通常將制氣燒瓶與玻璃導(dǎo)管相連接，再將玻璃導(dǎo)管插入集氣燒瓶中。如圖1所示。

在制取氣體過程中，將銅與濃硝酸混合后，其反應(yīng)是持續(xù)進(jìn)行的，從導(dǎo)管排出的氣體也是持續(xù)進(jìn)行的。這就使產(chǎn)生氣體的排出過程與氣體的收集過程不相吻合。如： （1）更換集氣瓶時氣體就會釋放至空氣中，收集的瓶數(shù)越多，氣體釋放得越多。（2）收集結(jié)束后，制氣燒瓶內(nèi)的銅和硝酸還會繼續(xù)反應(yīng)，生成的氣體還會繼續(xù)釋放至空氣中。即使將導(dǎo)管插入NaOH溶液中，氣體排出較快時，仍有較多氣泡會從溶液中逸出污染空氣。

1.2? 改進(jìn)方法及特點

針對上述缺陷，對于NO2的制取裝置進(jìn)行如下改進(jìn)。

在圖1相應(yīng)的裝置中，將膠管從中間剪斷，連接1個T形管（將T形管直管兩端與膠管相連）。

在T形管的側(cè)管（位于直管中間，

且與直管垂直的部分）配上止水夾K1，在T形管的右側(cè)配上止水夾K2。在側(cè)管上連接玻璃管，在玻璃管上綁1個氣球，如圖2所示。這樣，就可使氣體的制取和氣體的收集在封閉條件下進(jìn)行。

2? 除氣操作的改進(jìn)

在除去燒瓶中的NO2氣體時，通常的做法是去掉膠塞，向其中加入NaOH溶液，通過搖動，使NO2與NaOH溶液反應(yīng)而除去。但這種操作在去掉膠塞時，氣體會從瓶口向外擴散，在加入NaOH溶液時也會將氣體排出瓶外。

那么，能不能在不取下膠塞的情況下讓NaOH溶液進(jìn)入呢？

2.1? 制氣燒瓶中氣體的除去

2.1.1? 倒吸法的引入

由教材中的噴泉實驗可知，當(dāng)容器內(nèi)部的氣壓小于外界大氣壓時，溶液就會自動進(jìn)入容器內(nèi)。

銅和濃硝酸制取NO2的反應(yīng)劇烈，不需加熱，反應(yīng)后混合物的溫度也不高（用手觸摸瓶壁時有熱感）。制取NO2后，燒瓶中剩余的銅和硝酸還會繼續(xù)反應(yīng)（但越來越慢），生成氣體，放出熱量，形成溫度升高和氣壓增大的趨勢。同時，體系內(nèi)的熱量會透過瓶壁而放出，形成氣壓減小的趨勢。所以，制取氣體時，瓶內(nèi)氣壓大于外界大氣壓，氣體會排出。當(dāng)制取氣體結(jié)束后，隨著冷卻瓶內(nèi)氣壓變得小于外界大氣壓，這時，如果將導(dǎo)管插入NaOH溶液中，就會發(fā)生倒吸現(xiàn)象，NO2氣體在封閉條件下與吸入的NaOH反應(yīng)而被除去。這種通過倒吸除去氣體的方法叫做倒吸法。裝置的氣密性是否良好，是形成倒吸的關(guān)鍵。

2.1.2? 除氣操作

在氣體收集完畢，制氣反應(yīng)很慢時，關(guān)閉K2，打開K1，讓氣球與制氣燒瓶相連通，將導(dǎo)管插入盛有NaOH溶液的細(xì)口瓶中，如圖3所示。當(dāng)內(nèi)部氣壓小于外界大氣壓時（氣球變癟），關(guān)閉K1，打開K2，這時就會形成倒吸，NaOH溶液進(jìn)入瓶內(nèi)。再打開K1。

2.1.3? 生成物及其現(xiàn)象

（1） 在制氣燒瓶中，Cu與HNO3反應(yīng)生成Cu（NO3）2、 NO2、 NO（主要在反應(yīng)后期生成）、H2O等，而NO2、 NO會與H2O反應(yīng)生成HNO2，電離出NO-2，與Cu2+形成Cu（NO2）2的綠色溶液[5]（當(dāng)大量的氫氧化鈉溶液進(jìn)入之后，硝酸銅的濃度大大減小。因此，氫氧化鈉溶液進(jìn)入后溶液的綠色，只是亞硝酸銅溶液的顏色）。

當(dāng)NaOH溶液倒吸進(jìn)入燒瓶后： ①在溶液中生成Cu（OH）2、 Cu（OH）2·Cu（NO3）2等;②NO2等氣體與吸進(jìn)瓶內(nèi)下落的NaOH溶液在運動狀態(tài)下充分接觸而反應(yīng)： 2NaOH+2NO2NaNO3+NaNO2+H2O， 2NaOH+NO2+NO2NaNO2+H2O，在少量水中生成大量的NaNO2，沉入底部后，與Cu2+生成大量的可溶性黃綠色固體Cu（NO2）2[6， 7];③NaOH溶液中因種種原因混入了Na2CO3，因此，在酸性區(qū)域中有CO2氣體生成;④紅棕色消失。

在NO2與NaOH溶液反應(yīng)的過程中，氣體轉(zhuǎn)化成了液體或固體物質(zhì)，使氣壓減小，故倒吸能持續(xù)進(jìn)行。在倒吸過程中，由于局部過濃，發(fā)生競爭反應(yīng)，在濃度不同的區(qū)域，生成不同的物質(zhì)，有些物質(zhì)不穩(wěn)定，放置時會發(fā)生轉(zhuǎn)化。

（2） 在倒吸發(fā)生后，燒瓶中的現(xiàn)象隨反應(yīng)物Cu和HNO3的比例、NaOH溶液的濃度、倒吸控制情況的不同而不同。本文實驗中的NaOH溶液濃度為10%。

如果Cu過量，而且使NaOH溶液間接地分幾次吸入（不振蕩），靜置時混合物中會出現(xiàn)一系列五彩繽紛的迷人現(xiàn)象： ①倒吸剛完成時，底部為綠色液體，上部為藍(lán)色和綠色分布不均勻的絮狀混合物，有些類似藍(lán)綠色珍珠。②隨著靜置，絮狀混合物向中部聚集，綠色成分減少，底部和上部在10分鐘之內(nèi)形成清液（變化快慢隨吸入氫氧化鈉的量和混合程度的不同而不同，下同）。底部的許多氣泡（CO2）不能逸出，附著于絮狀物下部。絮狀物中逐漸出現(xiàn)輕度黑色[是因為Cu（OH）2分解成了CuO];絮狀物底部呈綠色[是因為底部溶液的pH小，使易溶的Cu（NO2）2不易轉(zhuǎn)化成難溶的Cu（OH）2，故Cu（NO2）2不易消失]。整個現(xiàn)象類似水中生物世界。③再靜置10多分鐘后，絮狀物完全變黑。這是因為上部的OH-透過絮狀物進(jìn)入下部溶液中，pH增大，可溶性的Cu（NO2）2轉(zhuǎn)化成難溶的Cu（OH）2，又進(jìn)一步分解為CuO。其現(xiàn)象儼然是山川大地籠罩在水霧中的景象。

從倒吸開始到絮狀物完全變黑的過程，從不同的時段、不同的角度去觀察，都可以看到變幻奇特的“水中世界”，不禁使人浮想聯(lián)翩，心馳神往。

如果使倒吸一次性完成，其現(xiàn)象就會有所不同。有些像玉石翡翠，有些像藍(lán)綠鈞瓷……，隨著靜置時間的變化而不斷變幻著。

如果制氣燒瓶中硝酸過量，而且倒吸進(jìn)入的NaOH溶液相對較少，那么，除去氣體后再振蕩，得到的則是鮮艷美麗的綠色溶液。

2.2? 集氣燒瓶中氣體的除去

除氣時，集氣燒瓶與帶有氣球的T形管相連，再將T形管與玻璃導(dǎo)管相連，將玻璃導(dǎo)管插入NaOH溶液中（因內(nèi)外氣壓相等，而且玻璃導(dǎo)管中有空氣，使二氧化氮與NaOH溶液不易接觸，倒吸難以發(fā)生）。然后關(guān)閉K2，打開K1，用熱毛巾捂住燒瓶，使氣體受熱膨脹，氣壓增大，氣體進(jìn)入氣球中。片刻后，關(guān)閉K1，去掉熱毛巾，打開K2，再用冷毛巾捂住燒瓶，氣體遇冷收縮，氣壓減小，形成倒吸，NaOH溶液進(jìn)入瓶內(nèi)。再打開K1。

NaOH溶液進(jìn)入集氣瓶后，與瓶內(nèi)氣體反應(yīng)，生成NaNO3、 NaNO2和H2O， NO2、 N2O4、 NO被除去，使紅棕色的氣體變?yōu)闇\黃色的溶液。

3? 實驗改進(jìn)的意義

3.1? 在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

通過上述改進(jìn)，使NO2的制取和除去的方法內(nèi)容以及操作過程成為一種具有豐富內(nèi)涵的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。根據(jù)教學(xué)的需要，可以進(jìn)行靈活處理： 可以拓展和延伸、可以壓縮和刪減，也可以側(cè)重或淡化。

制氣裝置的改進(jìn)，倒吸現(xiàn)象的發(fā)生過程，燒瓶中的迷人現(xiàn)象，都會使學(xué)生產(chǎn)生很大的興趣。在這樣一種難得的氛圍中，用科學(xué)且有趣的方法除去有毒有害氣體，會使學(xué)生對于所經(jīng)歷的過程和所學(xué)的知識印象深刻，永久難忘。

（1） 這些內(nèi)容和過程可以在時間充裕的課堂（如習(xí)題課、復(fù)習(xí)課等）、化學(xué)課外活動、興趣小組活動中進(jìn)行，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。

對于高年級學(xué)生，這種有趣的活動過程可以起到復(fù)習(xí)鞏固、拓展知識的作用。對于還未學(xué)習(xí)二氧化氮知識的學(xué)生，會引發(fā)其強烈的求知欲和探究欲。對于還未學(xué)習(xí)化學(xué)的低年級學(xué)生，其趣味性和神奇性會深深地吸引他們，使其形成對化學(xué)科學(xué)的向往和追求。

在有關(guān)NO2的課堂教學(xué)中，筆者在自己任課的班級嘗試采用倒吸法除去制氣瓶中的NO2，收到了很好的效果。

（2） 整個教學(xué)內(nèi)容和過程，涉及到多方面知識和問題。如化學(xué)式、化學(xué)方程式、化合價、化學(xué)平衡、氣壓的大小關(guān)系、物質(zhì)的穩(wěn)定性與倒吸的關(guān)系、物質(zhì)狀態(tài)的變化、顏色的變化、生成物的不穩(wěn)定性及其轉(zhuǎn)化、氣體污染的嚴(yán)重性、治理環(huán)境的緊迫性和責(zé)任感、倒吸的創(chuàng)造性利用等，將這些方法和內(nèi)容通過歸納、整理、分類、細(xì)化，實施在教育教學(xué)的活動中，可以從多個維度去培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.2? 倒吸法的應(yīng)用推廣

制取氣體的裝置，不論是否加熱，如有必要，利用上述裝置和操作方法，都可以引發(fā)倒吸的發(fā)生。利用倒吸法可以除去多種殘留的有毒有害氣體。在中學(xué)階段，除了NO2外，還有SO2、 Cl2、 HCl、 H2S、 NH3等都可以用倒吸法除去。其中SO2、 Cl2、 HCl、 H2S等氣體用NaOH溶液，而NH3則用鹽酸溶液吸收。

不同的氣體性質(zhì)不同，制取氣體裝置的特點也有所不同。（1）制取氣體的反應(yīng)，有的需要加熱，有的不需要加熱。有的反應(yīng)放熱多，有的反應(yīng)放熱少。（2）有的氣體溶解度大，有的氣體溶解度小，這兩種情況影響著倒吸的發(fā)生與快慢。除去殘留氣體時，通過一定時間的冷卻（有的不需要冷卻）后，再用手觸摸燒瓶，當(dāng)其不發(fā)燙（一般在60℃以下，此時的倒吸不會導(dǎo)致容器的破裂）時，再利用氣球的脹癟程度，可以作為判斷內(nèi)外氣壓大小的標(biāo)志。以此為依據(jù)，決定采取引發(fā)倒吸的方法和時機。除去氣體時，氣球中的氣體不能太多（如果其中有較多的氣體時，收集起來另行處理），以便于制氣燒瓶中倒吸的發(fā)生。

通過實踐，利用倒吸法除去上述各種氣體的實驗均獲得了成功。

參考文獻(xiàn)：

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[7]亞硝酸銅是否溶于水： https：//wenda.so.com/q/1362809634068610.