尹妍珍 吳成芳 張小亮

摘要：基于當(dāng)前NO的制備中稀硝酸濃度的不確定性與實(shí)驗(yàn)重復(fù)性不好等不足，先采用二分法獲得制備NO所需稀硝酸的最大濃度范圍，再結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)法快速得到NO實(shí)驗(yàn)室制備的最佳條件。該實(shí)驗(yàn)以硝酸濃度、實(shí)驗(yàn)溫度和銅片面積為主要影響因素設(shè)計(jì)了L9（3 4）正交表，以是否生成紅棕色NO2為極限實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，得到NO實(shí)驗(yàn)室制備的最佳條件為：硝酸濃度為6.5 mol/L，買驗(yàn)溫度為25℃，四塊0.25 cm2的銅片，在此條件下的實(shí)驗(yàn)重復(fù)性更好，為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一定的借鑒。關(guān)鍵詞：NO的制備；二分法；正交實(shí)驗(yàn)法；最佳條件文章編號(hào)：1008-0546（2022）11-0093-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.021

一、引言

NO是一種重要的氮氧化合物，具有很重要的生理功能，被人體醫(yī)學(xué)界譽(yù)為“人體中的明星分子”[1]。因此，氮的氧化物知識(shí)及其應(yīng)用也常成為近年來(lái)中學(xué)考試題中的一個(gè)亮點(diǎn)和重點(diǎn)。[2]在教學(xué)時(shí)，給學(xué)生演示NO的制取以及相關(guān)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，能夠提高有關(guān)NO知識(shí)點(diǎn)的課堂教學(xué)效率和學(xué)生創(chuàng)新精神。

高中階段常用銅和稀硝酸來(lái)制備NO，很多學(xué)者也對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)研究。例如：胡永艷[3]以球形干燥管為反應(yīng)容器制備NO氣體，其優(yōu)點(diǎn)在于可調(diào)節(jié)銅絲球與稀硝酸液面的距離，使實(shí)驗(yàn)更具有調(diào)控性和操作性，能更好地制備出純凈的NO。但通過(guò)排蒸餾水的方法形成真空的條件在實(shí)際操作中難度較大，會(huì)因負(fù)壓過(guò)大導(dǎo)致蒸餾水不能順利排出，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性不好。陸光慧等[4]利用醫(yī)用注射器和集氣瓶進(jìn)行了NO的綠色化設(shè)計(jì)，裝置簡(jiǎn)單且減少了實(shí)驗(yàn)藥品用量。胡安婷[5]以醫(yī)用注射器作反應(yīng)容器，將橡膠塞封住針口，形成密閉體系，進(jìn)一步縮小了反應(yīng)裝置，減少藥品使用量。但在實(shí)際操作中單純將活塞推到底，針頭及銅片周圍仍有空氣存在，對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾，實(shí)驗(yàn)精度不夠，不利于師生掌握藥品具體用量。上述三種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但主要不足在于如何定量探究稀硝酸的濃度范圍區(qū)間，如何優(yōu)化制備條件，從而快速、穩(wěn)定地制備出純凈的NO氣體和得到相關(guān)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。若這兩個(gè)問(wèn)題不被很好解決的話，易造成“NO的制取及其相關(guān)性質(zhì)”的課堂演示或?qū)嶒?yàn)教學(xué)中存在很多不確定性和實(shí)驗(yàn)誤差，從而導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。因此，如何提高該實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和實(shí)驗(yàn)精度（藥品定量）成為關(guān)鍵。

為了對(duì)上述三種實(shí)驗(yàn)裝置以及其他相關(guān)的NO制備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[6-12]進(jìn)行甄選與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，筆者采用二分法定量分析獲得了所需稀硝酸的最大濃度，再結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化探究了NO實(shí)驗(yàn)制備的最佳條件，以期供師生實(shí)驗(yàn)教學(xué)參考。

二、NO的實(shí)驗(yàn)室制備

1．實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

（1）實(shí)驗(yàn)試劑：濃硝酸（65%～68%，p=1.4 g/mL）、銅片、稀硫酸、氫氧化鈉、蒸餾水。

（2）實(shí)驗(yàn)儀器：50 mL燒杯、250 mL燒杯、10 mL注射器、10 mL移液管、洗耳球、剪刀、鑷子、刻度尺、恒溫水浴鍋。

2．實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示，采用密閉性好、易操作的注射器為反應(yīng)器，先在注射器內(nèi)部放人被稀硫酸預(yù)處理過(guò)的銅片，然后把注射器中的空氣完全排出，再吸人定量的稀硝酸溶液后，迅速倒扎在橡膠塞上，使反應(yīng)處于密閉狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)。

主要反應(yīng)有：

廢液／廢氣處理涉及到的反應(yīng)有：

3．實(shí)驗(yàn)步驟

（1）裁剪一定面積的銅片，并將銅片放到盛有稀硫酸的燒杯中酸浸進(jìn)行預(yù)處理，以除去銅片表面的氧化銅等；

（2）配制一定濃度的硝酸和過(guò)飽和氫氧化鈉溶液；

（3）用鑷子將銅片放人注射器內(nèi)部，輕輕地振蕩以保證其平鋪在底部；

（4）注射器中吸取少量蒸餾水，將針頭朝上用手指輕彈將氣泡趕出，將活塞推到底部使針頭內(nèi)充滿蒸餾水。

（5）用注射器吸取硝酸溶液3 mL（不要吸人空氣，防止將生成的NO發(fā)生氧化）并迅速將注射器倒扎在橡膠塞上。

（6）反應(yīng)結(jié)束后，吸人適量空氣，并將廢液和廢氣緩緩?fù)迫诉^(guò)飽和氫氧化鈉溶液中，使其充分反應(yīng)可有效防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢液與廢氣對(duì)環(huán)境造成的污染（廢液、廢氣與過(guò)飽和氫氧化鈉溶液的反應(yīng)原理見(jiàn)方程式3～5），實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要及時(shí)清洗注射器。

三、NO優(yōu)化制備的結(jié)果與討論

1．實(shí)驗(yàn)因素的確定

NO實(shí)驗(yàn)室制備過(guò)程中受多種條件因素影響，通過(guò)研讀相關(guān)文獻(xiàn)[6-16]可以確定主要影響因素為稀硝酸濃度、實(shí)驗(yàn)溫度和銅片面積，一般認(rèn)為稀硝酸濃度的影響最大。

2．二分法探究稀硝酸的最大濃度范圍

二分法是數(shù)學(xué)中常用的計(jì)算方法，隱含了逼近的思想。具體操作是首先確定區(qū)間長(zhǎng)度，然后通過(guò)一定的判定條件，不斷縮小區(qū)間，不斷與精確度對(duì)比，最終可獲得近似解所在的區(qū)間。[18]本實(shí)驗(yàn)采用二分法來(lái)探究稀硝酸與銅片反應(yīng)生成NO的最大濃度范圍，先假定實(shí)驗(yàn)室所使用的濃硝酸濃度為c mol/L，以是否生成紅棕色氣體作為判定條件。若生成，說(shuō)明稀硝酸濃度過(guò)大，則取低濃度半?yún)^(qū)間的中值繼續(xù)實(shí)驗(yàn)；反之，則取高濃度半?yún)^(qū)間的中值繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，如此多次操作，直到符合精確度為止。10mL移液管的最大精度為0.1mL，隨著精確度的提高后續(xù)需要配的稀硝酸的量越來(lái)越大，如精確度達(dá)到c/128配制溶液需要將近32 mL濃硝酸，則不符合微型實(shí)驗(yàn)的理念且導(dǎo)致藥品浪費(fèi)。因此，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)探究，本實(shí)驗(yàn)的精確度定為c/64。

稀硝酸濃度先取中值32c/64開(kāi)始探究，發(fā)現(xiàn)注射器管內(nèi)有較多的紅棕色氣體生成，說(shuō)明生成了NO2氣體；再分別以16c/64、24c/64、28c/64的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)活塞發(fā)生移動(dòng)而注射器管內(nèi)無(wú)紅棕色氣體生成，說(shuō)明生成了NO氣體；而配制成30c/64的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有少量的紅棕色氣體生成，說(shuō)明濃度偏大；再以29c/64的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)也有少量紅棕色氣體生成，而此時(shí)已達(dá)到c/64的精確度。所以，將稀硝酸的最大濃度范圍定在（28c/64，29c/64）區(qū)間內(nèi)，而濃硝酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～68%，p≈1.4 g／mL，可計(jì)算出硝酸濃度的平均值c≈14.8 mol/L，則稀硝酸最大濃度約為6.5mol/L。

3．正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化NO的實(shí)驗(yàn)室制備

如表1所示，以稀硝酸濃度（根據(jù)二分法結(jié)果選取了低于稀硝酸最大濃度的三個(gè)水平4.5、5.5、6.5 mol/L）、實(shí)驗(yàn)溫度（10℃、25℃、40℃三個(gè)水平）和銅片面積（將面積為1 cm2的正方形銅片分別等分裁剪為1等份、2等份、4等份，分別標(biāo)記1.00 cm2、0.50 cm2、0.25 cm2三水平）為三個(gè)重要的影響因素，采用L9（34）正交表設(shè)計(jì)、并以是否生成紅棕色NO2為極限實(shí)驗(yàn)指標(biāo)來(lái)考察NO制備的最佳條件。為了便于觀測(cè)，以測(cè)定生成1 mL無(wú)色的NO所需時(shí)間（s）作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)計(jì)算NO的生成速率（mL/s）作為考察結(jié)果來(lái)進(jìn)行正交直觀分析。從表1的結(jié)果中我們可以發(fā)現(xiàn)：

（1）R值對(duì)應(yīng)的是不同影響因素的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)平均值的極差，R值越大則說(shuō)明其影響程度越大。從表1中的數(shù)據(jù)可知，三個(gè)影響因素中對(duì)本次實(shí)驗(yàn)影響的主次依次為A>B>C，即稀硝酸的濃度影響最大，這也和相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道相吻合。[6-14]

（2）K值越大，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)效果越好。依次對(duì)單個(gè)影響因素的K值比較分析可知：對(duì)于稀硝酸濃度來(lái)說(shuō)，稀硝酸在最大濃度范圍內(nèi)，硝酸的濃度越高則生成NO的速率越快。對(duì)于實(shí)驗(yàn)溫度來(lái)說(shuō)，25℃效果最好，一般認(rèn)為溫度升高有利于加快反應(yīng)速率，但若實(shí)驗(yàn)溫度過(guò)高（如40℃），硝酸的揮發(fā)速率加快不利于反應(yīng)進(jìn)行，故反應(yīng)速率反而減慢。對(duì)于銅片的面積，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)影響最小，但銅片的等分?jǐn)?shù)越多，銅片與稀硝酸的接觸面積越大，則反應(yīng)速率就越快。

（3）從表2的方差分析結(jié)果也可以看出，稀硝酸的濃度因素的F比值最大，對(duì)于NO生成速率的影響是非常顯著的（P<0.05）。這也表明相對(duì)于其他兩個(gè)因素，稀硝酸的濃度是影響N0生成速率的最主要因素，這也與上述的直觀分析結(jié)果相一致。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化制備NO的最佳條件為A3B2C1，即硝酸濃度為6.5 mol/L，溫度為25℃，銅片面積為0.25 cm2。此外，在優(yōu)化反應(yīng)條件下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)3次，發(fā)現(xiàn)都能獲得滿意的結(jié)果，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性較好。

四、結(jié)論

以注射器作為簡(jiǎn)易反應(yīng)器，操作方便簡(jiǎn)單且可有效防止有害氣體逸出。通過(guò)二分法與正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的設(shè)計(jì)可消除教師對(duì)于稀硝酸濃度的不確定性，能快速、穩(wěn)定地制備出NO氣體，且此優(yōu)化條件下的實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好。結(jié)果分析可知：稀硝酸的濃度影響最大，實(shí)驗(yàn)溫度和銅片接觸面積影響較小，與文獻(xiàn)報(bào)道相吻合；最佳定量的實(shí)驗(yàn)條件為：硝酸濃度6.5 mol/L，實(shí)驗(yàn)溫度25℃，四塊0.25Cm2的銅片。本研究可為中學(xué)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考，也有利于教師在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)研究方法來(lái)提高學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化與創(chuàng)新帶來(lái)啟發(fā)和思考。

參考文獻(xiàn)

[1]任奮蘭，醫(yī)藥明星分子一氧化氮[J]．中學(xué)生數(shù)理化，2010（6）：43．

[2]董金水．利用現(xiàn)代傳感技術(shù)演示放電制備一氯化氮[J].化學(xué)教育（中英文），2009，30（11）：58-60．

[3]胡永艷．NO制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（1）：60．

[4]陸光慧，孫樂(lè)融，制備NO的條件選擇及NO性質(zhì)檢驗(yàn)的綠色化設(shè)計(jì)[J]．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（6）：68-70．

[5]胡安婷．NO、NO2制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（8）：46．

[6]李冬梅，曹金星，童陽(yáng)，等．綠色簡(jiǎn)易法制備純二氧化氮?dú)怏w[J]．化學(xué)教育，2018，39（3）：63-64．

[7]陳兆華．防污染的一氧化氮制備與氧化實(shí)驗(yàn)[J]．教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2005（1）：29．

[8]劉淑芬．一氧化氮生成的演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]．實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2010，27（7）：60．

[9]吳生平，一氧化氮的制備及氧化實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2001（12）：44．

[10]陳錫恩，一氧化氮?dú)怏w制備實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2000（6）：32．

[11]彭志勇，鐘得洪，黃梅．基于一氧化氮性質(zhì)的幾個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)[J]．化學(xué)教育（中英文），2021，42（15）：91-93．

[12]楊曉東．巧用注射器改進(jìn)“隔絕空氣”實(shí)驗(yàn)[J]．實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2012，29（21）：45-46．

[13]李維芬，申永良．硝酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]．化學(xué)教育（中英文），2010，31（4）：77．

[14]袁淑筠，醫(yī)用一氧化氮的制備與應(yīng)用[J]．醫(yī)用氣體工程，2017，2（1）：21-24．

[15]畢華林，茅樹(shù)國(guó)．一氧化氮和二氧化氮的性質(zhì)演示實(shí)驗(yàn)[J]．化學(xué)教育（中英文），1993，14（6）：33．

[16]伍強(qiáng)．梅猷測(cè)定空氣組成實(shí)驗(yàn)賞析[J]．化學(xué)教育（中英文），2019，40（5）：95-96．

[17]夏山林，劉禹含，李俊偉，一氧化氮的性質(zhì)與制備方法[J]．低溫與特氣，2021，39（5）：4-7．

[18]江澤，黃喜濱．從核心素養(yǎng)視角重新審視《二分法》的教育價(jià)值[J]．福建中學(xué)數(shù)學(xué)，2019（6）：6-8．

*本文系江西省基礎(chǔ)教育研究課題“基于核心素養(yǎng)的初高中化學(xué)教學(xué)銜接的策略研究與實(shí)踐”（課題編號(hào)SZUSDHX2020-1118）的階段性研究成果。

**通信聯(lián)系人，E-mail：xlzhang@jxnu.edu.cn