居亞芬

(江蘇省常州市前黃高級(jí)中學(xué)國際分校)

1.問題提出

在中學(xué)化學(xué)的課堂教學(xué)中,銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)教師通常采用演示實(shí)驗(yàn)或視頻實(shí)驗(yàn),很難作為學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)。其主要原因是反應(yīng)后裝置中殘留的氣體逸出會(huì)造成環(huán)境污染,不方便師生拆洗裝置。

1.1 教材實(shí)驗(yàn)的不足

2019蘇教版高中教材《化學(xué)必修第二冊(cè)》專題7第二單元“重要的含氮化工原料”中,對(duì)硝酸的性質(zhì)設(shè)置了實(shí)驗(yàn)“觀察思考”環(huán)節(jié),并用具支試管和分液漏斗設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置。通過實(shí)驗(yàn)和分析,我們發(fā)現(xiàn):因銅片和濃、稀硝酸接觸便直接反應(yīng),所以不便控制反應(yīng)的開始和結(jié)束,藥品存在浪費(fèi)問題;收集氣體的過程中容易出現(xiàn)泄漏;NO2與NO相互轉(zhuǎn)化,存在空氣的干擾;反應(yīng)后裝置拆洗中NO2與NO氣體逸出引發(fā)污染問題。

圖1 銅片與濃硝酸的反應(yīng)裝置

1.2 課標(biāo)分析

內(nèi)容要求:認(rèn)識(shí)元素在物質(zhì)中可以具有不同價(jià)態(tài),可通過氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)含有不同價(jià)態(tài)同種元素的物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化。通過實(shí)驗(yàn)探究,了解氮的重要化合物的主要性質(zhì),認(rèn)識(shí)這些物質(zhì)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

教學(xué)提示:重視開展高水平的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng):濃、稀硝酸的性質(zhì);氮氧化物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化。

學(xué)業(yè)要求:能列舉、描述、辨識(shí)典型物質(zhì)重要的物理和化學(xué)性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,能用方程式正確表示主要化學(xué)性質(zhì)。能從物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)的角度,依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理,預(yù)測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和變化,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步驗(yàn)證,并能分析、解釋有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.3 面臨問題

待解決以下問題:(1)如何控制銅和濃、稀硝酸反應(yīng)的發(fā)生與結(jié)束?(2)如何減少中途檢驗(yàn)氣體而造成的氣體泄漏?(3)如何減少裝置中空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾?(4)反應(yīng)結(jié)束后如何除去裝置中殘留的NO和NO2?(5)如何對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微型化處理,方便學(xué)生操作?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)行整合設(shè)計(jì),力求讓實(shí)驗(yàn)服務(wù)于教學(xué)。

2.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,為解決以上問題,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路如下:(1)將教材上具支試管和分液漏斗組合的氣體發(fā)生裝置,改進(jìn)為“Y”型管,通過傾斜Y型管可控制銅片與濃、稀硝酸的接觸和分離,有效控制反應(yīng)的開始與結(jié)束,節(jié)約藥品。

Y型管有2個(gè)相同的試管,推薦用于固液、液液的反應(yīng)(不需加熱)裝置,還可以用在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中,使實(shí)驗(yàn)到教學(xué)實(shí)現(xiàn)了從“零散”到“整合一體化”的轉(zhuǎn)化。

(2)將教材上水槽和集氣瓶的組合裝置,改進(jìn)為醫(yī)用三通連體閥(3種不同顏色閥利于分辨)和3支注射器的組合,方便學(xué)生反復(fù)操作“NO和NO2的相互轉(zhuǎn)化”實(shí)驗(yàn)。

(3)將實(shí)驗(yàn)室常用的黃色乳膠軟管,改進(jìn)為醫(yī)用透明硅膠軟管,方便學(xué)生觀察氣體的顏色、氣體和液體的流動(dòng)過程。

(4)增加了尾氣處理裝置(1個(gè)裝有NaOH溶液的燒杯)。利用壓強(qiáng)差形成倒吸,處理整套裝置中殘留的NO和NO2氣體,這樣就方便實(shí)驗(yàn)后學(xué)生拆洗裝置。

利用該一體化裝置可將“銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)” “NO2與水反應(yīng)” “NO微溶于水” “NO被空氣氧化為NO2” “堿液處理NO和NO2氣體”等重要含氮化合物的內(nèi)容融為一體,有效節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

3.實(shí)驗(yàn)相關(guān)的化學(xué)方程式

(1)銅與濃硝酸反應(yīng)生成二氧化氮?dú)怏w

(2)銅與稀硝酸反應(yīng)生成一氧化氮?dú)怏w

(3)NO和NO2的相互轉(zhuǎn)化

(4)堿液吸收NO和NO2氣體

4.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

4.1 實(shí)驗(yàn)器材

鐵架臺(tái)2個(gè)、Y型管1個(gè)、30 mL注射器3支、醫(yī)用三通連體閥(三色)3個(gè)、醫(yī)用透明硅膠軟管、燒杯、玻璃導(dǎo)管1個(gè)、單孔膠塞1個(gè)

4.2 實(shí)驗(yàn)藥品

銅片、15 mol·L-1濃硝酸、4 mol·L-1稀硝酸、蒸餾水、氫氧化鈉溶液

4.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖2,裝置中的鐵架臺(tái)等夾持儀器省略。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:Y型管中分別裝入銅片、2 mL 15 mol·L-1濃硝酸;注射器1抽入一定量的空氣;注射器2排盡空氣;注射器3裝有一定量的蒸餾水;透明軟管一端放入裝有氫氧化鈉溶液的燒杯中。此時(shí)醫(yī)用三通連體閥的開關(guān)與透明軟管連通。

圖2 含氮化合物的性質(zhì)一體化實(shí)驗(yàn)裝置

4.4 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

4.4.1 銅與濃硝酸的反應(yīng)

(1)實(shí)驗(yàn)步驟:傾斜Y型管,讓濃硝酸流入另一側(cè)和銅片接觸,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(圖3)。待透明軟管中充滿紅棕色氣體,旋轉(zhuǎn)控制閥2,連通注射器2,立刻用注射器2收集一定量有色氣體(圖4)。再次傾斜Y型管,讓硝酸溶液流入Y型管另一側(cè),和銅片分開,反應(yīng)停止。

圖3 銅片與濃硝酸反應(yīng)

圖4 收集NO2氣體

(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:銅片與濃硝酸接觸,反應(yīng)劇烈,看到銅片開始溶解,原無色溶液先變?yōu)榫G色,后慢慢變藍(lán)色;Y型管和透明軟管中出現(xiàn)大量紅棕色氣體。反應(yīng)裝置用手觸摸微熱。

(3)設(shè)計(jì)意圖:通過透明軟管能直觀看到NO2的生成和紅棕色氣體的流動(dòng)方向,激發(fā)學(xué)生的興趣;同時(shí)用NO2排盡裝置中空氣,減少對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的干擾。針對(duì)溶液出現(xiàn)了綠色和藍(lán)色,也引起了學(xué)生的好奇心,可作為課外實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)(考慮濃硝酸的用量、硝酸的濃度等影響因素)。

(4)提出問題:如何檢驗(yàn)收集到的紅棕色氣體?

4.4.2 NO2與NO的相互轉(zhuǎn)化

(1)實(shí)驗(yàn)步驟:旋轉(zhuǎn)控制閥2和3,連通注射器2和3,用注射器3推出少量蒸餾水進(jìn)入注射器2中,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(圖5)。旋轉(zhuǎn)控制閥1和2,連通注射器1和2,用注射器1推出少量空氣進(jìn)入注射器2中,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(圖6)。

圖5 NO2與水反應(yīng)

圖6 NO與空氣反應(yīng)

(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:氣體的紅棕色遇水后很快消失,針筒內(nèi)剩約三分之一無色氣體。再推入少量空氣,紅棕色又出現(xiàn)了。

(3)設(shè)計(jì)意圖:該環(huán)節(jié)通過控制三通閥,用3支注射器相互推拉,可直觀看到氣體顏色的明顯變化,驗(yàn)證NO2與NO的性質(zhì)。

(4)提出問題:實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,裝置中剩余的氮氧化物氣體如何處理呢?

4.4.3 堿液吸收氮氧化物氣體

(1)實(shí)驗(yàn)步驟:旋轉(zhuǎn)控制閥1,用注射器1抽取大量紅棕色氣體至阻力明顯,形成壓強(qiáng)差,然后快速打開控制閥1,與透明導(dǎo)管連通,此時(shí)燒杯中NaOH溶液迅速倒吸進(jìn)入整套裝置。最后可將注射器中剩余氣體也推出用堿液吸收處理。

(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:透明軟管中恢復(fù)無色(可減少氣體對(duì)軟管的腐蝕,方便透明軟管重復(fù)利用);Y型管中出現(xiàn)藍(lán)色絮狀沉淀。

(3)設(shè)計(jì)意圖:該環(huán)節(jié)創(chuàng)造性地采用倒吸來處理裝置中剩余的氮氧化物氣體,真正做到綠色化、零污染,便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束后拆洗儀器。

(4)提出問題:稀硝酸與銅又會(huì)發(fā)生怎樣的反應(yīng)呢?設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

4.4.4 銅與稀硝酸的反應(yīng)

(1)改進(jìn)方案1

可利用一體化裝置再進(jìn)行一次銅與稀硝酸的反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)步驟:傾斜Y型管,讓稀硝酸和銅片接觸,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。待透明軟管中慢慢出現(xiàn)淡黃色(墊白紙更方便觀察),用注射器2收集少量氣體。傾斜Y型管,分開銅片和硝酸溶液。旋轉(zhuǎn)控制閥1和2,連通注射器1和2,推空氣進(jìn)入注射器2中,觀察到注射器2中明顯出現(xiàn)紅棕色。后旋轉(zhuǎn)控制閥2和3,連通注射器2和3,推少量水進(jìn)入注射器2中,紅棕色又消失了。再次利用倒吸的方法來處理裝置中殘留的氣體。

實(shí)驗(yàn)不足處:浪費(fèi)藥品;裝置中空氣干擾了NO制備實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。

(2)改進(jìn)方案2

為減少空氣的干擾,可用一支針筒插入單孔膠塞中,向裝置中通入二氧化碳或氫氣,排裝置中的空氣,再進(jìn)行一體化實(shí)驗(yàn)(類似4.4.1 銅與濃硝酸的反應(yīng))。

實(shí)驗(yàn)不足處:浪費(fèi)藥品;增加了新試劑。

(3)改進(jìn)方案3

為減少藥品浪費(fèi)、裝置拆洗過程,可在“4.4.2 NO2與NO的相互轉(zhuǎn)化”實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,用一支針筒插入單孔膠塞中,向裝置中注入部分蒸餾水,稀釋硝酸溶液。接下來傾斜Y型管,讓稀硝酸和銅片接觸,進(jìn)行NO的制備、性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn),最后再用倒吸的方法處理尾氣。結(jié)束所有實(shí)驗(yàn),學(xué)生安全地拆洗裝置。

5 經(jīng)驗(yàn)與反思

通過一體化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置,整合了教材內(nèi)容中重要的含氮化合物的相互轉(zhuǎn)化反應(yīng)實(shí)驗(yàn),完成NO2與NO的制備、性質(zhì)檢驗(yàn)和尾氣處理,操作簡單、現(xiàn)象明顯、零污染。利用該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置,可在教學(xué)過程中輔助學(xué)生完成科學(xué)探究的一般過程,真正讓實(shí)驗(yàn)服務(wù)教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià):

(1)一體化。融合多個(gè)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)含氮化合物的性質(zhì)和物質(zhì)間轉(zhuǎn)化。

(2)綠色化。封閉體系,中途不用取出檢驗(yàn),最后倒吸處理裝置中氮氧化物氣體。

(3)微型化。節(jié)約藥品,學(xué)生可以反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

(4)可視化。醫(yī)用三通連體閥、注射器、透明硅膠軟管的組合裝置可直觀觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。