賀紫檸　李忠恒

摘要： 通過分析現(xiàn)行不同版本的教材及相關(guān)文獻中銅與濃硝酸反應(yīng)的實驗，針對其存在的問題，提出新的實驗設(shè)計方案。采用定制的玻璃儀器、注射器和翻口塞等常見的實驗器材對該反應(yīng)的裝置進行重新設(shè)計。改進后的實驗裝置不僅具有反應(yīng)可控、操作簡單、現(xiàn)象明顯等特點，還解決了裝置中殘留有毒氣體而導(dǎo)致的污染問題，體現(xiàn)了環(huán)境友好的設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞： 銅與濃硝酸的反應(yīng)； 污染問題； 實驗改進； 氧化還原反應(yīng)

文章編號： 10056629（2023）08006704中圖分類號： G633.8文獻標(biāo)識碼： B

1 教材實驗分析

銅與濃硝酸的反應(yīng)是高中化學(xué)教材里學(xué)生必須要掌握的重要內(nèi)容，其產(chǎn)物之間的轉(zhuǎn)化有利于學(xué)生了解氮氧化物的性質(zhì)。筆者通過比較不同版本的高中化學(xué)教材中銅與濃硝酸反應(yīng)的實驗裝置，針對當(dāng)前高中對于該反應(yīng)的實驗教學(xué)，分析其存在的優(yōu)勢和缺點。

1.1 人教版（2019年版）教材

圖1是人教版（2019年版）教材中的實驗裝置［1］。該實驗裝置易于組裝，操作簡單，通過抽取銅絲可隨時實現(xiàn)反應(yīng)的停止和發(fā)生，但同時也存在以下缺陷：

（1） 銅和濃硝酸反應(yīng)劇烈，生成NO2的速率很快，可能導(dǎo)致部分NO2來不及被吸收就逸散到空氣中，造成污染，且裝置內(nèi)部也會殘留NO2，拆除裝置時仍然會污染環(huán)境。

（2） 由于無防倒吸裝置，溶液可能會倒吸進入試管中，導(dǎo)致實驗失敗。

1.2 魯科版（2019年版）教材

圖2是魯科版（2019年版）教材中實驗裝置［2］。該方案僅用一支試管作為實驗儀器，易于操作，現(xiàn)象明顯，但該裝置的缺點也非常顯而易見：

（1） 該裝置先后放入銅片與濃硝酸，使其直接接觸發(fā)生反應(yīng)，且不能隨時控制，造成實驗藥品的浪費。

（2） 沒有尾氣處理的實驗裝置，致使NO2逸散到空氣中，造成環(huán)境污染。

1.3 蘇教版（2020年版）教材

圖3是蘇教版（2020年版）教材中實驗裝置［3］。該裝置利用實驗室常見器材進行組裝，操作簡單，且在實驗過程中利用排水法收集氣體，從而防止有毒氣體的逸散，但也存在以下不足：

（1） 缺少防倒吸裝置，水槽中的水容易倒流至試管中從而導(dǎo)致實驗失敗。

（2） 未對該反應(yīng)生成的硝酸及無色的NO氣體進行說明和性質(zhì)檢驗。

2 對已有改進實驗的述評

現(xiàn)有的教材實驗雖然完成了銅與濃硝酸的反應(yīng)，并且具有操作簡單、現(xiàn)象明顯等優(yōu)點，但也存在藥品用量大、未檢驗產(chǎn)物相關(guān)性質(zhì)及易造成環(huán)境污染等問題。針對這些問題，出現(xiàn)了不少的改進實驗，現(xiàn)就以下三類實驗方案進行分析。

方案一：圖4所示的實驗裝置沿用了人教版教材中控制銅絲的方式實現(xiàn)反應(yīng)的隨時發(fā)生或停止，并通過多個帶有止水夾的橡膠管連接各部分裝置，利用蒸餾水以及從K4口吸入空氣以檢驗生成的氣體的性質(zhì)［4］。但整個裝置較為復(fù)雜，藥品用量較大，且裝置內(nèi)部會殘留大量的NO2氣體，拆卸裝置時造成有毒氣體的泄露，從而污染環(huán)境。

方案二：圖5所示的實驗裝置在完全密閉的條件下進行實驗，具有操作簡單、現(xiàn)象明顯、能有效處理尾氣和廢液、防止有毒氣體逸出造成環(huán)境污染的優(yōu)點［5］。但該實驗僅僅是生成氣體和處理尾氣與廢液的簡單實驗，未能驗證生成物NO2的性質(zhì)，功能比較單一。

方案三：圖6所示的實驗裝置，通過注射器改變裝置內(nèi)壓強，從而控制反應(yīng)的停止與發(fā)生，不僅操作簡便，能夠檢驗NO2的性質(zhì)，還能進一步完成銅與稀硝酸反應(yīng)的實驗［6］。但該實驗同時也存在裝置較復(fù)雜、易殘留大量有毒氣體拆卸時氣體泄漏造成污染問題。

3 銅與濃硝酸反應(yīng)實驗裝置的新設(shè)計

在分析銅與濃硝酸反應(yīng)實驗裝置的基礎(chǔ)上，筆者提出了新的想法，以定制的玻璃儀器為實驗載體，通過上下拉動銅絲以控制反應(yīng)的發(fā)生或停止。采用注射器滴入加有石蕊溶液的蒸餾水，對生成的NO2氣體進行性質(zhì)檢驗，使用氣球平衡氣壓。在實驗結(jié)束后，用注射器注入氧氣使生成的NO氣體全部轉(zhuǎn)化為NO2，然后利用氫氧化鈉溶液進行尾氣處理和廢液處理。利用定制的玻璃儀器、注射器、翻口塞、氣球等實驗器材，設(shè)計了一種反應(yīng)可控、操作簡單、現(xiàn)象明顯的實驗裝置，同時具有藥品用量小、較環(huán)保等特點，有利于教師在課堂上引導(dǎo)學(xué)生自己動手進行實驗，發(fā)展學(xué)生的綜合能力，落實學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.1 儀器與藥品

儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、定制玻璃儀器、氣球、5mL注射器（若干）、20mL注射器、翻口塞

藥品：市售濃硝酸（65%）、銅絲（直徑約1mm、長約25cm）、紫色石蕊溶液、蒸餾水、飽和氫氧化鈉溶液、氧氣

3.2 定制玻璃儀器和實驗裝置

定制如圖7所示的玻璃儀器。左邊的試管命名為“試管1”，右邊的試管命名為“試管2”，從左往右的支管口和試管口分別命名為“支管口1”“試管口1”“試管口2”“支管口2”?！霸嚬?”和“試管2”總長均為80mm，其中試管口長為30mm，內(nèi)徑為19mm；“支管口1”和“支管口2”長為30mm，內(nèi)徑為14mm，裝置總長為148mm（忽略玻璃儀器的厚度）。利用上述玻璃儀器和其他儀器搭建的實驗裝置如圖7所示。

3.3 實驗涉及的主要化學(xué)反應(yīng)

3.4 實驗操作步驟及現(xiàn)象

（1） 按圖7所示連接好實驗裝置，用注射器注入適量濃硝酸于試管1中，然后用裝載銅絲的翻口塞堵住試管口1，銅絲下端呈螺旋狀。使用封口膜封住四個管口，用注射器插入支管口2，抽取管內(nèi)空氣，發(fā)現(xiàn)氣球變癟并且開始內(nèi)縮，若松開注射器，則注射器自動回縮，證明裝置氣密性良好。

（2） 向下推動銅絲，使銅絲浸入到濃硝酸溶液中，銅絲與濃硝酸溶液劇烈反應(yīng)，溶液迅速變?yōu)榫G色，同時產(chǎn)生大量紅棕色氣體NO2。NO2氣體迅速充滿整個玻璃儀器，氣球膨脹，此時抽拉銅絲，使銅絲與濃硝酸溶液分離，停止反應(yīng)。

（3） 用注射器抽取3mL滴入紫色石蕊溶液的蒸餾水，從試管口2逐滴滴入玻璃儀器中，觀察到氣球逐漸變癟，試管2中的紅棕色逐漸變淺退為無色，滴入試管2中的紫色石蕊溶液變?yōu)榧t色。

（4） 利用注射器將提前制備好的氧氣從支管口2中注入試管2中，試管內(nèi)的紅棕色瞬間加深，說明先前NO2與水反應(yīng)不僅僅是生成了酸，還生成了NO氣體，而根據(jù)元素化合價升降代數(shù)和為零的原理可知生成的酸必然是HNO3。

（5） 向玻璃儀器中注入過量的氧氣，使無色NO氣體全部轉(zhuǎn)為紅棕色NO2，再分別向試管1和試管2中注入適量的飽和氫氧化鈉溶液，觀察到紅棕色氣體消失，試管1中的綠色溶液變?yōu)樗{色并出現(xiàn)藍色沉淀，試管2中的紅色石蕊溶液重新變?yōu)樽仙?，則說明已完成了尾氣吸收和廢液處理。

3.5 新實驗裝置的優(yōu)點

新實驗裝置的優(yōu)點如下：

（1） 組裝簡單，便于操作。實驗主體裝置為相互連接的帶支管的試管型玻璃儀器，可以反復(fù)使用，也可以應(yīng)用到銅與稀硝酸的實驗中，驗證生成的NO氣體。整個裝置不僅適用教師在課堂上演示實驗，也適用于學(xué)生分組實驗，提高學(xué)生的動手能力。

（2） 現(xiàn)象明顯，利于觀察。一方面，用注射器滴入紫色石蕊溶液，可清晰地觀察到儀器內(nèi)氣體顏色逐漸變淺的動態(tài)過程，以及石蕊溶液紫色變?yōu)榧t色的具有強烈反差的實驗現(xiàn)象。另一方面，利用注射器向裝置中注入氧氣，觀察到有紅棕色氣體產(chǎn)生，不僅可以驗證NO2與水反應(yīng)有NO生成，該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，還能在實驗結(jié)束后注入過量氧氣，將裝置內(nèi)所有的NO氣體全部轉(zhuǎn)化為NO2氣體，便于進行尾氣處理。

（3） 平衡氣壓，保證安全。氣球的使用不僅可以起到平衡氣壓的作用，也可暫時存儲生成的NO2氣體，有利于后續(xù)反應(yīng)觀察到明顯的實驗現(xiàn)象。

（4） 密閉環(huán)境，防止泄漏。向密閉環(huán)境中注入飽和氫氧化鈉溶液進行尾氣吸收和廢液處理，有效地避免了有毒氣體的泄漏，從而解決了空氣污染問題，還能在這個過程中觀察到紅棕色消失、生成藍色沉淀、石蕊溶液變色等實驗現(xiàn)象，有利于控制加入的飽和氫氧化鈉溶液的量，避免浪費，充分利用實驗現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生進一步的思考。

參考文獻：

［1］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學(xué)必修第二冊（2019年版）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 15.

［2］王磊主編. 普通高中教科書·化學(xué)必修第一冊（2019年版）［M］. 濟南： 山東科學(xué)技術(shù)出版社， 2019： 119.

［3］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學(xué)必修第二冊（2020年版）［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2020： 41～42.

［4］楊香濤， 阮方來. 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的整合設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （10）： 70～72.

［5］李潤. 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的改進實驗［J］. 化學(xué)教育（中英文）， 2018， 39（7）： 63～65.

［6］顏冬微， 吳雙桃， 劉藝， 黃沔銣. 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的微量實驗設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （2）： 63～65.

*西華師范大學(xué)四川省教育發(fā)展研究中心2019年課題“新課標(biāo)背景下高中化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新探究”（項目編號：CJF19090）研究成果之一。