張紋 王曹興 鄭雨欣 林文珍

摘要：? 利用注射器良好的氣密性，采用膠頭玻璃滴管作為氣體干燥器，對(duì)氯氣的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、銅與稀硝酸反應(yīng)和氮氧化合物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究與改進(jìn)。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了氯氣、一氧化氮和二氧化氮等有毒氣體的小劑量制備，能有效避免空氣對(duì)銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)物的干擾，提高氯氣、氮氧化合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的效果。

關(guān)鍵詞：? 注射器； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 氮氧化合物； 氯氣

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）05-0075-04

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問(wèn)題的提出

氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、銅與稀硝酸反應(yīng)、氮氧化合物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化是中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)重點(diǎn)，是高中化學(xué)必修課程的核心內(nèi)容之一。在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中“常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”主題下，明確給出設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)的學(xué)習(xí)建議［1］。但由于干燥的氯氣、氮氧化合物制備與轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，廢氣污染大，限制了實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的開(kāi)展。以人教版高中化學(xué)必修教材（2019版）中的相關(guān)內(nèi)容為例進(jìn)行如下分析。

1.1? 氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

化學(xué)必修1中“氯及其化合物”在第一節(jié)介紹氯氣的相關(guān)性質(zhì)，在第二節(jié)給出制備氯氣的具體方法［2］。教師在第1課時(shí)教學(xué)中講解氯氣性質(zhì)時(shí)，需要提前在實(shí)驗(yàn)室制備好氯氣，再在課堂教學(xué)中演示氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。由于氯氣的制取與性質(zhì)檢驗(yàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)需在不同空間、不同步展開(kāi)，不僅為教師備課帶來(lái)諸多不便，也不利于學(xué)生對(duì)氯氣性質(zhì)和危害性的全面了解。目前大量研究集中在氯氣制備裝置的微型化改進(jìn)［3～6］，但受限于實(shí)驗(yàn)裝置需要定制或改裝以及干燥氯氣的方法欠妥，不利于教師開(kāi)展課堂演示。

1.2? 銅與稀硝酸反應(yīng)及氮氧化合物性質(zhì)與轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

化學(xué)必修2在介紹二氧化氮、一氧化氮的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，并未指明二氧化氮、一氧化氮的來(lái)源［7］，加之氮氧化合物的危害，導(dǎo)致教師在講解這部分內(nèi)容時(shí)通常采用播放視頻或直接口述。此外，教材在介紹銅與硝酸反應(yīng)時(shí)，給出的實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法排除氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的干擾，導(dǎo)致銅與稀硝酸反應(yīng)時(shí)直接放出二氧化氮，不利于學(xué)生正確理解銅與濃硝酸、銅與稀硝酸兩個(gè)反應(yīng)的區(qū)別。

基于上述分析，本文選取生活中易得的簡(jiǎn)易裝置和材料，對(duì)氯氣的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、銅與稀硝酸反應(yīng)、氮氧化合物性質(zhì)與轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和探索，以期為教師教學(xué)提供參考。

2? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1? 氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

2.1.1? 實(shí)驗(yàn)原理

84消毒液和潔廁靈溶液反應(yīng)的主要化學(xué)方程式為：

2HCl+NaClONaCl+Cl2↑+H2O

由于該反應(yīng)速率較快，為控制氯氣的制備量，防止試管內(nèi)壓力過(guò)高，把潔廁靈溶液和84消毒液分別置于試管和注射器（50mL）中，通過(guò)控制注射器中84消毒液的注入量來(lái)控制氯氣的生成量。

2.1.2? 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

NaOH溶液、84消毒液、潔廁靈、無(wú)水氯化鈣、蒸餾水、pH試紙、50mL注射器（3支）、膠頭玻璃滴管、試管、橡膠塞、脫脂棉

2.1.3? 實(shí)驗(yàn)步驟

步驟一：氯氣的制備

如圖1A所示，組裝好氣體發(fā)生裝置，將大試管固定于鐵架臺(tái)上。拉動(dòng)注射器1活塞并松手，觀察活塞位置是否復(fù)原，以此驗(yàn)證裝置氣密性是否良好。拔掉橡膠塞向試管中加入潔廁靈溶液，塞緊橡膠塞，之后將注射器2拔下（注意不要拔出針頭，僅分離針頭和注射器，保證針頭始終扎穿橡膠塞以便更換注射器），吸取一定量的84消毒液后將注射器重新插入針頭（見(jiàn)圖1B）。緩慢推動(dòng)注射器的活塞，將84消毒液注入試管，此時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生觀察84消毒液和潔廁靈溶液反應(yīng)的現(xiàn)象，當(dāng)觀察到黃綠色氣體即將充滿(mǎn)試管后停止滴入84消毒液，并取下注射器2，在橡膠塞針頭上重新接入一支潔凈的注射器3（見(jiàn)圖1C）用于平衡氣壓。隨后拉動(dòng)注射器1。隨著反應(yīng)進(jìn)行可觀察到試管中黃綠色的氯氣進(jìn)入注射器1，收集完畢后，取下注射器1并插入橡膠塞將針頭密封（見(jiàn)圖2A）。為保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氯氣的充足，可重復(fù)上述操作制備氯氣。拔下注射器1后，為防止試管中氯氣泄漏，可用橡皮泥將針孔封口（見(jiàn)圖1D）。

步驟二：干燥氯氣使pH試紙（濕潤(rùn)）退色實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備好兩支干燥試管（試管1放入用蒸餾水潤(rùn)濕的pH試紙，試管2放入干燥的pH試紙）以及裝滿(mǎn)無(wú)水氯化鈣的膠頭滴管1支（滴管膠頭上預(yù)先插入針頭）。將先前收集滿(mǎn)氯氣的注射器密封針頭拔下，換上插入裝滿(mǎn)無(wú)水氯化鈣的膠頭滴管的針頭（為防止氯氣泄漏，連結(jié)過(guò)程確保注射器豎直），然后將膠頭滴管伸入試管1底部，緩慢推動(dòng)活塞注入適量氯氣（見(jiàn)圖2B），之后取出膠頭滴管迅速用橡膠塞塞緊試管密封。重復(fù)操作，將剩余的氯氣注入試管2（見(jiàn)圖2C）后密封。此時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，約15秒后試管1中潤(rùn)濕的pH試紙退色，而試管2中干燥的pH試紙

幾乎沒(méi)有變化（見(jiàn)圖2D），表明干燥的氯氣沒(méi)有漂白性，濕潤(rùn)的氯氣才具有漂白性。進(jìn)而講解次氯酸的性質(zhì)，并過(guò)渡到氯水的組成及其性質(zhì)的講解。

步驟三：氯水的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

將先前收集滿(mǎn)氯氣的注射器（見(jiàn)圖2A）密封橡膠塞拔下吸入適量蒸餾水后再次密封，振蕩注射器使氯氣充分溶解，并引導(dǎo)學(xué)生觀察注射器內(nèi)氣體以及溶液顏色的變化。學(xué)生可以觀察到黃綠色氣體消失，無(wú)色蒸餾水變成淡綠色水溶液這一過(guò)程，為學(xué)生理解新制氯水的組成提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)支撐。隨后，教師可進(jìn)一步開(kāi)展氯水性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

步驟四：尾氣處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試管、注射器內(nèi)剩余的氯氣，可通過(guò)注入或吸入適量氫氧化鈉溶液除去。

2.1.4? 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

步驟一中要確保插入橡膠塞的針頭未被堵塞。為保證收集的氯氣純度更高，需要將抽取的第一針管氣體（多為試管中殘留的空氣）舍棄掉。為便于觀察氯氣的顏色最好使用無(wú)色透明的玻璃注射器和膠頭滴管。步驟二中為獲取充分干燥的氯氣，可將裝入膠頭滴管的無(wú)水氯化鈣用棉花分段隔開(kāi)延長(zhǎng)氣體與氯化鈣的接觸時(shí)間。為了防止空氣中水蒸氣的干擾，需提前將放置pH試紙的試管進(jìn)行烘干處理，并向試管中加入適量無(wú)水氯化鈣用橡膠塞密封放置，實(shí)驗(yàn)前再將無(wú)水氯化鈣取出，快速完成氯氣的注入與密封，這樣可以保持干燥的pH試紙長(zhǎng)時(shí)間不退色。

2.2? 銅與稀硝酸反應(yīng)及氮氧化合物性質(zhì)與轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1? 實(shí)驗(yàn)原理

銅與稀硝酸反應(yīng)，利用注射器良好的密閉性，可以有效排除空氣中氧氣的干擾，在注射器筒內(nèi)制備得到較純凈的一氧化氮，并以此開(kāi)展氮氧化合物性質(zhì)與轉(zhuǎn)化探究實(shí)驗(yàn)。

銅與稀硝酸反應(yīng)的主要化學(xué)方程式為：

3Cu+8HNO3（稀）3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

一氧化氮與氧氣反應(yīng)為：

2NO+O22NO2

二氧化氮與四氧化二氮轉(zhuǎn)化的可逆反應(yīng)為：

2NO2N2O4

二氧化氮與水反應(yīng)為：

3NO2+H2O2HNO3+NO

2.2.2? 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

稀硝酸（體積比1∶3）、銅片、NaOH溶液、50mL注射器（1支）、100mL燒杯（2只）、橡膠塞

2.2.3? 實(shí)驗(yàn)步驟

步驟一：銅與稀硝酸反應(yīng)

將注射器活塞拔下，向注射器筒中放入一片銅片后重新塞入活塞并推入底部，隨后吸入20mL稀硝酸并排盡注射器中的空氣，最后將針頭插入橡膠塞密封（見(jiàn)圖3A）。為達(dá)到最佳密封效果可將注射器倒放在500mL大燒杯內(nèi)靜止放置。本文對(duì)稀硝酸濃度進(jìn)行探索后發(fā)現(xiàn)體積比為1∶3的稀硝酸與銅反應(yīng)速率最快且無(wú)二氧化氮生成。反應(yīng)過(guò)程中，可明顯觀察到銅片周?chē)a(chǎn)生大量氣泡，約20分鐘后即可觀察到注射器中收集到約10mL的無(wú)色一氧化氮，溶液顏色由無(wú)色變?yōu)樗{(lán)色（見(jiàn)圖3B）。

步驟二：一氧化氮的收集

步驟一反應(yīng)20分鐘后，將反應(yīng)后的溶液注入氫氧化鈉溶液中，隨后用橡膠塞密封注射器，這樣便收集到了約10mL的一氧化氮（見(jiàn)圖3C）。

步驟三：一氧化氮與氧氣反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)

將圖3C中的注射器密封橡膠塞拔下，隨后拉動(dòng)活塞吸入約3倍體積空氣，并引導(dǎo)學(xué)生觀察氣體顏色的變化。當(dāng)空氣進(jìn)入注射器瞬間，無(wú)色一氧化氮與空氣迅速反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色的二氧化氮（見(jiàn)圖3D）。吸入空氣操作完成后，再次用橡膠塞密封。

步驟四：壓強(qiáng)對(duì)二氧化氮與四氧化二氮可逆轉(zhuǎn)化的影響演示實(shí)驗(yàn)

將圖3D中的注射器，水平放置拿在手中，面向?qū)W生。隨后迅速推動(dòng)活塞擠壓二氧化氮，可觀察到氣體紅棕色瞬間加深，稍后顏色變淺。

步驟五：二氧化氮與水反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)

將圖3D中的注射器橡膠塞拔下，吸入約10mL蒸餾水后用橡膠塞密封并充分振蕩，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象。為驗(yàn)證二氧化氮與水反應(yīng)有一氧化氮生成，將注射器橡膠塞拔下吸入一定量空氣，可看到部分無(wú)色氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色氣體。通過(guò)控制空氣的吸入量，可將一氧化氮完全轉(zhuǎn)化。

步驟六：尾氣及廢液處理

對(duì)于步驟四、五中注射器內(nèi)的二氧化氮或硝酸溶液可通過(guò)吸入氫氧化鈉溶液處理。

2.2.4? 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

步驟一中，應(yīng)將銅片裁剪為較注射器筒身直徑稍小的片狀，方便銅片能平鋪在注射器筒身內(nèi)。由于銅與稀硝酸反應(yīng)速率較慢，為節(jié)約課堂教學(xué)等待的時(shí)間，教師可在課前準(zhǔn)備好反應(yīng)一段時(shí)間后的裝置進(jìn)行展示。

3? 總結(jié)

3.1? 氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

氯氣制取的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易，材料易得，尤其適合少量氯氣的制備。此外，首次提出用膠頭滴管代替?zhèn)鹘y(tǒng)干燥管獲得干燥氯氣，且密閉效果好，非常適合小劑量干燥。

3.2? 銅與稀硝酸反應(yīng)及氮氧化合物性質(zhì)與轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

利用注射器密封隔絕空氣，有效避免空氣對(duì)觀察一氧化氮生成的干擾，為教師獲取一針筒的一氧化氮或二氧化氮提供可行方案。整個(gè)演示過(guò)程在密閉的注射器內(nèi)完成，達(dá)到廢氣零排放，有利于開(kāi)展學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

3.3? 注射器用于改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的利弊

由于注射器良好的氣密性和操作上的便利性，在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（例如在封閉教室環(huán)境中進(jìn)行有害氣體性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)裝置微型化、定量加入反應(yīng)溶液等）常在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中看到注射器的身影。然而，針頭的使用也具有一定的危險(xiǎn)性，限制了其在課堂教學(xué)中的使用。常見(jiàn)的方法是用注射器配合橡膠管利用止水夾進(jìn)行密封，這樣可以避免針頭的使用。但在材料的準(zhǔn)備上卻帶來(lái)了困難，一般很難在市面上購(gòu)買(mǎi)到和注射器配套的橡膠管。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中采用僅換注射器不換針頭的方法是可取的，另外通過(guò)提前將針頭扎穿或扎入橡膠塞來(lái)減少教學(xué)過(guò)程中裸露針頭和扎針操作，可以有效提升注射器使用的工作效率和安全性。

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