伍強 方瑞光

摘要：介紹了全國第十二屆化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新研討會上關(guān)于銅與硝酸反應(yīng)的3例優(yōu)秀作品。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套新的實驗裝置。用該裝置可連續(xù)演示銅與濃硝酸、二氧化氮與水、銅與稀硝酸及一氧化氮與氧氣反應(yīng)等實驗，達到實驗一體化的目的。實驗具有對比性、直觀性、自控性、調(diào)控性、操控性、低污染的優(yōu)點，具有較好的實驗教學(xué)功效。

關(guān)鍵詞：銅與硝酸；反應(yīng)實驗；一體化設(shè)計；實驗改進與創(chuàng)新

文章編號：1005–6629（2016）6–0060–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會主辦的全國第十二屆化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新研討會于2015年10月27日～10月30日，在福建省廈門第一中學(xué)舉行。研討會上展示了來自全國各地203件實驗創(chuàng)新作品。在閉幕式上，華東師范大學(xué)王程杰教授作了精彩點評，強調(diào)“一看就懂，一學(xué)就會，重在思維引導(dǎo)”的實驗創(chuàng)新設(shè)計理念。

1 Cu和HNO3反應(yīng)實驗創(chuàng)新作品分析

Cu與HNO3反應(yīng)實驗創(chuàng)新是一個永恒的課題，許多研究者已做了創(chuàng)新設(shè)計[1～4]。在本屆研討會上，展示的Cu與HNO3反應(yīng)實驗創(chuàng)新作品共有12件，Cu與HNO3反應(yīng)的容器分別是注射器（4件）、U型管（3件）、試管（2件）、膠頭滴管（1件）、移液管（1件）、小玻璃瓶（1件）。其中湖南省代表隊賈超老師的作品“銅與稀硝酸反應(yīng)制取一氧化氮實驗裝置的改進”、浙江省代表隊顧建鳴老師的作品“銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的改進”、福建省代表隊馬東老師的作品“硝酸性質(zhì)實驗的一體化設(shè)計”受到評委組好評，獲一等獎。筆者反復(fù)觀看了現(xiàn)場展示實驗的視頻，按照作者的實驗裝置以及試劑的用量和濃度、操作的步驟和方法，對三件優(yōu)秀作品做了實驗再現(xiàn)。領(lǐng)悟了實驗創(chuàng)新設(shè)計的理念，受益匪淺，同時也發(fā)現(xiàn)了作品存在的不足之處，提出了改進的方案。

（1）“銅與稀硝酸反應(yīng)制取一氧化氮實驗裝置的改進”[5]，實驗裝置如圖1所示。向大試管中加入約2/3試管預(yù)先水浴加熱的稀HNO3（1：3），再加適量植物油至接近試管口，然后塞緊掛有銅片的橡皮塞，銅片與稀HNO3反應(yīng)生成NO氣體慢慢地將注射器的活塞往上推，收集3mL NO氣體后取下橡皮塞（包括銅片）。向注射器里再吸入適量空氣，氣體顏色由無色變?yōu)榧t棕色。

[實驗的優(yōu)點]實驗裝置簡便，Cu與稀HNO3反應(yīng)生成的NO氣體沒有直接與空氣接觸。清晰地觀察到無色NO和O2反應(yīng)生成紅棕色NO2的實驗過程和現(xiàn)象。

[實驗的缺點]取下橡皮塞時，在試管口處觀察到少量的紅棕色氣體生成，有氮氧化合物外逸。橡皮塞如果蘸上植物油，則易引起脫塞現(xiàn)象。稀HNO3要預(yù)先水浴加熱，學(xué)生會誤認為Cu與稀HNO3在加熱條件下才能反應(yīng)。

[試劑的改進]不用植物油，單用稀HNO3直接加至接近試管口，實驗操作簡單，效果卻相同。將銅片換成細銅絲且適當增大稀HNO3濃度，這樣Cu與稀HNO3反應(yīng)較快，就可省去水浴加熱稀HNO3的操作。

（2）“銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的改進”[6]，實驗裝置如圖2所示（注：移液管用滴定管夾固定，固定裝置略）。往錐形瓶中加入30mL濃HNO3，用洗耳球?qū)噬戏较鹌す芸谖鼩?，至濃HNO3充滿整個移液管，關(guān)閉彈簧夾A。銅絲與濃HNO3反應(yīng)生成NO2，液面下降固液分離，關(guān)閉彈簧夾B。通過上方橡皮管口用注射器將5mL水注入移液管中，NO2與水反應(yīng)生成NO。用注射器吸取移液管中的部分NO，再抽出注射器針（注：此操作必須使移液管內(nèi)產(chǎn)生負壓）。在錐形瓶中加入50mL水用于稀釋濃HNO3，打開彈簧夾B，倒吸約5mL的稀HNO3。銅絲與稀HNO3反應(yīng)產(chǎn)生微小氣泡，液面下降非常緩慢，過了十幾分鐘固液分離。向移液管中注入空氣，氣體顏色由無色變?yōu)榧t棕色。

[實驗的優(yōu)點] Cu與濃、稀HNO3反應(yīng)生成一定量的氣體使固液自動分離，就像作者所說的：“類似于啟普發(fā)生器原理，達到固液分離效果”。能清晰地觀察到NO2與NO相互轉(zhuǎn)化的實驗現(xiàn)象。

[實驗的缺點]用注射器吸取移液管中部分的NO，使移液管內(nèi)產(chǎn)生負壓，操作難度大。打開彈簧夾B使稀HNO3倒吸，難以控制移液管中稀HNO3的濃度。移液管中NO氣體沒有被完全清除，假如銅與稀HNO3反應(yīng)生成H2，向NO和H2的混合氣體中注入空氣也能生成紅棕色氣體，因此向移液管中注入空氣，氣體顏色由無色變?yōu)榧t棕色，不能說明Cu與稀HNO3反應(yīng)生成NO。

[操作的改進]改進銅絲與稀HNO3反應(yīng)的操作，打開彈簧夾A、B，用洗耳球?qū)噬戏较鹌す芸谖鼩?，至稀HNO3充滿整個移液管，這樣移液管中生成的NO氣體都是銅絲與稀HNO3反應(yīng)生成的。

（3）“硝酸性質(zhì)實驗的一體化設(shè)計”[7]，實驗裝置如圖3所示。稍壓扁塑料瓶，塞上橡皮塞。用注射器向小玻璃瓶中注入1mL濃HNO3，銅片與濃HNO3反應(yīng)生成NO2。拉推注射器活塞2次，水經(jīng)過三通管吸入小玻璃瓶中，吸入約20～30mL水。NO2與水反應(yīng)生成NO，銅片與稀HNO3反應(yīng)極微弱，近距離能觀察到稀少微小的氣泡。同時擠壓加壓球和外拉注射器活塞向小玻璃瓶中注入空氣，氣體顏色由無色變?yōu)榧t棕色。

[實驗的優(yōu)點]拉推注射器活塞使水吸入小玻璃瓶中，能清晰地觀察到NO2與NO相互轉(zhuǎn)化的實驗現(xiàn)象。

[實驗的缺點]向小玻璃瓶中注入20～30mL水，銅片與稀HNO3反應(yīng)極微弱，此時小玻璃瓶中的NO氣體主要是NO2與H2O反應(yīng)生成的，因此向小玻璃瓶中注入空氣，氣體顏色由無色變?yōu)榧t棕色，不能說明Cu與稀HNO3反應(yīng)生成NO。另外實驗裝置復(fù)雜，不符合“一看就懂，一學(xué)就會，重在思維引導(dǎo)”的實驗創(chuàng)新設(shè)計理念，難以找到合適的塑料瓶和小玻璃瓶。

[裝置的改進]用礦泉水瓶和細口瓶分別替代合適的塑料瓶和小玻璃瓶，設(shè)計成如圖4所示的實驗裝置，達到一看就懂的目的，而裝置功能不變。

三件優(yōu)秀作品其主要優(yōu)點如下：賈超老師的作品，Cu與稀HNO3反應(yīng)生成的NO氣體沒有與空氣直接接觸。顧建鳴老師的作品，Cu與濃、稀HNO3反應(yīng)生成一定量的氣體使固液自動分離。馬東老師的作品，拉推注射器活塞能使水吸入小玻璃瓶中。借鑒三件優(yōu)秀作品的優(yōu)點，筆者設(shè)計了一套新的實驗裝置用于Cu與濃、稀HNO3反應(yīng)實驗演示。

2 Cu與HNO3反應(yīng)實驗再創(chuàng)新

2.1 實驗儀器及試劑

實驗儀器：250mL吸濾瓶、干燥管（25mL容積）、30mL塑料注射器的外殼、T型玻璃管、彈簧夾、250mL錐形瓶、100mL注射器（化學(xué)實驗用注射器，出口口徑較大，便于液體或氣體的進出）

實驗試劑：65%～68%濃硝酸、粗銅絲、細銅絲（從軟導(dǎo)線中取出）、濃NaOH溶液

2.2 實驗裝置的設(shè)計

設(shè)計的實驗裝置如圖5所示。吸濾瓶側(cè)口連接30mL塑料注射器的外殼，內(nèi)裝蘸有濃NaOH溶液的棉花團。吸濾瓶上口插入帶有橡皮塞的干燥管，再通過T型玻璃管連接100mL注射器。

2.3 實驗操作、現(xiàn)象和結(jié)論

2.3.1 Cu與濃HNO3反應(yīng)、NO2與H2O反應(yīng)

（1）在吸濾瓶中加入30mL濃HNO3，在干燥管中加入粗銅絲，按如圖5所示組裝裝置。

（2）打開K1關(guān)閉K2，外拉注射器活塞，吸濾瓶中的濃HNO3被吸入干燥管中至充滿，關(guān)閉K1。干燥管中生成紅棕色氣體，溶液呈現(xiàn)綠色，液面下降固液分離。粗銅絲與濃HNO3反應(yīng)生成NO2，NO2溶于含有Cu（NO3）2的濃HNO3溶液中呈現(xiàn)綠色。

（3）打開K2關(guān)閉K1，注射器吸入50～80mL水。關(guān)閉K2打開K1，注射器中的水被自動吸入干燥管中。干燥管中紅棕色氣體消失，約有1/3干燥管的無色氣體生成，吸濾瓶中溶液呈現(xiàn)藍色。NO2與水反應(yīng)生成NO。

2.3.2 Cu與稀HNO3反應(yīng)、NO與O2反應(yīng)

（1）將橡皮管從錐形瓶中取出，控制K1、K2，向干燥管中注入一注射器的空氣（清除干燥管中氮氧化合物），打開干燥管塞子，向干燥管中添加一團細銅絲，塞緊塞子。

（2）外拉注射器活塞，吸濾瓶中的稀HNO3被吸入干燥管中至充滿，關(guān)閉K1。干燥管中生成無色氣體，液面下降固液分離。銅絲與稀HNO3反應(yīng)生成NO。

（3）打開K1關(guān)閉K2，外拉注射器活塞吸入NO，關(guān)閉K1，打開K2，再外拉注射器活塞吸入少量空氣。注射器中氣體顏色由無色變成紅棕色。NO與空氣中O2反應(yīng)生成NO2。

（4）將橡皮管插入錐形瓶中，控制K1、K2，將錐形瓶中的水轉(zhuǎn)移到吸濾瓶中，實驗結(jié)束。

2.4 實驗設(shè)計的思考

2.4.1 Cu與HNO3反應(yīng)的速率

Cu與濃、稀HNO3反應(yīng)速率不同，為控制反應(yīng)速率，選用粗銅絲與濃HNO3反應(yīng)，用細銅絲與稀HNO3反應(yīng)。在常溫下，對于Cu與稀HNO3的反應(yīng)，濃HNO3與水體積比以1：1.7至1：2.7配制稀HNO3較好，稀HNO3濃度過大反應(yīng)會生成少量NO2，稀HNO3濃度過小反應(yīng)緩慢。Cu與HNO3反應(yīng)速率受溫度影響較大，在氣溫較低的冬天，可將銅絲繞成螺旋狀或球狀，提高銅絲周圍溶液的溫度，從而增大反應(yīng)速率。銅絲的粗細、HNO3的濃度、反應(yīng)物的溫度均影響Cu與HNO3反應(yīng)的速率，通過對比實驗證實：生成的Cu（NO3）2也會明顯提高Cu與稀HNO3的反應(yīng)速率。

2.4.2 NO2與H2O反應(yīng)生成NO

1體積的NO2與H2O反應(yīng)應(yīng)有1/3體積的NO生成，其實NO2與水反應(yīng)較復(fù)雜。當溫度為294K左右時，紅棕色氣體為NO2和N2O4的混合物，其中約含15%的NO2[8]。假設(shè)1體積NO2和N2O4的混合物與水完全反應(yīng)生成NO，則至多生成0.62體積的NO，因此有較多的NO生成。NO2易溶于水，并歧化生成HNO3和HNO2：2NO2+H2O=HNO3+HNO2，HNO2不穩(wěn)定，受熱（或強酸性條件）立即分解：3HNO2=HNO3+2NO+H2O[9]，因此實驗條件下HNO2分解的量不確定。在實驗時，若向干燥管中注水過快，HNO2未分解就進入吸濾瓶中，生成NO量不到1/3干燥管；若向干燥管中注水較慢，生成NO量超過1/3干燥管，甚至達到1/2干燥管，因此在教學(xué)中觀察到有無色的NO氣體生成即可，不必深究生成NO氣體的多少。

2.5 實驗創(chuàng)新的意義

用設(shè)計的實驗裝置可連續(xù)地演示Cu與濃HNO3、NO2與H2O、Cu與稀HNO3、NO與O2的反應(yīng)實驗，實驗現(xiàn)象明顯，達到一體化設(shè)計的目的。實驗具有以下六個方面的優(yōu)點，因此具有良好的實驗教學(xué)功效。

（1）對比性。Cu與濃HNO3反應(yīng)、Cu與稀HNO3反應(yīng)都是在隔絕任何氣體的相同情況下進行的。

（2）直觀性。能看到干燥管中的NO2氣體與H2O反應(yīng)生成一定量的NO氣體。

（3）自控性。Cu與濃、稀HNO3反應(yīng)生成一定量的氣體使固液自動分離。

（4）調(diào)控性。在實驗過程中，可以添加細銅絲增大Cu與稀HNO3的反應(yīng)速率。

（5）操控性。如控制好K1、K2，可將錐形瓶中的水轉(zhuǎn)移到吸濾瓶中。

（6）低污染。用注射器的外殼，內(nèi)裝浸有濃 NaOH溶液的棉花團來吸收氮氧化物較為完全。

參考文獻：

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[4]王玉芬.在注射器中進行銅和硝酸反應(yīng)實驗[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（7）：41～42.

[5][6][7]中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會.全國第十二屆化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新研討會資料匯編[M].福建，2015：267，329，394.

[8][9]北京師范大學(xué)等.無機化學(xué)（下冊）（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2003：527，527.