陳彩紅 車銘妍

山東省煙臺經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)王懿榮高級中學(264006)

1 實驗設計背景

化學實驗是發(fā)展學生化學核心素養(yǎng)的重要載體，有利于培養(yǎng)學生的科學探究與創(chuàng)新意識、證據(jù)推理與模型認知，宏觀辨識與微觀探析等化學核心素養(yǎng)。在《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中，銅與濃、稀硝酸的性質和氮氧化合物的性質與轉化是“學習活動建議”中的建議實驗，要求“結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解氮及其重要化合物的主要性質”[1]。

2019年版的人教版[2]、魯科版[3]、蘇教版[4]的銅與硝酸的實驗操作裝置(見圖1)都存在一些不足：①有毒氣體NO逸出，尾氣處理效果不理想；②反應不可控；③因為裝置內殘留空氣，產(chǎn)物NO的檢驗存在誤差。而眾多創(chuàng)新改進實驗多關注的是銅與濃、稀硝酸的對比實驗，存在裝置設計過長、過于復雜或可視化程度不高等問題。

圖1 不同版本教材上的實驗裝置圖

基于以上分析，本復習課的實驗教學力求實現(xiàn)氮的含氧化合物轉化的一體化設計，將多個轉化過程以連續(xù)的方式在同一實驗裝置中呈現(xiàn)，不僅能幫助學生加深對氮的含氧化合物轉化的認識，也有利于觸發(fā)學生對一體化實驗的思考，有利于培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)。

2 實驗裝置創(chuàng)新設計

2.1 實驗藥品與儀器

實驗藥品:銅絲、濃硝酸(質量分數(shù)68%)、NaOH溶液(6 mol/L)、蒸餾水、H2O2(質量分數(shù)5%)、MnO2、0.5 mol/L的NaHCO3溶液。

實驗儀器:磁子、吸鐵石、三頸燒瓶(100 mL)、注射器(10 mL、50 mL、100 mL)、帶孔橡膠塞、鐵架臺、鐵夾。

2.2 實驗前準備

(1)將銅絲纏繞在磁子上,利用磁鐵的移動將其放入三頸燒瓶中。

(2)用10 mL注射器向100 mL的三頸燒瓶內加入7 mL的濃硝酸,注射器A中吸入10 mL的濃度為6 mol/L的NaOH溶液;注射器B中吸入10 mL的蒸餾水;

(3)利用錐形瓶、橡膠塞、100 mL注射器的簡單組合裝置,用10 mL濃度為5%的H2O2溶液和少量MnO2粉末制備氧氣,收集在注射器C中(吸入少量水進行液封)。

(4)將各注射器針頭插入橡膠塞中,注射器針筒先不安上,之后利用5 mL的注射器向三頸燒瓶中注入1 mL濃度為0.5 mol/L的NaHCO3溶液,NaHCO3與HNO3反應產(chǎn)生CO2排除裝置內的空氣，防止氧氣對后面NO→NO2的轉化造成干擾，最后按照圖2安裝好實驗裝置，準備過程可在上課之前完成。

圖2 一體化實驗裝置圖

2.3 實驗過程

(1)實現(xiàn)濃硝酸→NO2的轉化

首先通過磁鐵控制磁子下移,銅與濃硝酸發(fā)生反應,Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,觀察到產(chǎn)生大量紅棕色氣體,溶液變?yōu)榫G色。維持8～10 s的時間,磁鐵上移,反應停止,防止產(chǎn)生太多的NO2而無法處理。

(2)實現(xiàn)NO2→HNO3的轉化

通過注射器B向三頸燒瓶內注入10 mL的水,對濃硝酸進行稀釋,觀察到溶液變?yōu)樗{色,紅棕色氣體慢慢變淺直至消失,發(fā)生反應:3NO2+H2O=2HNO3+NO。

(3)實現(xiàn)HNO3→NO的轉化

利用磁鐵控制磁子下移,銅與稀硝酸反應:3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+ 2NO↑ +4H2O,觀察到銅絲表面產(chǎn)生氣泡,三頸燒瓶中氣體顏色沒有變化,說明產(chǎn)生的氣體是無色的NO,發(fā)生反應35～40 s后,磁鐵上移,反應停止。

(4)實現(xiàn)NO→NO2的轉化

通過注射器C緩緩地注入適量的氧氣,觀察到無色氣體變?yōu)榧t棕色,發(fā)生反應:2NO+O2=2NO2。觀察到紅棕色后顏色又慢慢變淺,對此提出疑問,認識到NO2會繼續(xù)和H2O發(fā)生反應,發(fā)生總反應:4NO2+O2+2H2O=4HNO3和4NO+3O2+2H2O=4HNO3。

(5)實現(xiàn)NO2→NaNO3+NaNO2、HNO3→NaNO3的轉化

NO2有毒,需要進行尾氣處理,通過注射器A向三頸燒瓶內注入0.5 mol/L的NaOH溶液,NO2、多余的稀硝酸與NaOH發(fā)生反應:2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O、HNO3+NaOH=NaNO3+H2O,最終實現(xiàn)有毒氣體NO2的零排放。

3 實驗創(chuàng)新點

(1)改進后的實驗裝置器材簡易,將注射器配合三頸燒瓶使用,現(xiàn)象明顯,便于觀察。

(2)通過磁鐵控制磁子的上下移動,隨時控制反應的發(fā)生與停止,操作簡單,且磁子并不與濃、稀硝酸反應,能夠重復使用。

(3)整個實驗過程在密閉條件下進行,尾氣處理得當,符合綠色化學的理念,便于師生近距離觀察。

(4)使多個氮的含氧化合物之間的轉化實驗在同一個裝置內以連續(xù)性的方式呈現(xiàn),反應現(xiàn)象直觀性強,反應發(fā)生的證據(jù)突出,激發(fā)了學生的實驗興趣,提高了教學的復習效果。

4 實驗注意事項

(1)可以將注射器的針頭涂抹凡士林后提前插入橡膠塞中,利用多次抽拉注射器將堵塞針頭的橡膠粒吹出,實驗時直接插上注射器即可,方便快捷。

(2)在加入NaHCO3溶液與濃硝酸反應產(chǎn)生CO2趕出裝置內空氣時,先不要插上注射器C,便于空氣逸出;NaHCO3溶液的量不要加太多,防止?jié)庀跛嶙兿　?/p>

(3)注射器C插入三頸燒瓶之前要吸入少量的水,進行液封,防止O2與產(chǎn)生的NO提前反應;并且要緩慢注入O2,讓O2與NO充分反應。