曾茹蕓　藍(lán)麗微　張燕輝

摘要： 對(duì)高中化學(xué)三個(gè)版本教材中“HNO3的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行評(píng)析與改進(jìn)，將玻璃導(dǎo)管、醫(yī)療用品等用于組裝實(shí)驗(yàn)裝置，能對(duì)比Cu與稀、濃HNO3反應(yīng)現(xiàn)象的不同，且能完成NO、 NO2的多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單易操作。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)可以減少試劑用量，具有微量化的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 銅與硝酸反應(yīng)； 氮氧化物； 試劑微量化； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2023）11007204 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 課標(biāo)與教材分析

銅與濃、稀硝酸反應(yīng)作為“氮及其化合物”這一章節(jié)的重要實(shí)驗(yàn)，輔助學(xué)生了解和掌握氮及其化合物的性質(zhì)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》［1］對(duì)氮及其化合物的內(nèi)容要求是結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，了解氮及其重要化合物的主要性質(zhì)；在學(xué)習(xí)活動(dòng)中建議利用實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)學(xué)習(xí)濃、稀硝酸的性質(zhì)，氮氧化物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化。

將三個(gè)版本教材中的銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。在蘇教版、人教版高中化學(xué)教材中的銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)前未排盡具支試管中的空氣，可能會(huì)導(dǎo)致銅與稀硝酸反應(yīng)生成的NO迅速被空氣中的氧氣氧化，學(xué)生不易觀察到無(wú)色的NO氣體與氧氣反應(yīng)生成紅棕色氣體的現(xiàn)象。除此之外，蘇教版教材中的實(shí)驗(yàn)使用銅片，無(wú)法控制銅與硝酸的反應(yīng)速率；利用排水法收集銅與稀硝酸反應(yīng)生成的NO，但銅與濃硝酸反應(yīng)生成的NO2氣體也會(huì)與水反應(yīng)生成NO，干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果［2］；且裝置缺少尾氣吸收處理。在人教版教材中，該實(shí)驗(yàn)在結(jié)束后，具支試管中剩余的氮氧化物無(wú)法進(jìn)行綠色化處理，拆卸裝置時(shí)，極易逸散至空氣中。魯科版教材則編寫(xiě)簡(jiǎn)單，僅對(duì)氣體發(fā)生裝置和氮氧化物的吸收作了簡(jiǎn)要的提示。

2 Cu與HNO3反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)文獻(xiàn)案例簡(jiǎn)介

近些年有關(guān)銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)主要集中在銅與濃、稀硝酸反應(yīng)現(xiàn)象對(duì)比；排除空氣對(duì)銅與稀硝酸反應(yīng)的影響；實(shí)驗(yàn)裝置微型化與使用生活用品等［3］。銅與硝酸反應(yīng)作為課堂演示實(shí)驗(yàn)，其改進(jìn)不僅要符合當(dāng)下實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的原則，更要保證改進(jìn)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的可行性。于永民老師等利用雙球干燥管、啟普發(fā)生器使裝置處于CO2的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在無(wú)氧條件下，銅絲與濃硝酸、稀硝酸的連續(xù)反應(yīng)［4］；譚文生老師利用移液管、洗耳球在全封閉的條件下實(shí)現(xiàn)銅絲與濃、稀硝酸的可控反應(yīng)，現(xiàn)象明顯、取材方便［5］；魏海老師自制雙注射器制造無(wú)氧環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)有毒氣體零排放［6］。以上實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案對(duì)學(xué)生具有一定的啟示作用，但仍存在實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、不易操作等問(wèn)題。

此外，又發(fā)現(xiàn)某些利用注射器和銅片改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)［7］，將注射器作為銅與濃硝酸反應(yīng)的裝置，反應(yīng)瞬間可產(chǎn)生大量的NO2，但壓強(qiáng)過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致氣體沖出注射器；利用輸液袋與銅絲改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)［8］，輸液袋收集氣體可起到緩沖作用，但二次實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)輸液袋由透明變成乳白色，影響了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。

3 實(shí)驗(yàn)試劑微量化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

對(duì)三個(gè)版本教材實(shí)驗(yàn)存在的不足進(jìn)行思考和改進(jìn)，利用玻璃導(dǎo)管、注射器等改進(jìn)銅與濃硝酸、稀硝酸反應(yīng)裝置，在氣體顏色的轉(zhuǎn)變上，為NO向NO2轉(zhuǎn)化提供證據(jù)支持，體現(xiàn)微量化實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)思路。

微量化實(shí)驗(yàn)的研究，是建立在上世紀(jì)末提出的微型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的［9］。微型實(shí)驗(yàn)中的儀器、裝置過(guò)小往往有其致命的弱點(diǎn)，即實(shí)驗(yàn)裝置與現(xiàn)象的可見(jiàn)度太小、實(shí)驗(yàn)操作有異化，這些無(wú)疑會(huì)影響到學(xué)生的觀察及實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。而微量化實(shí)驗(yàn)則克服了微型實(shí)驗(yàn)的這些弊端，其以微小量的試劑在較常規(guī)的儀器裝置中進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象依然足夠明顯。即微量化實(shí)驗(yàn)在保證試劑用量少、污染少、省時(shí)間、易操作的同時(shí)，仍使用常規(guī)儀器、裝置，仍能達(dá)到常規(guī)演示實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度［10］。基于此功能和特征，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中研究和推廣微量化實(shí)驗(yàn)就十分必要了。

在微量化實(shí)驗(yàn)中，可以利用一些更生活化、更環(huán)保的實(shí)驗(yàn)儀器和手段，如空礦泉水瓶、注射器、濾紙、火柴等，將原本較復(fù)雜、較耗試劑、較污染環(huán)境的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化成微量的、易操作的、對(duì)環(huán)境較友好的、演示的可見(jiàn)度不受影響（甚至更好）的實(shí)驗(yàn)方案［11］。

4 實(shí)驗(yàn)部分

4.1 實(shí)驗(yàn)用品

導(dǎo)管（直角導(dǎo)管、直導(dǎo)管）、橡膠管、止水夾、注射器（20mL，分別編號(hào)為A、 B）、西林瓶、圓底燒瓶、銅絲（提前用砂紙打磨）、濃硝酸、稀硝酸（V濃硝酸∶V水=1∶1）、飽和NaOH溶液

4.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1、圖2。

4.3 實(shí)驗(yàn)步驟

4.3.1 銅與稀硝酸反應(yīng)

用膠頭滴管吸取4mL稀HNO3，滴加到直角導(dǎo)管中；注射器A吸取1mL空氣，注射器B吸取10mL飽和NaOH溶液，如圖1所示，組裝實(shí)驗(yàn)裝置。關(guān)閉止水夾2，調(diào)整銅絲的位置，使銅絲與稀HNO3接觸，反應(yīng)開(kāi)始。向上拉動(dòng)銅絲，離開(kāi)稀HNO3液面，反應(yīng)停止。隨即拉動(dòng)注射器A的芯桿，使NO與O2發(fā)生反應(yīng)。觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置使注射器B在上端并打開(kāi)止水夾2，拉動(dòng)注射器B的芯桿吸收直角導(dǎo)管與注射器A中的NO和NO2。

4.3.2 銅與濃硝酸反應(yīng)

類似地，用膠頭滴管吸取2mL濃HNO3，滴加到直角導(dǎo)管中，注射器B吸取10mL飽和NaOH溶液，如圖1所示，組裝實(shí)驗(yàn)裝置。關(guān)閉止水夾2，調(diào)整銅絲的位置，使銅絲與濃HNO3接觸，反應(yīng)開(kāi)始。向上拉動(dòng)銅絲，離開(kāi)濃HNO3液面，反應(yīng)停止。觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，關(guān)閉止水夾1，取出注射器A，向其中注入一定量H2O，完成NO2與H2O的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。隨即轉(zhuǎn)動(dòng)裝置使注射器B在上端并打開(kāi)止水夾2，拉動(dòng)注射器B的芯桿吸收直角導(dǎo)管中的NO2。

4.3.3 收集NO2氣體

如圖2所示，用注射器吸取2mL濃HNO3，滴加入西林瓶中，兩支玻璃導(dǎo)管穿過(guò)西林瓶雙孔塞，分別用來(lái)收集反應(yīng)生成的NO2氣體與固定銅絲，便于上下移動(dòng)銅絲，隨時(shí)調(diào)整反應(yīng)速率。圓底燒瓶口的雙孔塞，分別用來(lái)排盡圓底燒瓶?jī)?nèi)的空氣與連接西林瓶收集NO2。當(dāng)觀察到圓底燒瓶?jī)?nèi)充滿紅棕色氣體，證明氣體收集完成。之后可通過(guò)導(dǎo)管向西林瓶滴加飽和NaOH溶液進(jìn)行尾氣吸收。

4.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與解釋

4.4.1 銅與稀硝酸反應(yīng)

Cu與稀HNO3反應(yīng)生成Cu（NO3）2與NO，溶液逐漸由無(wú)色變?yōu)樗{(lán)色，且有無(wú)色氣泡冒出，無(wú)色的NO氣體進(jìn)入裝有少量空氣的注射器A后，被空氣中的氧氣氧化，轉(zhuǎn)化為紅棕色的NO2氣體。反應(yīng)的方程式如下：

3Cu+8HNO3（稀）3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

2NO+O22NO2

4.4.2 銅與濃硝酸反應(yīng)

Cu與濃HNO3反應(yīng)生成Cu（NO3）2與NO2，溶液由無(wú)色變?yōu)榫G色，其原因?yàn)樗{(lán)色的Cu（NO3）2溶液與紅棕色的NO2氣體混合使直角導(dǎo)管中的溶液由無(wú)色逐漸變?yōu)榫G色。反應(yīng)生成的紅棕色NO2氣體增大直角導(dǎo)管內(nèi)的壓強(qiáng)，氣體慢慢進(jìn)入注射器A，當(dāng)注射器A中約有3mL NO2時(shí)，關(guān)閉止水夾1，往注射器A注入一定量H2O，NO2與H2O反應(yīng)生成HNO3和NO，注射器A中氣體顏色由紅棕色變?yōu)闊o(wú)色。反應(yīng)的方程式如下：

Cu＋4HNO3（濃）Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

3NO2+H2O2HNO3+NO

2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O

4.4.3 收集NO2氣體

Cu與濃HNO3反應(yīng)生成Cu（NO3）2與NO2，一段時(shí)間后，西林瓶充滿了紅棕色的NO2氣體，溶液由無(wú)色變?yōu)榫G色。利用向上排空氣法收集氣體，使圓底燒瓶?jī)?nèi)充滿紅棕色的NO2氣體，隨即向西林瓶中加入飽和NaOH溶液進(jìn)行尾氣吸收。

4.5 注意事項(xiàng)與實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

反應(yīng)前，銅絲要提前用砂紙打磨，除去表面的氧化膜；銅與稀HNO3反應(yīng)時(shí)，注射器A中裝入少量空氣（1～3mL為宜）；進(jìn)行銅與濃HNO3反應(yīng)時(shí)，緩慢上下移動(dòng)銅絲，以免反應(yīng)過(guò)于劇烈。

銅與稀、濃HNO3反應(yīng)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解兩個(gè)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不同，產(chǎn)物不同，以及稀、濃HNO3的性質(zhì)；通過(guò)銅與稀HNO3的反應(yīng)為NO向NO2轉(zhuǎn)化提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持；收集NO2氣體實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)NO2的性質(zhì)及噴泉實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

4.6 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 銅絲代替銅片，可以隨時(shí)停止反應(yīng)，且未反應(yīng)的銅絲經(jīng)過(guò)砂紙打磨，可以重復(fù)使用。

（2） 化學(xué)試劑用量很少，且解決了原教材尾氣吸收不充分，造成NO、 NO2污染等問(wèn)題。

（3） 學(xué)生可以清晰地觀察到溶液、氣體顏色的變化，有助于學(xué)習(xí)稀、濃HNO3的性質(zhì)，同時(shí)為NO向NO2的轉(zhuǎn)化提供事實(shí)證據(jù)。

（4） 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)便、易于攜帶，便于教師在課堂中演示。

5 課堂教學(xué)效果反饋

將本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用到課堂教學(xué)實(shí)踐中，及時(shí)記錄課堂教學(xué)情況。通過(guò)課后訪談收集授課教師與學(xué)生對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的意見(jiàn)，分析歸納銅與稀、濃HNO3改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性及在教學(xué)實(shí)踐中的可行性。

從師生訪談結(jié)果來(lái)看，該微量化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化了教師課前的準(zhǔn)備工作，解決了教材實(shí)驗(yàn)的不足，提高了實(shí)驗(yàn)操作效率及課堂演示實(shí)驗(yàn)的成功率；同時(shí)通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)探究，激發(fā)了學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，深化了對(duì)知識(shí)的理解，起到了啟發(fā)引導(dǎo)的作用，得到了師生們的肯定。相信微量化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用會(huì)提升到更高的水平，服務(wù)于教學(xué)，為一線化學(xué)教師提供可行的實(shí)驗(yàn)方案。

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*2022年福建省本科高校教育教學(xué)研究項(xiàng)目“國(guó)家戰(zhàn)略需求導(dǎo)向下化學(xué)教育碩士融合生態(tài)文明和人文科學(xué)素養(yǎng)人才培養(yǎng)研究”（FBJG20220126）；2019年福建省線下一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目“結(jié)構(gòu)化學(xué)”（閩教高〔2019〕23號(hào)）的研究成果。