改進實驗裝置完善實驗進程

〔關鍵詞〕 化學實驗;銅;硝酸;實驗裝置;改進;完善

〔中圖分類號〕 G633.8〔文獻標識碼〕 C

〔文章編號〕 1004—0463(2010)02(B)—0061—02

對實驗裝置、操作方法的改進只有始點而無終點，越是研究探索就越發現它們具有科學性和可操作性。例如“銅與硝酸反應”這一實驗，由于教材上的實驗易造成空氣污染，又不能控制反應進程，因此，許多一線的化學教師都在不斷地改進它的實驗裝置，探討它的操作方法，筆者也不例外。多年來，筆者通過不斷的研究，制作了一系列實驗裝置，經過一段時間的實踐后，又設計了一套新的實驗裝置，有效地解決了污染環境和反應進程控制等問題。

一、制作材料及實驗用品

20 mL的一次性注射器、一次性輸液器的塑料導管、三通管(剪掉一次性輸液器滴液管的外套制作)、止水夾等。

濃硝酸(12 mol/L)、稀硝酸(8 mol/L)、銅片(剪成比注射器內徑略小的圓片)、濃氫氧化鈉溶液、蒸餾水。

說明:因實驗時硝酸會有一定程度的稀釋，故均選擇了濃度稍大的硝酸進行實驗。

二、實驗裝置

如圖所示(圖1為實物圖，圖2為原理圖)。

三、裝置制作

取一次性輸液器一個，將輸液器上用于觀察滴液速度的滴液管外套剪掉，一端留長約5 cm的塑料導管，去掉支口上的橡膠帽，即可得到一個三通管。在三通管的另兩個支口上分別連接長約2 cm和5 cm的塑料導管，為了使其牢固，在套接時可用“三秒”膠粘接。然后在長的兩個導管上分別套上從輸液器上取下的止水夾K1、K2，再剪下3個輸液器上靜脈注射針頭上的接頭，涂上膠連接到三通管塑料導管的一端，以便換接注射器。最后再將三支注射器分別連接到制作好的三通管的三個接口上，整個裝置即制作完成。

四、實驗步驟

1.銅與稀硝酸的反應

(1)取下注射器，在注射器1內加入3片剪好的銅片后，吸入約5 mL的蒸餾水，然后將注射器1連接到制作好的沒有止水夾的三通管導管一端，打開止水夾K1、K2，管口朝上慢慢推動活塞，排盡注射器及導管內的空氣，在將注射器內蒸餾水盡可能全部排出后，關閉K1、K2。此時，在注射器及所連導管內會殘留少量蒸餾水，并在實驗時對硝酸有一定程度的稀釋，但由于前面已考慮到稀釋的問題，所以不會影響實驗結果。

(2)在另一注射器2內吸取約8 ml 12 mol/L的硝酸(注意不要吸入空氣)后，將其連接到K1所在的塑料導管上。

(3)打開K1，將注射器2內的硝酸注入注射器1內約4 mL后，立即關閉止水夾K1。這時銅與稀硝酸接觸并發生反應，可觀察到在銅片的表面有氣泡緩慢放出。隨著反應的進行，反應速率逐漸加快，溶液的顏色由無色變成藍色。同時，產生的無色氣體會推動注射器1的活塞向上慢慢移動。

(4)當產生的氣體達到所需量時，若欲使反應停止，只需在止水夾K2所在的導管一端連接好注射器3后打開K2，將注射器1內的反應液吸入注射器3(注意不要讓氣體進入注射器3，以免氣體逸散造成污染)，再關閉K2即可.此時銅與稀硝酸基本脫離接觸，反應隨之慢慢停止。若要繼續反應，只需打開K1，將注射器2內的硝酸繼續注入注射器1，再關閉K2，即可實現隨用隨停。

(5)驗證銅與稀硝酸反應產生的無色氣體NO時，只需取下注射器3，打開K2，再抽動注射器1的活塞將空氣吸入針筒內(或接另一吸有空氣的注射器并將空氣注入注射器1內)，無色氣體NO就會立即變成紅棕色的NO2，此時迅速關閉止水夾K2即可。

(6)實驗結束后進行尾氣處理時，只需取下注射器3，接上另一吸有濃NaOH溶液的注射器4，打開K2，向注射器1內注入NaOH溶液即可。為保證NO被NaOH溶液充分吸收，可在注射器4內同時吸入少量空氣后與NaOH溶液一同注入注射器1。如果注射器1內液體較多，可吸出大多液體后再注入NaOH溶液，以保證尾氣被完全吸收。

2.銅與濃硝酸的反應

此實驗操作除不進行上述步驟(5)中的NO驗證外，其余步驟相同。實驗時吸取12 mol/L的硝酸進行實驗，可觀察到銅與濃硝酸反應劇烈，在銅片的表面有大量的氣泡產生，溶液由無色變成綠色，產生的紅棕色氣體推動注射器1的活塞上移。

五、裝置特點及優點

(1)材料易得，制作簡單，造價低廉。學生實驗時可用小規格注射器(如5 mL)，使裝置更加微型化。亦可讓學生自己制作，人手一套，既能培養學生的環保和可持續發展意識，又能激發他們的創新意識，提高實驗動手能力。

(2)實驗操作簡單，試劑用量少，而且取量準確方便。如為了說明銅與濃硝酸反應后溶液呈綠色的問題，可將注射器3抽出的部分綠色溶液加入具支試管(支管口預先綁一氣球)后，立即塞緊膠塞，并在酒精燈上加熱，試管內出現紅棕色氣體，溶液由綠變藍，說明綠色是由于紅棕色的NO2溶于藍色Cu(NO3)2溶液的緣故。此實驗的取樣操作同樣非常方便容易(處理此驗證實驗的尾氣時，可用注射器吸取濃NaOH溶液后，再注入具支試管來吸收，防止空氣污染)。

(3)可隨意控制反應進程，達到隨用隨停的目的。

(4)環保、安全。整個實驗過程中，確保了反應在封閉系統中進行，實現了污染物的零排放，切實有效地解決了尾氣的污染和對師生身體的危害，安全環保。

(5)實驗時，銅與稀、濃硝酸的反應現象對比明顯。NO氣體的驗證操作簡便，現象明顯，完全克服了一般裝置中空氣對本實驗現象的直接影響，能很好地揭示這兩個反應的本質與不同。

(6)在銅與濃硝酸反應的實驗中，通過注射器2注入濃硝酸，注射器3吸出反應液，不僅可隨時控制反應進程，又可保證銅一直與濃硝酸反應，避免了反應過程中因硝酸濃度變低而生成NO的問題。