在注射器中進行銅和硝酸反應實驗

王玉芬

摘要：以注射器作為銅和硝酸反應的主要反應容器，對教材上的銅和硝酸反應的實驗裝置作了改進，提出了環保設計方案；分析了實驗中的注意事項，驗證了NO₂的水溶性，實現了在無氧條件下制備NO并驗證了NO的性質；實驗改進后，現象更直觀、明顯，且安全可靠、符合環保理念。

關鍵詞：銅與硝酸反應；實驗裝置改進；注射器；化學實驗教學

文章編號：1005-6629（2013）7-0041-02

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

銅與硝酸反應的演示實驗是高一化學必做的實驗。但是蘇教版必修1第100頁專題四的演示實驗在實際操作中存在幾點不足：一是不能隨時控制反應的進行；二是NO₂的水溶性現象不明顯；三是驗證NO與O₂反應時產生的NO₂會從集氣瓶口逸散至空氣中，造成環境污染；四是稀硝酸與銅反應產生的NO尾氣不易處理，拆卸裝置時易造成有毒氣體泄漏，造成環境污染。“銅和濃、稀硝酸反應實驗的綠色化設計”一文中使用了25mL的移液管，實驗雖然達到了綠色環保的目的，但是試劑使用不夠節約。

通過探究，我們對此實驗進行了改進，以注射器為反應容器，通過巧妙的設計，使銅和硝酸反應的實驗操作變得更簡單，現象同樣明顯，同時也驗證了NO₂的水溶性和NO與氧氣的反應。實驗設計巧妙發揮了注射器在化學實驗中的作用，同時也體現了化學實驗的節約藥品與環保的設計理念。

實驗改進操作介紹如下：

1 儀器及藥品

儀器：試管、單孔塞、30mL注射器、靜脈輸液針管（去掉針頭，保留細管，見圖1照片）、鐵架臺、燒杯、止水夾、一端打結的靜脈輸液針管。

藥品：濃硝酸、銅片、NaOH溶液。

2 裝置圖

3 操作步驟

3.1銅與濃硝酸反應

（1）取一只250mL燒杯，加入約250mL水（如果燒杯中加水少了，不方便NO₂氣體溶于水的實驗操作）；再取一只100mL燒杯，加入適量NaOH溶液。

（2）取一支試管，加入2mL濃硝酸，塞上帶靜脈輸液針管的單孔塞，靜脈輸液針管上口處夾一止水夾。（靜脈輸液針管長度以接近試管底部為宜，保證沒入液面以下以便順利吸出液體）

（3）取一30mL注射器，拔出注射器芯桿，加入1塊銅片（約1cm²大小或1角硬幣大小），使其平放在注射器底部，推進芯桿至底部。

（4）將注射器與靜脈輸液針管豎直緊密連接，打開止水夾，慢慢拉動注射器芯桿，吸入少量濃硝酸（最好不要超過1mL，注射器上有刻度顯示），關閉止水夾，控制芯桿的移動。這時可以看到注射器中銅片和濃硝酸立即反應，產生大量紅棕色氣體，芯桿向上移動，同時生成綠色溶液。當收集15mL左右的氣體時，一手控制芯桿的移動，另一手慢慢松開止水夾，待注射器中液體全部流出注射器針口時關閉止水夾，反應停止。（見圖1，豎直連接的目的是保證液體的順利吸入或排出，防止氣體泄漏，下同。）

（5）待芯桿不再上移時，拔出注射器，立即用一端打結的靜脈輸液針管堵住注射器針口，防止NO₂氣體外泄。

（6）保持芯桿固定，讓學生觀察注射器內氣體顏色。

3.2NO₂的水溶性以及NO與O₂的反應

（1）將收集有NO₂氣體的注射器豎直伸入盛有蒸餾水的燒杯中至液面下1～2cm處。

（2）慢慢拉動芯桿，吸入少量水（此時一定要用手固定好芯桿），可以看到水柱上升至注射器內，溶液體積約是氣體體積的2/3，紅棕色氣體變為無色。（見圖2，若注射器內還有少量紅棕色氣體，可用一端打結的靜脈輸液針管堵住注射器針口，輕輕振蕩幾次至完全無色。）

（3）豎直向下推動芯桿至注射器內液體完全排盡后，倒轉注射器，使針口朝上，拉動芯桿，可以看到無色氣體迅速變成紅棕色。

（4）將生成的紅棕色氣體注入盛有NaOH溶液的燒杯中（吸收NO₂）。

3.3銅與稀硝酸的反應

（1）另取一注射器，按照上述方法加入相同大小的銅片，推進芯桿至底部，吸入少量蒸餾水，然后排盡注射器內空氣，留用3mL蒸餾水。

（2）將注射器與已做完銅與濃硝酸實驗的裝置連接好，打開止水夾，將注射器內蒸餾水注入試管中（這樣可以排出靜脈輸液針管中的空氣，保證銅和稀硝酸反應時無空氣），輕輕振蕩試管，使試管中濃硝酸稀釋均勻，試管中液體變為藍色。

（3）注射器豎直，慢慢向外拉動芯桿，吸入2mL被稀釋的硝酸，關閉止水夾（防止吸入空氣）。這時可以看到注射器中銅片和稀硝酸開始反應，銅片表面有無色氣泡產生，反應較緩和，氣體推動芯桿向上移動。當收集3～5mL左右的氣體時，慢慢松開止水夾，固定芯桿，待氣體將注射器中液體全部壓出注射器針口時關閉止水夾，反應停止（此處也可以用手向下推芯桿，將液體排出注射器）。

（4）將注射器倒轉，拉動芯桿，可看到氣體由無色變為紅棕色（現象非常明顯），將生成的紅棕色氣體注入盛有NaOH溶液的燒杯中（吸收NO₂）。

4 改進后的優點

（1）一次性注射器和靜脈輸液針管獲取容易，實驗裝置簡單，操作方便，更換試劑簡單。

（2）實驗現象非常明顯，便于觀察，成功率高。

（3）反應可控制，節約試劑，可在平行班級進行多次演示。

（4）整個反應在密閉體系中進行，安全可靠，對實驗結束后的有害氣體處理方便，符合環保理念。

5 幾點說明

（1）銅和濃硝酸反應很快，操作者最好將手放在止水夾上隨時控制反應的進程。

（2）實驗室常用的濃硝酸的質量分數為69%，濃度大約為16mol/L，按照這個濃度計算，2mL濃硝酸若完全反應，理論上在標準狀況下能產生358.4mLNO₂氣體，那么1mL濃硝酸就能產生近180mL氣體，所需要的注射器的量程就要很大。所以在實驗過程中，盡量不要吸入過多的濃硝酸，并且應依據所使用的注射器的量程來控制收集的氣體體積。筆者通過實驗探究，認為NO₂氣體收集約15～20mL時反應現象就足夠明顯，水溶性實驗也能成功完成。筆者在實驗探究過程中使用50mL的注射器收集了約50mL NO₂氣體，驗證水溶性時形成了非常明顯的噴泉現象，但是實驗過程中發現操控量程大的注射器不太靈便。通過多次比較，筆者認為30mL的注射器操作靈活，適合多數實驗者。收集NO₂氣體大約為15mL時打開止水夾讓液體回流，同時還會繼續產生氣體，所以需要控制芯桿的移動，最后實際收集到的氣體體積要多于15mL，一般不超過20mL，同時，銅片還會有少量剩余。

（3）收集NO₂氣體時，注射器內產生了綠色溶液，筆者認為這個綠色跟Cu²⁺和NO₂的溶解有關，并采用了兩種方案進行驗證。一是制取了少量NO₂氣體通入到硝酸銅溶液中，液體由藍色變為綠色。二是透過盛有藍色硝酸銅溶液的燒杯觀察溶有NO₂的濃硝酸的試管（液體為黃色），同樣能看到綠色，從而驗證了綠色是部分NO₂氣體溶于濃硝酸，混合了Cu²⁺的顏色而呈現出來的。

（4）濃硝酸的稀釋很重要。筆者試驗的實驗室室內溫度為0～3℃左右，經過多次試驗，得到了濃硝酸和水的比例為1：1.5時最佳。稍濃一點就會產生NO₂氣體，再稀了反應又太慢。這樣的比例不需要加熱，實驗現象又很明顯。濃硝酸加水稀釋后一定要振蕩均勻，否則容易產生紅棕色氣體，導致實驗失敗。