硝酸受熱分解實驗的簡易化改進

房壽高

摘要：對文獻中硝酸蒸氣受熱分解實驗進行了比對并且分析了其各自的不足，受此啟發(fā)，對濃硝酸受熱分解實驗作了簡易化改進探究。結果只需1滴濃硝酸就能得到理想的實驗效果，操作簡單，現(xiàn)象明顯，顯著節(jié)約實驗藥品用量和減少對環(huán)境的污染。

關鍵詞：硝酸受熱分解；簡易化改進；實驗研究

文章編號：1005–6629（2015）3–0051–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

人教版《必修1》和蘇教版《必修1》都介紹了濃硝酸的熱不穩(wěn)定性，即“濃硝酸受熱產(chǎn)生紅棕色的二氧化氮氣體”，但兩本教材都沒有提供相關實驗。正如劉懷樂老師所說，濃硝酸的熱分解沒有相關實驗支撐，教師難免在課堂上出現(xiàn)窘態(tài)。濃硝酸受熱分解實驗能否用簡易的操作進行演示？筆者進行了相關研究。

1 濃硝酸受熱分解的已有研究

關于濃硝酸能否分解，劉懷樂老師做了這樣一個實驗：試管里注入幾毫升濃硝酸，加熱煮沸，觀察不到有紅棕色氣體產(chǎn)生[1]。趙中華、伍舉培也做了實驗[2]：在試管中加入1mL濃硝酸，在酒精燈上直接加熱（管口被蘸有濃氫氧化鈉溶液的棉花團輕輕堵?。?，最后發(fā)現(xiàn)試管中沒有明顯變化。鑒于兩位老師都沒有提供詳細的實驗細節(jié)，于是筆者做了相關實驗，實驗過程為：在一支潔凈而干燥的試管中加入1mL新開瓶的濃硝酸，加熱25秒鐘左右濃硝酸開始沸騰（室溫為24℃），發(fā)現(xiàn)如果在酒精燈火焰上繼續(xù)加熱容易爆沸沖出。筆者嘗試了在三層鐵絲網(wǎng)上加熱，發(fā)現(xiàn)濃硝酸還是容易爆沸沖出。經(jīng)過多次嘗試，筆者發(fā)現(xiàn)加入一小塊黃豆般大小的碎瓷片后可以持續(xù)加熱，而濃硝酸不會爆沸沖出，如果用水銀溫度計測量其溫度，發(fā)現(xiàn)溫度能持續(xù)維持在122℃左右，沒有看到紅棕色氣體產(chǎn)生。繼續(xù)加熱，大概3分鐘左右，濃硝酸基本能全部蒸發(fā)掉，整個過程始終沒有紅棕色氣體產(chǎn)生。為什么沒有紅棕色氣體產(chǎn)生？因為實驗中所用的濃硝酸溶質的質量分數(shù)為65%～68%，很接近硝酸恒沸液（69.2%），加熱煮沸時僅僅把它變成了硝酸蒸氣，遠沒有達到硝酸熱分解的溫度，所以觀察不到硝酸分解[3]。

是否濃硝酸的濃度不夠高呢？筆者向試管（內(nèi)徑1.6cm，長度15cm）中加入了2藥匙（該藥匙正好能伸入試管中）左右的硫酸鈉固體，然后加入了2滴管的濃硝酸，塞好橡皮塞充分振蕩，靜置。用傾析法取上層清液，加入幾小片碎瓷片，加熱，觀察現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)只要試管底部還有濃硝酸時就沒有紅棕色氣體產(chǎn)生，但在濃硝酸接近恰好被蒸干的時候試管中上部出現(xiàn)了紅棕色氣體。筆者猜想，可能是硝酸蒸氣受熱分解產(chǎn)生了紅棕色的二氧化氮氣體。

2 硝酸蒸氣受熱分解的已有實驗與不足

在液態(tài)濃硝酸能否分解的實驗過程中，筆者有一次在濃硝酸接近被蒸干時，為了防止管壁的冷凝硝酸流到試管底部使試管炸裂，用燈焰對試管中部進行了加熱，奇怪的現(xiàn)象發(fā)生了：試管中上部出現(xiàn)了少量紅棕色氣體。后來經(jīng)過查閱資料，發(fā)現(xiàn)對硝酸蒸氣受熱分解已經(jīng)有了一些實驗研究。例如，劉懷樂老師就采用了如圖1的實驗方法使硝酸蒸氣受熱分解。筆者也做了類似實驗。先制取少量玻璃粉：在研缽里放入一些碎玻璃，然后用罩有硬紙板的研杵將玻璃研碎（罩硬紙板目的是防止碎玻璃屑飛濺）。把研磨好的玻璃粉加少許于試管底部，然后給試管底部加熱。向灼熱的玻璃粉上滴加濃硝酸，發(fā)現(xiàn)一滴加濃硝酸，試管底部炸裂了。筆者再嘗試石英砂：在試管底部加入兩小藥匙石英砂，然后在酒精燈外焰上加熱兩分鐘左右，滴入1～2滴濃硝酸，發(fā)現(xiàn)很快見到紅棕色氣體產(chǎn)生。如果試管里的石英砂較少，常常會出現(xiàn)試管炸裂現(xiàn)象。

筆者在某日（29℃）的上午做了五氧化二磷的實驗，在潔凈而干燥的試管底部鋪一層五氧化二磷，然后滴幾滴新開瓶的濃硝酸，很快出現(xiàn)紅棕色氣體，且試管壁發(fā)燙。測量溫度，發(fā)現(xiàn)溫度很快上升到90℃左右。由于五氧化二磷有很強的吸水性，直接“奪走”硝酸中的“水”，使硝酸變成二氧化氮氣體。

齊俊林、趙立國兩位老師采用圖2的裝置利用電爐絲進行加熱使硝酸蒸氣分解[4]。該改進實驗的不足之處在于：裝置較復雜，不適合學生分組實驗或個別實驗。筆者以為：為什么不用酒精燈給試管中部加熱，而用電爐絲加熱？使用酒精燈應該比使用電爐絲更方便快捷！

經(jīng)過查閱資料得知，齊俊林、趙立國兩位老師曾于1996年用圖3的裝置演示過硝酸蒸氣受熱分解的實驗[5]。其實驗過程為：將儀器及藥品按裝置圖裝好后，用酒精燈加熱距硝酸液面1.5～2.0厘米處，片刻，濃硝酸液面上方就出現(xiàn)紅棕色的二氧化氮氣體。接著將余燼的松木條插入干燥管內(nèi)，可觀察到帶有余燼的木條立即復燃。

筆者重做了此實驗，結果發(fā)現(xiàn)：如果不停地給濃硝酸加熱，則中部的紅棕色氣體很少，球形干燥管里紅棕色氣體很多，帶余燼的松木條很快熄滅。所以，每次實驗，最好先給濃硝酸加熱至微沸，然后撤走此處的酒精燈，再用酒精燈對準中部位置加熱，片刻，可以看到有紅棕色的氣體產(chǎn)生，但并沒有出現(xiàn)“帶余燼的松木條復燃”現(xiàn)象。

俞建鋒老師對濃硝酸受熱分解實驗進一步作了改進[6]，見圖4。正如俞老師所說，長導管的作用有兩個，其一，減少硝酸的揮發(fā)，增大試管內(nèi)硝酸蒸氣的濃度，縮短加熱硝酸分解所需要的時間；其二，冷凝回流硝酸蒸氣。

但通過對比圖2、圖3和圖4，可以看出3個改進實驗基本差不多，都是通過加熱濃硝酸產(chǎn)生硝酸蒸氣，然后再對硝酸蒸氣加熱使其分解。稍有不同之處在于加熱或增大硝酸蒸氣濃度的方式。另外這些改進實驗雖都能明顯地看到紅棕色氣體的產(chǎn)生，不足之處在于不僅需要消耗一定量的濃硝酸，而且產(chǎn)生的污染性氣體也較多。

由圖2、圖3和圖4知，這3個實驗都是利用濃硝酸產(chǎn)生硝酸蒸氣，再對硝酸蒸氣進行加熱促使其分解。筆者設想，如果濃硝酸的量很少，這樣一受熱很容易產(chǎn)生硝酸蒸氣，然后再對產(chǎn)生的硝酸蒸氣進行加熱，也應該會得到二氧化氮氣體。于是筆者進行了下面的實驗探究。

3 氣態(tài)濃硝酸受熱分解實驗的最簡易化操作

在一支干燥的試管中加入1滴濃硝酸，最好能滴在試管底部，不要滴在試管壁上（下面蒸發(fā)時能輕易判斷是否完全蒸發(fā)），試管口塞一團棉花，然后加熱。當試管底部的一滴硝酸全部蒸發(fā)后（大概需15秒左右），此時將燈焰加熱試管中上部，15秒之后在白紙的映襯下可以看到有紅棕色氣體產(chǎn)生，繼續(xù)加熱紅棕色更加明顯。

優(yōu)點：不僅所需儀器簡單，現(xiàn)象明顯，而且節(jié)約藥品，只需1滴濃硝酸；由于用量少，產(chǎn)生的污染也少，對環(huán)境的污染微乎其微；實驗過程所需時間短，在課堂上適合每個學生動手操作。

4 實驗改進的幾點感想

“1滴濃硝酸能演示濃硝酸的受熱分解實驗嗎？”很多教師可能持否定態(tài)度。首先，要肯或敢于動手做實驗。其實這個實驗很簡單，只要動手做一做就能知道結果，但很少有教師去親身實踐。俗話說，百聞不如一見，一見不如實踐。

其次，實驗改進時也要關注實驗的物質體系。宋心琦教授認為實驗體系有三個要素[5]：作為實驗對象的物質體系；適當?shù)膬x器裝置和必要的安全措施；合理的實驗步驟和規(guī)范的操作技術。這三個要素的重要性是不等同的，是遞減的。宋教授還認為，在現(xiàn)在的化學實驗教學中人們過多地把注意力放在了第二、三兩個方面，化學體系的選擇反而被忽視了。所以，從反應的物質體系入手進行改進實驗，也應該成為實驗改進的一個重要思路。

最后，還要懂得一些創(chuàng)新技法。如“SCAMPER”法，其中“S”代表“代替”（substitute）；“C”代表“綜合”（combine）；“A”代表“改良”（adapt）；“M”既可以代表“修改”（modify），又可以表示“放大”（magnify）或“縮小”（minify）；“P”代表“挪作他用”（puttootheruses）；“E”代表“消除”（eliminate）；“R”代表“重新排列”（rearrange）或“逆向”（reverse）。

參考文獻：

[1][3]劉懷樂.“硝酸”教學的幾點參考[J].化學教學，2011，（2）：73.

[2]趙中華，伍舉培.硝酸不穩(wěn)定性的探究實驗[J].化學教學，2009，（10）：20.

[4]齊俊林，趙立國.介紹一種濃硝酸受熱分解演示裝置[J].化學教學，2010，（4）：13.

[5]齊俊林，趙立國.濃硝酸受熱分解實驗的設計[J].化學教學，1996，（2）：10.

[6]俞建鋒.硝酸熱分解演示實驗的簡易做法[J].化學教學，2014，（5）：55～56.