濃硝酸與碳反應實驗的新設計

曹愛娟

摘要：為了彌補教材實驗的不足，利用三頸瓶、干燥管、一次性注射器等儀器或用品，設計了濃硝酸與碳反應的實驗裝置及實驗方法，反應產牛的氣體可以被驗證且全部被吸收，既避免了氣體產物對教學環境的污染，又能提高實驗教學效果。

關鍵詞：濃硝酸與碳反應；實驗設計；化學實驗探究

文章編號：1005 - 6629（2015）5 - 0072 - 03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

現行高中化學教材[1]“硝酸”一節在介紹硝酸的氧化性時，針對濃、稀硝酸與金屬銅反應設計了課堂演示實驗，效果很好，通過實驗增強了學生的感性認識，以及對該知識點的理解和記憶，深受學生的歡迎。但在介紹硝酸與非金屬反應，特別是濃硝酸與碳的反應時，教材中只給出了相應的化學反應方程式[2]，沒有相應的實驗方法加以驗證，因而缺乏說服力，不利于培養學生的觀察能力和激發學生的學習興趣，無助于學生對該知識點的掌握。因此，筆者認為在教學中應該增加濃硝酸與碳反應課堂演示實驗。然而，做好該實驗的關鍵不外乎有以下三點：其一，必須是熾熱的碳與熱的濃硝酸反應；其二，驗證反應有二氧化碳氣體生成（二氧化氮的特征顏色是紅棕色氣體，通過觀察便知）；其三，設法消除濃硝酸加熱揮發出的酸蒸氣和反應所產生的二氧化氮有毒氣體對教學環境的污染。近些年來，盡管一些教師對濃硝酸與碳的反應實驗進行了重新設計與改進，但有的比較麻煩，需要將濃硝酸內的水分吸收掉[3]；有的沒有考慮到加熱濃硝酸時揮發出的硝酸蒸氣和瞬間產生二氧化氮有毒氣體對教學環境的污染[4]；還有的儀器復雜難于制作和組裝[5]。為此，我們對該反應實驗進行了研究和設計，解決了實驗現象不佳和環境污染等諸多問題，從而提高了教學效果。現將實驗方法介紹如下。

1 實驗儀器和用品

三頸瓶（250mL）1只；一次性注射器（20mL）2只；注射器針頭（獸醫用）1根；單球干燥管1支；1、2號橡膠塞各1個；2、3號單孔橡膠塞各1個；鋼針1根；玻璃棒（15cm，略細，可插入玻璃管）1根；玻璃管（1Ocm，略粗）l根；酒精燈、酒精噴燈各1盞；鐵架臺、鐵夾各1個；橡膠管（5cm）1段；小燒杯（50mL）2只；鋼絲鉗1把；火柴1盒

濃硝酸（69%）；木炭（烤羊肉串專用木炭）；堿石灰（顆粒狀）；新制備的澄清石灰水；蒸餾水；10%氫氧化鈉溶液；凡士林

2 儀器的加工與組裝

2.1 玻璃棒的加工

取1根鋼針，用鉗子剪斷；用酒精噴燈將玻璃棒的一端加熱，使其變軟，然后將帶尖的一段鋼針（長2cm）尖端朝外鑲嵌在玻璃棒內（如圖1所示）。

2.2 橡膠塞的組裝

取3號單孔橡膠塞，在孔內裝入lOcm長的玻璃管后，在橡膠塞大頭端的玻璃管上裝上5cm長的一段乳膠管；在嵌有鋼針的玻璃棒上涂上凡士林，然后從橡膠塞小頭端的玻璃管內穿人（如圖2所示）。

2.3 組裝干燥管

取1個干燥管，在其細管上安裝一個2號單孔橡膠塞，在干燥管內加入用蒸餾水潤濕的堿石灰顆粒（如圖3所示）。

3 實驗裝置

4 實驗方法及其現象

將裝置固定在鐵架臺上。

4.1 注入濃硝酸

取下帶有玻璃棒的橡膠塞，向三頸瓶內加入1.5～2mL的濃硝酸。

4.2 加熱木炭

取1塊木炭（要求直徑比玻璃管內徑大），扎在玻璃棒的鋼針上后，用酒精燈的外焰加熱木炭（如圖5所示），當木炭被點燃后，迅速將帶有玻璃棒的橡膠塞緊緊塞在三頸瓶的中間瓶口上（如圖4所示）。此時，要求木炭距濃硝酸液面2cm左右。

4.3 加熱濃硝酸

用酒精燈的外焰加熱三頸瓶內的濃硝酸2～3s，當觀察到三頸瓶內有白色的硝酸蒸氣時，撤離酒精燈。

4.4 上提玻璃棒

迅速上提玻璃棒，使熾熱的木炭掉人熱的濃硝酸中（此時，鋼針縮進到玻璃管內，如圖6所示），可觀察到木炭在濃硝酸中劇烈燃燒「C+4HN03（濃）=C02↑+4N02↑+2H20」，生成紅棕色氣體，說明有二氧化氮氣體生成。

4.5 二氧化碳的檢驗

取1支一次性注射器（20mL），吸人2mL的蒸餾水，然后將注射器的針頭插入到左側橡膠塞內（如圖7所示）。拉動注射器的活塞吸取三頸瓶內的氣體18mL，取下注射器，在注射器的針頭上扎上一個l號橡膠塞后，振蕩注射器，使注射器管內的二氧化氮氣體全部被水吸收掉（ 3N02+H2O=2HN03+NO）。取下針頭上的橡膠塞，將注射器管內的液體全部排入到一只空的小燒杯內。接著再將注射器管內的氣體全部排入到盛有20mL澄清石灰水的小燒杯中（如圖8所示），可觀察到澄清的石灰水變渾「C02+Ca（OH）2=CaC03↓+H20」，由此說明碳與濃硝酸反應除生成二氧化氮氣體以外，還生成了二氧化碳氣體。

5 有害物質的處理

待三頸瓶冷卻后，用一次性注射器吸取20mL的氫氧化鈉溶液，通過左側橡膠塞注入到三頸瓶內，反復振蕩，使瓶內的有害氣體和剩余的濃硝酸全部被吸收掉。

6 幾點說明

6.1 反應器使用三頸瓶的原因 使用容積較大的三頸瓶作為反應器，可以保證容器內有充足的空氣，使炭塊在反應前始終處于燃燒或熾熱狀態；利用三頸瓶的一個瓶頸加入反應物（熾熱的炭），一個瓶頸消除污染，調節壓強，一個瓶頸吸取反應后的氣體用作檢驗；實驗現象可見度大，便于學生觀察。

6.2 實驗成功關鍵

通過反復實驗發現，濃硝酸與炭容易發生反應的關鍵是熱的濃硝酸（出現硝酸蒸氣）和熾熱或燃燒的炭，倘若二者中有一個溫度不夠，則會造成實驗失敗。所以，為了保障炭塊在反應前始終處于燃燒或熾熱狀態，濃硝酸用量不能太大，一般1.5～2mL最為合適，在3～5s內，濃硝酸完全可以達到實驗所需的溫度。

6.3 鋼針不會干擾實驗

由于玻璃棒上鑲嵌的鋼針很短，在實驗過程中，先是被炭塊包裹，隨后是縮進到玻璃管內，不會被腐蝕，也不會對整個實驗造成干擾。

6.4 蒸餾水的作用

由于二氧化氮和二氧化碳在水中的溶解度不同，所以用蒸餾水吸收掉了二氧化氮氣體（其與水反應生成的無色一氧化氮氣體對二氧化碳的檢驗無干擾），而保留了大部分的二氧化碳氣體（二氧化氮在水中的溶解度遠大于二氧化碳在水中的溶解度）。

參考文獻：

[1][2]課程教材研究所化學課程教材研究開發中心.全日制普通高級中學教科書·化學（必修加選修）（第二冊）[M].北京：人民教育出版社，2003：16，17

[3]楊玉麟.碳與濃硝酸反應的補充實驗[J].化學教育，2001，22（11）：8

[4]賈紹明.碳與濃硝酸反應的實驗創新設計[J].新課程研究（基礎教育），2008，（5）：38

[5]齊俊林.碳在濃硝酸里燃燒實驗的新辦法[J].實驗教學與儀器，1994，（6）：35