“銅鋁-濃硝酸原電池裝置”的新設計

王雪瑞+劉松偉

摘要：銅鋁-濃硝酸原電池是揭示原電池實質的重要案例，但由于實驗存在污染問題，因此課堂上大多采用只分析原理，不做實驗的“紙上談兵”方式。為解決實驗中NO2的污染問題，對原電池的實驗裝置進行了設計與改進，改進后的實驗現象明顯，操作簡單可控，安全環保。

關鍵詞：原電池；濃硝酸；氣體污染；實驗裝置改進

文章編號：1005–6629（2015）4–0055–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

銅鋁-濃硝酸原電池中反應復雜，正、負極隨反應進行可以發生轉變，作為典型的實驗案例，既關聯了重要物質的化學性質，又揭示了原電池的反應實質，有利于學生深刻理解原電池與氧化還原反應的內在關系。但利用普通敞口實驗裝置（見圖1）進行該實驗[1]時，會產生大量的NO2氣體，造成嚴重的環境污染，不適合課堂演示。

2 實驗裝置改進

鑒于銅鋁-濃硝酸原電池實驗有利于學生通過直觀感受認識原電池的構成和電極反應，具有促進形成深刻理解的教學價值，筆者對上述實驗裝置進行了改進研究，提出了兩種改進方案，使實驗現象明顯、簡單易行，并消除了環境污染。

2.1 實驗裝置改進方案一

2.1.1 實驗用品

球形干燥管一個，橡皮管一段，鋁、銅電極各一個（長9cm，寬0.8cm），導線兩根，50μA靈敏電流計一個，塑料盒一個（長8cm，寬5cm，高7.5cm），帶孔塑料蓋一個（長8cm，寬5cm），100mL燒杯一個，65%濃硝酸，30%氫氧化鈉溶液。

2.1.2 實驗裝置

電極槽的制作：取一長方體塑料盒作為反應槽，按照塑料盒開口的大小制作一個塑料蓋，在塑料蓋的正中心位置和一角處各打一圓形小孔，孔的大小使橡皮管剛好插入又不漏氣為宜。中心圓孔的兩側打出兩個長方形小洞，洞的大小使片狀銅鋁電極剛好插入且可上下移動為宜，長約1cm（見圖2）。

2.1.3 實驗操作方法及現象

分別剪長9cm，寬0.8cm的鋁片和銅片做電極，將電極彎成L形，使一邊長度與盒的高度一致，依圖3（Ⅰ）連接實驗裝置。將塑料蓋一角的圓孔先用膠帶封上，連有干燥管的橡膠管插入中間圓孔中。25℃下[2]，向塑料盒中加入5mL的濃HNO3，燒杯中加入50mL 30%的NaOH溶液，將銅鋁兩電極懸掛在濃硝酸上部，把塑料蓋與塑料盒連接處的縫隙用膠帶封上，做成密閉反應器。

將兩電極連上靈敏電流表，并將兩電極插入濃HNO3中。電流表指針先向右偏轉，約7s后向左偏轉（如果實驗長時間進行，約31min還能看到電流表指針又向右偏轉），塑料盒中產生大量紅棕色氣體，溶液變成綠色。

將兩電極拉起脫離濃HNO3，實驗停止。將一角處圓孔上的膠帶除去，用洗耳球向塑料盒內鼓氣，將盒內產生的NO2氣體趕到燒杯中與NaOH溶液反應，以處理掉尾氣。

2.1.4 實驗改進后的優點

（1）改進后裝置密閉性較好，并具有尾氣吸收功能，避免了反應生成的有毒氣體NO2對環境造成污染。

（2）兩電極可上下抽動，使反應隨時開始或停止。

（3）用倒立的干燥管做尾氣吸收裝置，簡單安全。

2.2 實驗裝置改進方案二

改進后的圖3裝置有效解決了環境污染問題，但實驗裝置還相對比較復雜，且由于NO2密度較大，不易自行向尾氣處理裝置中轉移，需要用洗耳球向盒內多次鼓氣才能將其全部轉入堿液中除去。因此筆者又對裝置做了進一步的改進。

2.2.1 實驗用品

橡皮管一段，鋁、銅電極各一個（長9cm，寬0.8cm），導線兩根，50μA靈敏電流計一個，塑料盒一個（長8cm，寬5cm，高7.5cm），帶孔塑料蓋一個（長8cm，寬5cm），20mL燒杯一個，棉花，塑料滴管，65%濃HNO3，30% NaOH溶液。

2.2.2 實驗裝置

電極槽的制作：塑料盒蓋的制作與圖2裝置大體相同。不同的是右上角不需打孔，只需要在塑料蓋的正中心位置打一個小孔，孔的大小使塑料滴管（塑料滴管的下半部分已剪掉）剛好插入又不漏氣為宜（見圖4）。

2.2.3 實驗操作方法及現象

銅、鋁電極的制作同上述改進方案一，將20mL小燒杯放入塑料盒中部，滴管（塑料滴管的頭部已剪去，并塞入一團棉花）插入塑料蓋的圓孔上，依圖5（Ⅰ）連接實驗裝置。25℃下[3]，向小燒杯中加入5mL 65%濃HNO3，塑料盒中加入50mL 30%的NaOH溶液，滴管上部的棉花上滴入30%的NaOH溶液。將兩電極懸掛在濃硝酸上部，連上電流表，塑料蓋與塑料盒的連接處的縫隙用膠帶封上，做成相對密閉的反應器。

將兩電極插入濃硝酸中，將看到電流表指針先向右偏轉，約15s后再向左偏轉，燒杯中產生大量紅棕色氣體，燒杯內溶液變成綠色。將兩電極拉起脫離濃硝酸，實驗停止，紅色氣體慢慢消失。

2.2.4 實驗改進后的優點

（1）利用一次性塑料滴管和浸有氫氧化鈉溶液的棉花吸收尾氣，使實驗裝置更加簡易。

（2）尾氣處理不需要用洗耳球鼓入空氣而很快自行吸收，減少了有毒氣體的逸出。

3 實驗原理及結果分析

實驗過程中電流表指針先向右偏轉，說明起初由于鋁比銅活潑，鋁片做負極，電極反應式如下：

4 實驗注意事項

（1）由于實驗中產生氣體NO2，為防止氣體從塑料蓋與塑料盒連接的縫隙處逸出，應在放入藥品后，將塑料蓋與塑料盒的連接處用膠帶封上，做成相對密閉的反應器。

（2）實驗裝置改進二中的小燒杯不要太高，要低于塑料盒的高度以便產生的NO2氣體向塑料盒中擴散，利于尾氣吸收處理。

（3）反應器所用的方形塑料盒也可以根據實驗室條件換成其他材質和形狀（保證材質不能與濃、稀硝酸或濃氫氧化鈉反應）的反應容器，只要做出一個相應形狀的盒蓋即可。

參考文獻：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：39～44.

[2][3]王繼璋，李高輝，霍玉堅.探究鐵和鋁在濃硫酸和濃硝酸中的電化學行為[J].化學教育，2011，（7）：52～53.