基于傳感器探究實驗室制備NO的條件

2021-08-19 10:45:44戈益超朱成東劉帥東

化學教學 2021年7期

戈益超朱成東劉帥東

摘要：?針對人教版（2019）必修（第二冊）教材中關于銅與稀硝酸反應實驗的不足進行了實驗的改進探究。借助雙排管、溫度傳感器和壓強傳感器等儀器，采用半值法探究制備NO的硝酸濃度;結合恒溫水箱探究該反應的合適溫度。實驗結果發現，制備NO的硝酸濃度一般不超過4.4mol·L-1，反應溫度宜控制在20℃或以下，反應時間一般在10～20分鐘內。

關鍵詞：?制備NO;?硝酸;?半值法;?數字傳感器;?實驗探究

文章編號：?10056629（2021）07005704

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

1?問題提出

人教版（2019）必修（第二冊）教材中關于銅與濃、稀硝酸反應時由于未給出稀硝酸濃度的具體限定，往往存在硝酸濃度過低，反應速率過慢，不利于演示實驗;若為了加快反應速率，選擇濃度較大的硝酸或加熱，又往往因為濃度過大或溫度過高生成還原產物NO2，以致造成實驗失敗等現象。如何在較短時間內制得NO，且不會出現NO2干擾實驗呢？針對上述困惑，經過查閱大量文獻，發現雖然大多數化學工作者對NO的制備進行了有效探究，但通常是圍繞如何改進實驗裝置，使該反應連續化或者一體化[1～3]，或者改進實驗是為了達到較環保或綠色化等[4～6]。很少有文獻涉及硝酸濃度的定量討論，以及如何避免反應過程中出現NO2的干擾。針對上述問題，本課題組設計了探究實驗：?選用半值法，結合雙排管、溫度傳感器、壓強傳感器等儀器來探究制備NO的最佳實驗條件。

2?實驗研究

2.1?實驗用品

儀器和材料：?三頸瓶、威尼爾壓強傳感器、威尼爾溫度傳感器、電腦、威尼爾數據采集器、雙排管、鐵架臺、抽氣泵、恒溫水浴鍋

藥品：?硝酸（65%～68%，分析純）、蒸餾水、銅絲、高純度氬氣

2.2?實驗裝置

圖1?雙排管及數字傳感器組合探究制備NO條件的實驗裝置示意圖

實驗裝置見圖1。采用雙排管把三頸瓶抽成真空，并用氬氣作為保護氣形成無氧環境;然后再利用壓強傳感器檢測氣體壓強變化，從而判斷產生氣體的快慢;同時利用溫度傳感器檢測氣體中出現NO2時溶液的溫度，為探究合適的硝酸濃度和適宜的反應溫度提供技術支持。

2.3?實驗步驟和結論

2.3.1?探究硝酸濃度對制備NO的影響

（1）?檢查裝置氣密性。向圖1所示的三頸瓶中加入10mL指定濃度的稀硝酸，按照圖1連接溫度傳感器（將銅絲較松地環繞在溫度傳感器不銹鋼探頭上，后期借助外力分離），在另外兩個瓶口處分別塞上帶有壓強傳感器和雙排管排氣管。

（2）?利用雙排管把三頸瓶抽成真空，然后充入高純度氬保護，重復三次，實現無氧環境。

（3）?連接電腦和傳感器采集器，打開電腦中采集軟件，待到數據穩定后，利用連接在溫度傳感器膠塞上的鐵絲把環繞的銅絲撥入到硝酸中，使之充分反應。

（4）?點擊數據采集器，觀察實驗現象，至出現NO2氣體時停止數據采集，并記錄相關數據。

（5）?選取不同濃度硝酸重復上述實驗，并記錄每組數據。

借助物理學上測定電阻的方法——半值法來選擇不同濃度硝酸進行實驗。參照嚴宣申《普通無機化學》（第二版）中銅與硝酸反應在硝酸濃度為6～8mol·L-1時還原產物以NO為主[7]。故第1組實驗選擇硝酸（65%～68%）濃度的一半約7mol·L-1進行實驗，若很快有NO2產生，則第2組選擇第1組濃度的一半，若較長時間無NO2產生，則第3組選擇第1、?2組濃度之和的一半，依次類推。實驗過程中當觀察到有NO2氣體出現時停止數據采集，再通過容器內壓強變化和時間的比值得出制備NO硝酸的合理濃度。其中當出現NO2氣體的時間相近時，壓強變化和時間的比值越大，說明氣體產生速率越快，越有利于制備NO，此硝酸的濃度即為實驗最佳值。

基于不同濃度硝酸的實驗現象以及實驗數據的可比性，設計并完成了5組實驗，數據匯總見表1。

通過上述實驗數據的分析，若硝酸濃度過大，極易產生NO2，不利于實驗室制備NO;若濃度過低，雖然不易產生NO2，但是產生NO的速率偏慢，也不利于實驗室制備NO。其中4.4mol·L-1硝酸與銅絲反應時，不僅NO2產生較慢，而且此時容器中壓強變化和時間的比值相對較大，說明產生NO速率相對較快，從而有利于實驗室制備NO。綜上各項數據，建議選擇濃度為4.4mol·L-1的HNO3更適合實驗室制備NO。

2.3.2?探究溫度對制備NO的影響

隨著硝酸濃度逐漸減小，理論上產生的氣體應該主要是NO，為什么一段時間后2、?3、?4、?5組依然會出現NO2呢？查閱資料可知，銅和稀硝酸反應屬于放熱反應[8]，再結合硝酸受熱易分解的性質，推測是不是由于反應放熱導致溶液溫度升高從而引起硝酸分解產生NO2呢？為了進一步探究溫度對反應的影響，課題組在探究不同濃度稀硝酸反應時，也采用溫度傳感器對反應溶液溫度變化進行測定，所得數據見表2。

依據硝酸濃度越大、溫度越高越易分解的特征[9]。結合上述實驗，硝酸濃度選擇5.3mol·L-1，又因為上述實驗中出現NO2時的溫度最高為24.7℃，再者室內溫度偶爾也有高于25℃情況，但很少能達到35℃，所以選擇了水浴溫度為30℃、?35℃繼續進行實驗探究。

實驗6?探究HNO3在特定溫度下受熱分解

實驗步驟：?向三頸瓶中加入10.0mL?5.3mol·L-1?HNO3，排盡空氣，塞上塞子密閉，分別放到水溫為30℃、?35℃水浴鍋中，觀察實驗現象。

現象及小結：?在30℃、?35℃水浴鍋中分別加熱了15分鐘，三頸瓶中依然為無色。說明銅絲和硝酸反應中產生NO2的原因不是反應放熱造成硝酸分解所致。

究竟是什么原因造成銅與稀硝酸反應產生NO2呢？結合文獻分析，硝酸還原產物與溫度有一定的關系，其中溫度升高造成硝酸與銅反應速率加快，那么硝酸第一步還原產物NO2沒有被及時還原，從而導致局部區域NO2過飽和釋放出去，造成NO中混有NO2[10]。究竟是不是此原因呢？為了進一步探究本質，繼續進行實驗。

實驗7?探究硝酸與銅反應產生NO2的時間與溫度的關系

由于硝酸濃度越大還原產物出現NO2的可能性越大，溫度越高越易導致硝酸分解。本實驗選擇極端交叉實驗方案，即上述實驗方案中硝酸濃度最低（3.5mol·L-1）和反應溫度最高（35℃）進行實驗，記錄出現NO2的時間并與實驗2進行比較。

實驗步驟：?向三頸瓶中加入10.0mL?3.5mol·L-1?HNO3和銅絲，按照上述實驗方法排盡裝置中的空氣，并放在35℃水浴鍋中進行反應。觀察三頸瓶內出現NO2時對應的時間。

現象及小結：?150s后，三頸瓶中出現紅棕色氣體（NO2）。對比實驗2和實驗7出現NO2的時間，可以得出在硝酸和銅絲反應中，溫度升高是引起產生NO2的一個重要原因，且溫度越高，產生NO2越快。

2.3.3?探究制備NO的最佳條件

根據上述實驗現象及結論，如何選擇合適的反應溫度呢？結合上述實驗3和實驗4中出現紅色的時間和溫度變化，再考慮到反應速率不宜太慢，所以選擇4.4mol·L-1硝酸和銅絲控制溫度為20℃時進行恒溫反應。

實驗步驟：?向三頸瓶中加入10.0mL?4.4mol·L-1?HNO3和銅絲，按照上述實驗方法排盡裝置中的空氣，并放在20℃水浴鍋中進行反應。觀察三頸瓶內出現NO2時對應的時間。

現象及小結：?在500s之后氣體產生速率明顯加快，且1200s依然保持為無色。故反應溫度控制在20℃或以下較合適，且反應時間控制在10～20分鐘有利于制備NO。

3?現象解釋、結論和建議

3.1?實驗現象解釋

關于實驗過程難以避免出現NO2的原因，查閱文獻[11]可知，一般認為硝酸首先被還原為NO2，但是由于硝酸濃度較稀，從而導致反應速率較慢，NO2來不及逸出就進一步被還原為NO，所以稀硝酸還原產物以NO為主。但是由于反應放熱，造成反應速率加快，從而短時間內產生較多的NO2，而NO2對硝酸被還原有催化作用，故隨著時間推移，還原產物中大量出現NO2，導致實驗失敗。機理如下：

3.2?探究結論

實驗室制備NO的硝酸濃度一般不超過4.4mol·L-1，溫度控制在20℃或以下，且實驗時間控制在10～20分鐘內。

3.3?對本實驗的建議

結合上述原理及相關數據，本課題組給出制備NO的建議如下：

（1）?在選取銅絲的粗細和長度確定的情況下，反應物的濃度和反應的溫度是影響硝酸還原產物種類的重要因素。

（2）?建議實驗室制備NO所用硝酸濃度不超過4.4mol·L-1，溫度控制在20℃或以下且反應時間控制在10～20分鐘內。

本實驗采用雙排管有效地解決了構建無氧環境的難題，激發了學生的學習興趣;通過探究濃度、溫度對反應產物的影響，可促進學生深刻理解半值法和控制單一變量在化學學習中的應用，落實“科學探究與創新意識”的培養。實驗探究還說明通過改變反應條件可以有效控制反應向有利于人們所希望的方向發展，體現了化學變化觀念。

參考文獻：

[1]葉永謙，?張賢金，?吳新建.?銅與濃、?稀硝酸連續反應演示實驗的再改進[J].?化學教學，?2016，?（7）：?60～61.

[2]伍強，?方瑞光.?銅與硝酸反應實驗的一體化設計[J].?化學教學，?2016，?（6）：?60～63.

[3]夏順生.?銅與硝酸反應的一體化實驗創新設計[J].?實驗教學與儀器，?2016，?（2）：?39.

[4]王玉芬.?在注射器中進行銅和硝酸反應實驗[J].?化學教學，?2013，?（7）：?41～42.