基于證據推理意識的銅與稀硝酸反應實驗的新設計

姚亮發(fā) 鄭柳萍 張賢金 戴圣蓉

摘要：對蘇教版高中化學必修第二冊（2019年版）、人教版高中化學必修第二冊（2020年版）教材“銅與稀硝酸反應”的實驗裝置進行了評析，基于證據推理意識對教材實驗從裝置設計到尾氣處理等方面進行了新的設計，可以排除教材原實驗裝置內空氣中氧氣對實驗的干擾和有效防止空氣污染，且有助于在實驗中培養(yǎng)學生的證據推理意識。

關鍵詞：稀硝酸性質；二氧化氮；一氧化氮；實驗改進

銅與稀硝酸反應生成NO氣體是高中化學必修教材一個重要的實驗，通過該實驗可以使學生在科學探究過程中形成證據推理意識，預防空氣污染，樹立“綠色化學”理念。但因NO氣體遇到空氣中的O₂立即生成NO₂氣體，從而缺少證據證明銅與稀硝酸反應生成了NO氣體，且教材實驗反應后試管中殘存的NO氣體缺少無害化處理。筆者從證據推理和可視化的角度對教材實驗進行改進，排除了空氣中O₂對實驗的干擾，反應后沒有NO氣體殘存，克服原教材實驗設計上的不足。設計的實驗具有現象可視化、反應可控化、過程環(huán)保化等優(yōu)點，同時解決了氣體逸散的問題，培養(yǎng)學生在科學探究過程中形成“證據推理”和“綠色化學”等學科核心素養(yǎng)。

1??教材及文獻中的實驗方案分析

1.1蘇教版教材中的實驗

蘇教版高中化學必修第二冊（2019年版）專題七《氮與社會可持性發(fā)展》第二單元《重要的含氮化工原料》“銅與硝酸反應”的實驗設計如圖1。通過分液漏斗先加入2mL濃硝酸，收集氣體，觀察現象。再用分液漏斗加入5mL水，稀釋濃硝酸，收集氣體，觀察現象^[1]。

利用該實驗裝置進行實驗存在以下不足：

（1）因銅與濃硝酸反應生成的NO₂氣體殘存在試管中，使得銅與稀硝酸反應生成的NO氣體要先排盡NO₂氣體。

（2）用排水法收集NO氣體，因NO₂氣體能與水反應生成NO氣體，干擾了實驗結果，實驗結論缺少有力證據。

（3）試管內的銅片因無法和硝酸脫離，在更換集氣瓶或在分液漏斗中加水等實驗過程中無法讓反應隨時停止，反應生成多余的NO₂、NO氣體逸散到空氣中，對教室造成污染。

（4）無法有效驗證NO與氧氣反應生成NO₂，如果要驗證，需要取下玻璃片，讓空氣進入集氣瓶，這樣會造成NO、NO₂逸散到空氣中，對教室造成污染。

（5）實驗完成后試管內殘存的NO氣體無法進行綠色化處理，污染空氣。

1.2人教版教材中的實驗

人教版高中化學必修第二冊（2020年版）第五章《化工生產中的重要非金屬元素》第二節(jié)《氮及其化合物》“銅與稀硝酸反應”^[2]的實驗設計如圖2。

利用該實驗裝置進行實驗存在以下不足：

（1）實驗開始前試管內留有空氣，使得反應生成的NO氣體立即與試管中殘存的氧氣反應生成NO₂氣體，干擾了實驗結果。

（2）無法有效驗證NO與氧氣反應生成NO₂，如果要驗證，需要取下橡皮塞，讓空氣進入試管，這樣會造成NO、NO₂逸散到空氣中，對教室造成污染。

（3）實驗完成后試管內殘存的NO氣體無法進行綠色化處理，污染空氣。

（4）尾氣處理不完全，生成的一部分NO氣體沒有被氫氧化鈉溶液吸收，逸散到空氣中，污染教室環(huán)境。

1.3現有改進方案的不足

通過文獻分析，發(fā)現該實驗已有同仁進行改進，如李德前等老師的“銅與稀硝酸反應”一體化實驗設計^[3]、魏海等老師的“雙注射器組合裝置”的制作與應用——以銅與硝酸反應的系列實驗為例^[4]，康瀟泓老師的“銅和稀硝酸反應實驗的改進”^[5]，王瑾等老師的“濃、稀硝酸與銅反應的綠色化一體化實驗改進研究”^[6]，鐘軍輝老師的“注射器的妙用——蘇教版銅與硝酸反應實驗裝置的改進”^[7]等。這些實驗改進，雖各有所長，但還是存在實驗裝置復雜、不易操作等問題。

2 實驗設計新思路

從證據推理和可視化的角度對該實驗進行優(yōu)化設計，排除空氣中氧氣對實驗的干擾，使實驗生成NO氣體以及NO氣體轉化成NO₂氣體分步進行，為銅與稀硝酸反應生成NO提供有力證據。讓學生直觀化地觀察到銅與稀硝酸反應生成無色的NO氣體，無色的NO氣體與空氣中的氧氣反應生成紅棕色的NO₂氣體，同時對生成的尾氣進行綠色化處理，培養(yǎng)學生的“證據推理”和“綠色化學”等學科核心素養(yǎng)。

3 實驗器材、藥品和實驗裝置圖

廣口瓶（60mL），醫(yī)用注射器（50mL）2支，小試管（15mm×l50mm），粗銅絲（1.5mm?），軟膠塞，稀硝酸，燒杯（50mL），5%的氫氧化鈉溶液，止水夾（見圖3）。

4 實驗裝置的組裝與連接

（1）檢查裝置氣密性，在廣口瓶（60mL）中加入30mL濃度為4mol/L的稀硝酸。

（2）取一支底部有小孔的小試管（15mm×l50mm），將試管穿過軟膠塞B。再將一支醫(yī)用注射器（50mL）B穿過軟膠塞B，將注射器B活塞拉到30mL刻度處，將帶有試管和注射器的軟膠塞B塞緊廣口瓶。

（3）將粗銅絲穿過帶有導管的單孔軟膠塞A，粗銅絲下端繞兩圈螺旋狀，將軟膠塞A塞緊試管，推動粗銅絲下端至稀硝酸液面上方，注意粗銅絲下端不要與稀硝酸接觸。

（4）用止水夾夾緊乳膠管，取下注射器A的針頭，排盡注射器A里面的空氣，將注射器A與乳膠管連接。

5 實驗操作及現象

（1）打開止水夾，緩慢拉注射器A活塞，可觀察到試管內稀硝酸液面逐漸上升，注射器B活塞緩慢向內移動，當液面接近軟膠塞A時，停止拉注射器A活塞，迅速用止水夾夾緊乳膠管。將注射器A從乳膠管抽出，推動注射器A活塞，將注射器A里面的空氣排盡，再將注射器A與乳膠管連接。

（2）觀察到粗銅絲表面產生無色氣泡，試管內稀硝酸液面在壓強的作用下逐漸下降，溶液由無色逐漸變成藍色，注射器B活塞緩慢向外移動，當試管內稀硝酸液面低于粗銅絲時，反應自動停止，可直觀地觀察到試管內生成一段無色氣體，該氣體為銅與稀硝酸反應生成的NO（見圖4）。

（3）提拉粗銅絲，使粗銅絲下端靠近軟膠塞A，打開止水夾，緩慢拉注射器A活塞，可直觀地觀察到試管內的無色NO氣體被吸入注射器A內，試管內稀硝酸液面逐漸上升，注射器B活塞緩慢向內移動，當液面接近軟膠塞A時，停止拉注射器A活塞，用止水夾夾緊乳膠管。實驗完成后，試管中幾乎沒有NO氣體殘余，消除了污染源。而教材實驗完成后試管中還有NO氣體殘余，無法進行綠色化處理，會污染空氣。

（4）將注射器A從乳膠管中抽出，套上注射器針頭（含針頭塑料套），繼續(xù)緩慢拉注射器A活塞，可直觀地觀察到隨著空氣被吸入注射器A內，注射器A內的無色氣體迅速變成紅棕色，說明無色NO氣體與O₂反應生成紅棕色NO₂氣體，此現象為證明銅與稀硝酸反應生成NO氣體提供有力證據。

（5）取下注射器A的針頭塑料套，吸取3mL5%的氫氧化鈉溶液，輕微振蕩注射器A，可直觀地觀察到注射器A內的紅棕氣體逐漸變成無色，說明NO₂氣體被氫氧化鈉溶液吸收，消除了空氣污染。

（6）實驗開始先拉注射器A活塞，其目的是除去反應前試管內的空氣，防止NO氣體與試管中殘存的O₂反應生成NO₂氣體，排除了O₂對實驗的干擾。

（7）注射器B用于調節(jié)廣口瓶內氣體的壓強。

（8）如果想再一次進行實驗，只需排出注射器A中的氫氧化鈉溶液（再經抽、推清水洗兩次），取下注射器A的針頭，將注射器A與乳膠管連接，用止水夾夾緊乳膠管，推動粗銅絲，使銅絲與稀硝酸接觸，銅絲表面又有無色氣泡產生，實驗可重復進行。試管內稀硝酸液面在壓強的作用下逐漸下降，當稀硝酸液面低于粗銅絲時，反應又自動停止。

6 實驗設計的亮點

（1）該創(chuàng)新裝置設計合理，操作簡單，只要控制止水夾和注射器，就能操作整個實驗。

（2）該創(chuàng)新裝置可重復操作，隨時控制反應的發(fā)生與停止，既可教師演示，也可學生分組實驗，有助于學生養(yǎng)成良好的創(chuàng)新意識。

（3）該創(chuàng)新裝置排除了空氣中氧氣對實驗的干擾，實驗現象明顯，能更直觀地觀察到銅和稀硝酸反應生成NO氣體，以及NO氣體與O₂反應生成NO₂氣體，有助于學生養(yǎng)成良好的證據推理意識。

（4）用該新裝置完成實驗后，試管內幾乎沒有NO氣體殘余，且實驗過程和尾氣處理均在密閉體系下進行，能有效防止教室空氣污染。

參考文獻

[1] 王祖浩.高中化學教科書（必修）第二冊[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2019：3，41～42.

[2] 王晶，畢華林.高中化學教科書（必修）第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019：4，15～15.

[3] 李德前，魏海，張羿.“銅與稀硝酸反應”一體化實驗設計[J].化學教學，2020（9）：70～72.

[4]?魏海，李德前.“雙注射器組合裝置”的制作與應用——以銅與硝酸反應的系列實驗為例[J].化學教學，2020（11）：69-71.

[5] 康瀟泓.銅和稀硝酸反應實驗的改進[J].集寧師專學報，2007，（4）：69～71.

[6] 王瑾，王海紅，梁素艷.濃、稀硝酸與銅反應的綠色化、一體化實驗改進研究[J].教育與裝備研，2020，（4）：58～60.

[7] 鐘軍輝.注射器的妙用——蘇教版銅與硝酸反應實驗裝置的改進若干實驗改進為例[J].教學月刊.中學版，2013，（1）：68～70.