銅與濃、稀硝酸反應實驗簡易裝置的設計

劉亞莉　吳霞　劉茜　楊麗君

摘要： 對高中化學教材中“銅與濃、稀硝酸反應”的實驗裝置進行評析與改進設計。使用具支試管等儀器將銅與硝酸反應、氮氧化物間的轉化實驗整合在一套密封裝置中分別連續進行；借助pH傳感器實時監測反應過程中二氧化氮溶于水后溶液pH的變化。該實驗裝置具有現象明顯、操作簡單、反應可控、安全環保等特點。

關鍵詞： 銅與硝酸反應； 簡易裝置； 實驗改進

文章編號： 10056629（2023）11006804 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題提出

銅與濃、稀硝酸反應實驗是學生探究硝酸具有氧化性的重要實驗，硝酸的濃度不同，與金屬（銅）反應的產物也不同?，F行人教版教材中用抽動的銅絲和試管設計該實驗，其目的是證明銅與濃硝酸反應生成NO2，銅與稀硝酸反應生成NO。在該實驗的實施過程中發現有以下幾點不足：（1）銅與濃、稀硝酸反應實驗是分開進行的，硝酸用量比較大，不符合節約與環保的理念。（2）開始前試管內存有空氣，使得反應生成的NO氣體與試管中存有的氧氣反應生成NO2，干擾了實驗結果。（3）抽動的銅絲雖然可以控制反應的進程，但仍伴隨著氣體逸出，會污染環境。（4）不易有效驗證NO與O2反應生成NO2，如果要驗證則需要取下橡膠塞，這樣會使NO和NO2氣體逸散到空氣中，造成環境污染。（5）尾氣處理不完全，實驗完成后試管內仍殘存較多的NO2和NO氣體會污染教學環境。

2 相關文獻簡評

為了解銅與濃、稀硝酸反應實驗研究的進展與現狀，查閱大量文獻，發現研究銅與濃、稀硝酸反應實驗的文章較多，主要集中在以下幾個方面：（1）對實驗進行微型化處理，減少藥品的使用與污染物的生成［1］；（2）對實驗進行連續化或者一體化改進［2～5］，即把銅與濃、稀硝酸反應以及對氮氧化物性質的檢驗整合在一起，但又存在操作復雜、材料不易獲得、現象不夠明顯等問題；（3）單獨對銅與稀硝酸反應實驗進行一體化設計，同時用NaOH溶液對尾氣進行處理［6，7］；（4）設計密閉的實驗環境減少污染［8］。以上實驗設計雖各有所長，但也存在裝置較復雜、不易操作等問題，有的只對現象作定性分析，沒有結合實驗數據進行定量分析。

為此我們設計了新的銅與濃、稀硝酸反應實驗的簡易裝置，借助pH傳感器測定銅與濃、稀硝酸反應生

成的二氧化氮溶于水之后溶液pH的變化；通過宏觀現象以及曲線分析表明：銅與濃硝酸反應生成紅棕色氣體（NO2），銅與稀硝酸反應生成無色氣體（NO）；證明硝酸具有氧化性；硝酸濃度不同則生成的產物也不同；其中反應產物涉及氮氧化物之間的轉化：二氧化氮易溶于水生成一氧化氮，一氧化氮與氧氣反應生成二氧化氮。

3 實驗部分

3.1 儀器及試劑

實驗儀器：Vernier數據采集器、計算機（安裝LoggerPro軟件）、pH傳感器、具支試管（15×150mm）1個、具支試管（30×200mm）1個、B型磁力攪拌子1個、條形磁鐵1個、氣球2個、20mL注射器2個、10mL量筒2個、單孔橡膠塞2個、橡膠管若干、V型管1個

實驗藥品：銅絲、市售濃硝酸（65%～68%）、蒸餾水、碳酸氫鈉固體

3.2 銅與稀硝酸反應實驗

教材中關于銅與稀硝酸反應實驗沒有限定稀硝酸具體的濃度，如果硝酸的濃度過低，反應速率很慢，不利于進行演示實驗；為了加快反應速率，讓硝酸濃度過高或者進行加熱，又會導致生成NO2，造成實驗失敗等問題［9］。為能直觀地觀察到銅與稀硝酸反應生成無色的NO氣體，NO氣體又與氧氣反應生成紅棕色的NO2氣體，同時對尾氣進行綠色化處理，對“銅與稀硝酸反應”實驗進行了改進，使一氧化氮的制取、氧化，二氧化氮溶于水、尾氣處理等實驗集于一體。

3.2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

3.2.2 實驗步驟

（1） 按圖1組裝實驗裝置并檢查其氣密性。用量筒分別量取1mL濃硝酸與3mL蒸餾水于具支試管內。

（2） 將綁有銅絲的B型磁力攪拌子放于具支試管內，并用條形磁鐵置于外部從而固定內部銅絲的位置，塞上橡膠塞。

（3） 向V型管中加入適量的碳酸氫鈉粉末并關閉止水夾1，用注射器A吸取少量稀硝酸，與V型管連接緩慢推入管內，反應一段時間后用燃著的木條放到具支試管的支管口檢驗是否把裝置內的空氣排盡。

（4） 接著在具支試管的支管口套上氣球，關閉止水夾2，移動磁力攪拌子使銅絲與稀硝酸反應，看到氣球變大后，停止反應，緩慢拉動注射器B的活塞收集一定體積的NO氣體。

（5） 將注射器B從橡膠塞中抽出，套上注射器針頭（含針頭塑料套），繼續緩慢拉注射器B活塞吸入一定體積的氧氣，當無色氣體變成紅棕色氣體后，接著吸取適量的水，觀察實驗現象。

（6） 實驗結束后，用注射器B吸取5mL 5%的NaOH溶液注入反應裝置里面，進行尾氣處理，避免污染空氣。

3.2.3 實驗現象

（1） V型管中碳酸氫鈉粉末表面有氣泡產生，燃著的木條熄滅，說明產生了二氧化碳，排盡反應裝置內的空氣，實驗原理是NaHCO3+HNO3NaNO3+CO2↑+H2O。

（2） 隨著銅絲與稀硝酸接觸，反應開始，銅絲表面產生無色氣泡，氣球逐漸變大，說明產生了無色氣體（NO），反應溶液由無色變為藍色，實驗原理是3Cu+8HNO3（?。?NO↑+3Cu（NO3）2+4H2O。

（3） 用注射器B收集10mL NO，再吸入5mL O2，無色氣體迅速變成紅棕色，活塞在10mL刻度處，說明無色NO氣體與O2反應生成紅棕色NO2氣體（2NO+O22NO2），接著吸入5mL水之后紅棕色氣體消失（3NO2+H2O2HNO3+NO），注射器內總體積減少，最終得到無色溶液和無色氣體，活塞處于大于9mL刻度處［10］。此現象為證明銅與稀硝酸反應生成NO氣體提供了有力的證據。

3.2.4 有關說明

（1） 銅絲與稀硝酸反應速率較慢，為加快反應速率，可對其反應裝置進行水浴加熱（45℃），使學生能在較短時間內觀察到實驗現象。

（2） 通過觀察銅絲表面產生的氣泡量以及NO2出現時間的長短可得出制備NO所需稀硝酸的最佳濃度為濃硝酸與蒸餾水的體積比為1∶3。

（3） 銅絲與稀硝酸反應前排除裝置內的空氣，避免氧氣與NO發生反應生成NO2，導致實驗失敗。

（4） 注射器B收集的NO氣體還可以進行氮氧化物之間轉化的定量實驗，通過引導學生觀察注射器活塞所處的刻度，強化氮氧化物性質的學習，培養學生的證據推理意識。

上述銅與稀硝酸反應生成無色的NO，說明硝酸具有氧化性，也驗證了NO與NO2之間的轉化，但無法說明硝酸濃度不同，其反應產物也不同。為解決這一問題，并進一步探究不同濃度硝酸的氧化性，借助pH傳感器設計了銅與濃、稀硝酸反應實驗的簡易裝置。

3.3 銅與濃、稀硝酸反應實驗

3.3.1 實驗裝置

實驗裝置見圖2。

3.3.2 實驗步驟

（1） 按圖2所示連接好實驗裝置并檢查其氣密性。

（2） 量取1mL的濃硝酸于具支試管A中，選取一段40cm長的銅絲，上端纏繞于B型磁力攪拌子上，下端繞成螺旋狀，長約4cm。

（3） 將綁有銅絲的B型磁力攪拌子放于具支試管A內，用條形磁鐵置于玻璃管外部從而固定內部銅絲的位置，再塞上連接有導管的橡膠塞。

（4） 量取10mL的蒸餾水于具支試管B中，放入pH傳感器，打開Vernier LoggerPro軟件，設置好參數后點擊采集按鈕，接著移動條形磁鐵使銅絲與濃硝酸接觸發生反應。

（5） 反應3秒左右后上移條形磁鐵停止反應，用注射器加入3mL蒸餾水，再移動條形磁鐵使銅與稀硝酸反應。

（6） 當紅棕色氣體消失的時候，打開止水夾，用洗耳球將空氣經導管慢慢打入具支試管A中，提醒學生觀察實驗現象，發現再次出現紅棕色氣體。

（7） 重復鼓氣，將一氧化氮全部轉化為二氧化氮，同時將裝置內部殘留的NO2氣體全部排出被蒸餾水溶液吸收。

3.3.3 實驗現象

（1） 銅絲與濃硝酸接觸反應劇烈，試管壁發熱，銅絲表面產生大量紅棕色氣泡，無色溶液變成綠色溶液［Cu+4HNO3（濃）2NO2↑+Cu（NO3）2+2H2O］。

（2） 可觀察到電腦上呈現試管B中溶液pH隨時間變化曲線圖（如圖3所示）。其中AB段為實驗前蒸餾水的pH。BC段pH迅速下降到3左右后趨于平緩，說明銅與濃硝酸反應產生的NO2氣體溶于水生成HNO3。

（3） 加水稀釋濃硝酸后，銅絲與稀硝酸反應可觀察到銅絲表面產生大量無色氣泡，生成藍色溶液［3Cu+8HNO3（?。?NO↑+3Cu（NO3）2+4H2O］，產生的無色氣體將裝置內的紅棕色氣體趕到具支試管B內，試管B中溶液pH緩慢下降到2.8左右趨于平緩（CD段）。

（4） 通入空氣后，再次出現紅棕色氣體（2NO+O22NO2），繼續鼓氣使一氧化氮全部轉化為二氧化氮。NO2進入具支試管B中與水反應生成硝酸，pH再次迅速下降到2左右趨于平緩（DE段），說明稀硝酸與銅反應生成NO，一氧化氮與氧氣反應再次生成NO2。

3.3.4 有關說明

（1） 濃硝酸（65%～68%）濃度不宜太高，濃度太高有可能因反應過于劇烈而無法控制造成危險，產生的有毒氣體也無法及時處理。

（2） 本實驗選用40cm的銅絲纏在磁力攪拌子上進行實驗，保證銅絲與濃硝酸反應后再與稀硝酸反應，且銅絲與濃硝酸反應速率較快。

（3） 銅與濃硝酸反應是放熱反應，為后面銅與稀硝酸反應提供了一定的熱量，加快其反應速率。

（4） 注意反應順序，銅絲先與濃硝酸反應，后加水銅與稀硝酸反應，間隔時間不要太短，現象更明顯。

3.4 實驗注意事項

（1） 實驗進行之前需要對實驗裝置進行氣密性檢查，避免空氣對實驗結果產生影響。

（2） 實驗的時候需要戴上橡膠手套和口罩，濃硝酸具有強烈的腐蝕性和揮發性。

3.5 實驗總結

（1） 銅與稀硝酸反應實驗裝置排除了空氣中氧氣對實驗的干擾，實驗現象明顯，能直觀地觀察到銅與稀硝酸反應的實驗現象以及實現氮氧化物之間的定量轉化與性質檢驗，有助于學生形成良好的證據推理意識。

（2） 在全封閉體系中連續演示銅與濃、稀硝酸反應實驗，一氧化氮氧化實驗、二氧化氮溶于水的數字化實驗，使多步反應一體化、實驗操作程序化、裝置功能集成化。

（3） 上述兩個改進裝置可隨時控制反應的發生與停止，既可作為教師演示實驗，又可作為學生分組實驗，有助于學生開展探究活動，形成良好的創新意識。

（4） 上述兩個實驗裝置簡單，取材、制作方便，操作簡潔，有利環保，且實驗現象明顯，重現性好，易于推廣。

參考文獻：

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［10］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.