硝酸性質實驗的補充及其一體化改進

楊小琳 何平

摘要：為了完善硝酸性質實驗和更方便地進行實驗操作，在硝酸與銅反應的基礎上，利用H型試管設計可普遍適用的“四區”反應裝置，探究濃硝酸的分解、稀硝酸與活潑金屬的反應原理。改進實驗優點明顯，可實現包括硝酸的強氧化性、不穩定性等多個性質實驗的一體化，且試劑微量、操作簡便、反應可控、教學增效。

關鍵詞：硝酸性質實驗；試劑微量化；實驗一體化

文章編號：10056629（2023）12006803

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題的提出

硝酸具有不穩定性、強氧化性、腐蝕性和酸性，學生容易通過類比硫酸性質學習硝酸的腐蝕性和酸性，但對其不穩定性和強氧化性難有全面直觀的認識，且隨著硝酸濃度的變化，其性質呈現較大的差異，因此硝酸的強氧化性是教學的重點和難點。人教版高中化學教材通過演示硝酸與不活潑金屬（銅）的反應呈現其強氧化性。教材實驗的演示裝置見圖1，向兩支具支試管中分別加入2mL濃硝酸和稀硝酸，通過抽拉銅絲控制反應發生，用氫氧化鈉溶液進行尾氣處理，該實驗存在幾個明顯的不足之處：（1）需要兩套相同裝置，且稀硝酸的制取需要用濃硝酸進行稀釋；（2）反應產生的有毒氣體通過導管后被氫氧化鈉溶液吸收時壓強減小，會出現倒吸情況；（3）未能解釋銅與濃硝酸反應后溶液呈深綠色的原因；（4）沒有對銅與稀硝酸反應生成的無色氣體進行驗證，且一氧化氮是不成鹽氧化物不能被氫氧化鈉溶液直接吸收，會釋放到空氣中，對環境造成污染。此外，教材中沒有濃硝酸不穩定性的演示實驗，學生理解起來較為抽象。基于此，我們在改進教材實驗的基礎上，補充了濃硝酸受熱分解及稀硝酸與活潑金屬（鐵）的反應，并對反應的產物進行驗證。

2 相關文獻評析

為了解硝酸性質實驗研究的進展與現狀，我們查閱了相關的文獻資料，發現對銅與濃、稀硝酸反應的研究較多，且主要是對實驗裝置的改進，如馬東老師^［1］設計的新型密閉裝置“三通玻璃管”，利用壓強差把水吸入小玻璃瓶中生成稀硝酸，可集銅與濃、稀硝酸反應和氮氧化物轉化等多個實驗于一體，且試劑微量化、產物綠色化，但美中不足在于該裝置不能很好地控制反應的發生與停止；施雄飛老師^［2］用倒轉輸液袋的方式使銅絲與硝酸分離，從而使反應停止，但為了觀察到明顯現象，硝酸用量較多；王瑾等^［3］利用U形管進行改進，將生成的二氧化氮氣體通過橡膠管進入另一側加水生成稀硝酸，從而對比觀察銅和濃、稀硝酸的反應，現象明顯，藥品用量少，但不足之處在于實驗過程中需要借助針筒和止水夾調節裝置內的壓強，操作繁瑣；還有一些教師則是針對其中一種氮氧化物的制備和性質檢驗進行微型化、定量化的創新設計與改進^［4］。

綜上所述，以上實驗新方案均使筆者受益良多，但仍有需作改進的空間：（1）未深入探究硝酸的強氧化性：稀硝酸與活潑金屬反應時是否生成氫氣？變價金屬與硝酸反應時會被氧化為哪種價態？在濃硝酸中滴加紫色石蕊溶液后是否一直呈紅色？若無實驗加以輔助理解，學生通過稀硫酸的性質類比推理，容易造成認知上的錯誤。（2）濃硝酸見光或受熱分解產生二氧化氮是重要性質，然而在眾多方案中沒有涉及濃硝酸的不穩定性實驗。（3）在現有的實驗改進方案中，或多或少都存在些許不足，不能很好地在滿足多個性質實驗一體化的同時，還能兼顧到試劑微量化、操作簡便化、反應可控化和教學增效等優點。基于此，我們利用H型試管設計了可普遍適用的“四區”（投料區、反應區、對照區、收集區）反應裝置，再次對硝酸性質實驗作了創新改進，進一步完善硝酸的性質實驗，同時也有利于學生分組活動，引導學生以發展的眼光看待認知深化的過程，促進批判性思維的形成，培養宏觀辨識與微觀探析、科學探究與創新意識等化學學科核心素養。

3 實驗改進

3.1 實驗儀器及藥品

儀器：18mm×180mm H型試管1個（中間橫管18mm×50mm）、翻蓋塞1個、氣球1個、注射器4只（帶針尖）、鐵架臺1個、膠頭滴管2支、剪刀1把、酒精燈1個藥品：濃硝酸（68%）、銅片、鐵片、干燥劑（無水CaCl₂）、紫色石蕊溶液、紫甘藍浸出液、氫氧化鈉溶液（20%）、硫氰化鉀溶液（1mol/L）、蒸餾水

3.2 實驗裝置

改進后的實驗裝置見圖2。

3.3 實驗步驟

（1）將H型試管固定在鐵架臺上，在左側試管中加入2mL濃硝酸，右側試管中放入鐵片和2～3滴紫甘藍浸出液。將銅片剪成2cm×3cm后折疊成三棱柱型，用針尖在銅柱上穿一個小孔，并用線繩綁住，放置橫管左側處，用氣球將線繩壓住以固定銅柱。在針筒A中加入3mL蒸餾水。

（2）在左側試管中滴加2～3滴紫色石蕊溶液和1顆干燥劑，蓋上翻蓋塞后，用酒精燈加熱左側試管。

（3）取下氣球，將銅柱放置左側試管中距離濃硝酸1cm處，右側試管上端連接氣球固定線繩。將H型試管向右傾斜，使銅柱與濃硝酸接觸反應，當右側試管充滿氣體后，將試管放正使反應停止。

（4）捏癟氣球，將試管向右傾斜一定角度，用注射器1沿試管壁和橫管向右側試管緩慢滴加蒸餾水，使其與右側試管中的氣體充分接觸。反應一段時間后，用注射器2向右側試管中滴加硫氰化鉀溶液，用注射器3吸取氣球內部的氣體后吸入適量空氣。

（5）用注射器4向右側試管中注入適量氫氧化鈉溶液，使反應停止。

（6）在左側試管中加入少量水稀釋，使銅柱與稀硝酸接觸反應。

（7）尾氣處理。用注射器1向H型試管中注入空氣，再加氫氧化鈉溶液，重復該操作數次，直至試管中的氣體不再變為紅色。

3.4 實驗現象

（1）濃硝酸遇紫色石蕊溶液變為淺紅色后很快退去。濃硝酸的漂白作用主要體現其強氧化性，且溫度越高退色速度越快^［5］。加熱濃硝酸時有紅棕色氣體生成（反應的方程式為：4HNO₃△4NO₂↑+O₂↑+2H₂O）。濃硝酸分解實驗要加少量干燥劑，因為市售濃硝酸的濃度只有68%，加熱會使溶液沸騰產生硝酸蒸氣，分解反應較難發生。而“發煙硝酸”很不穩定，在加熱條件下極易分解，因此用無水CaCl₂提高硝酸的濃度。

（2）銅與濃硝酸反應生成大量紅棕色氣體，銅柱表面附著藍色物質，溶液變為深綠色［反應的方程式為：4HNO₃（濃）+Cu====Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O］。反應生成的硝酸銅溶液中溶有大量的二氧化氮氣體，因此溶液呈深綠色^［6］。

（3）隨后向右側試管緩慢加水，可觀察到紅棕色氣體消失，溶液變為橘紅色，鐵片上有無色氣泡生成，加硫氰化鉀溶液后變為血紅色［反應的方程式依次為：3NO₂+H₂O====2HNO₃+NO；4HNO₃（稀）+Fe====Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O；Fe³⁺+3SCN^-====Fe（SCN）₃］。用紫甘藍浸出液檢驗稀硝酸的生成，是因為其富含花青素，花青素遇酸變紅、遇堿變藍，且變色范圍比紫色石蕊溶液大，使實驗現象更加明顯，是優良的酸堿指示劑。

（4）注射器3中無色氣體變為紅棕色（反應的方程式為：2NO+O₂====2NO₂）。

（5）左側試管的溶液稀釋后，從深綠色變為淺藍色，銅片上有無色氣泡生成［反應的方程式為：3NO₂+H₂O====2HNO₃+NO；8HNO₃（稀）+3Cu====3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O］。在加水稀釋的過程中消耗了溶液中的二氧化氮，轉化為無色的稀硝酸，因此對硝酸銅顏色的觀察不造成干擾，溶液恢復為淺藍色。

（6）左側試管中生成藍色沉淀，右側試管中生成紅褐色沉淀［反應的方程式分別為：Cu²⁺+2OH^-====Cu（OH）₂↓；Fe³⁺+3OH^-====Fe（OH）₃↓］。

3.5 實驗注意事項

（1）濃硝酸具有強腐蝕性和揮發性，在實驗過程中要帶橡膠手套小心操作，注意通風處理。

（2）銅柱尾端需折疊一定角度，才能更好地將銅柱放入橫管左側；濃硝酸分解實驗時，觀察到有紅棕色氣體產生即停止加熱，防止其對銅與濃硝酸的反應現象造成干擾。

（3）為使銅柱表面附著藍色物質從而驗證銅離子的生成，需將銅片折疊成棱柱的形狀，使其一側與濃硝酸反應，銅離子附著在未反應的另一側銅柱上。

（4）向右側試管加水時要少量且緩慢操作，使水與二氧化氮充分接觸，從而提高生成的稀硝酸濃度；鐵與稀硝酸反應速率較慢，可用酒精燈短時間加熱以保證合適的反應速率，以免溶液沸騰溢出，操作不安全。

4 實驗改進的優點

（1）裝置一體化。該裝置集硝酸與不活潑金屬（Cu）和活潑金屬（Fe）的反應、氮氧化物的制備、檢驗、轉化和尾氣處理、濃硝酸受熱分解等多個性質實驗于一體，較全面地呈現了包括硝酸的強氧化性和不穩定性等性質。

（2）試劑微量化。濃硝酸有強腐蝕性，在保證實驗安全和節約的原則下，本改進方案僅用2mL濃硝酸即可完成上述所有實驗。

（3）反應可控。設計新的固液反應模型，通過傾斜和正放試管使固體與溶液接觸和分離，從而控制反應的發生與停止。

（4）操作簡便。利用H型試管設計可普遍適用的“四區”反應裝置。該裝置原理簡單、實操性強，借助注射器加入所需試劑就可完成實驗，可用于氣體制備及其性質檢驗和對比實驗，如探究濃硫酸性質實驗、吸熱反應與放熱反應實驗等，為教師課堂演示或學生分組實驗提供了便利性。

（5）教學增效。一線教師可借助該實驗加強學生學習元素化合物的一般方法，培養學生基于物質的分類、價類二維觀、宏微符三重表征多維度的實驗探究能力。

參考文獻：

［1］馬東，張賢金. 硝酸性質實驗的一體化設計［J］. 化學教學，2017，（7）：60～63.

［2］施雄飛. 銅與硝酸反應實驗改進［J］. 中學化學教學參考，2022，（2）：63～64.

［3］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］. 教育與裝備研究，2020，（4）：58～60.

［4］潘祥泰. NO的制備和性質實驗的改進與創新［J］. 化學教學，2014，（2）：44～45.

［5］夏立先，吳思杰. 對濃硝酸幾種性質的實驗探究［J］. 化學教學，2010，（10）：9～10.

［6］譚圣濤，劉東哲，吳佳怡. 銅和濃硝酸反應所得溶液呈綠色的原因探究［J］. 中學化學教學參考，2016，（8）：53～54.