銅與硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

摘要 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、發(fā)揮實(shí)驗(yàn)功能的重要手段。使用塑料瓶作為反應(yīng)裝置，既不影響實(shí)驗(yàn)效果，又不影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察。通過(guò)分析教材中實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)裝置，認(rèn)識(shí)其可能存在的問(wèn)題。研究過(guò)程確立了銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的基本原則，并優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)步驟。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué) 銅與硝酸反應(yīng) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

一、問(wèn)題提出

化學(xué)裝置、儀器及藥品是化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在危險(xiǎn)性的主要原因。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如何規(guī)避化學(xué)實(shí)驗(yàn)的潛在危險(xiǎn)呢？《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)學(xué)習(xí)化學(xué)，重視通過(guò)典型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識(shí)和技能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作。[1]硝酸是常見(jiàn)的酸之一，具有強(qiáng)氧化性，硝酸與銅反應(yīng)是重要的化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)之一。在銅、鐵、鋁等常見(jiàn)金屬中，鐵和鋁能與稀硝酸反應(yīng)，但是在常溫下，鐵和鋁表面易被濃硝酸氧化，形成一層致密的氧化膜，阻止酸與內(nèi)層金屬進(jìn)一步反應(yīng)。因此，銅與不同濃度的硝酸反應(yīng)會(huì)生成不同的產(chǎn)物。

人教版、魯科版、蘇教版教材中相關(guān)內(nèi)容均強(qiáng)調(diào)，硝酸濃度不同，與金屬反應(yīng)的產(chǎn)物不同。稀硝酸、濃硝酸分別和銅反應(yīng)的原理如下：

8HNO3（?。?3Cu=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

4HNO3（濃）+Cu=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

人教版《普通高中教科書·化學(xué)》（必修·第二冊(cè)）的第五章中【實(shí)驗(yàn)5－8】中實(shí)驗(yàn)裝置[2]，如圖1所示。蘇教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2》（必修）（第1版）的第二單元的“觀察與思考”欄目中實(shí)驗(yàn)裝置[3]，如圖2所示。魯科版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1》（必修）（第1版）第3章的“觀察與思考”欄目中實(shí)驗(yàn)裝置[4]，如圖3所示。

從反應(yīng)原理可以看出，稀硝酸、濃硝酸和銅反應(yīng)的氣體產(chǎn)物分別為NO和NO2，這兩種氣體均是有毒氣體。從三個(gè)版本教材中的反應(yīng)裝置圖可以看出，三套實(shí)驗(yàn)裝置用不同方法進(jìn)行了尾氣處理，但是沒(méi)有做到萬(wàn)無(wú)一失。如人教版教材中，尾氣處理裝置只是原理上可行，但是實(shí)踐中存在有毒氣體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。另外，三套實(shí)驗(yàn)裝置均不利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)基本原則

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的目標(biāo)是解決不同濃度硝酸和銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐操作層面的問(wèn)題，便于學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。因此，本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的基本原則如下：

（一）科學(xué)性

科學(xué)性是指改進(jìn)后的化學(xué)實(shí)驗(yàn)要遵循化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理，制定出合理的實(shí)驗(yàn)程序，采用符合化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本要求的實(shí)驗(yàn)方法。

（二）安全性

安全性是指實(shí)驗(yàn)裝置要質(zhì)地結(jié)實(shí)、氣密性好，防止硝酸和有毒氣體等泄漏，避免危害環(huán)境和師生健康。

（三）可行性

可行性是指實(shí)驗(yàn)原理正確，實(shí)驗(yàn)方法可行，實(shí)驗(yàn)藥品、設(shè)備易得且充足。

（四）簡(jiǎn)約性

簡(jiǎn)約性是指在不影響實(shí)驗(yàn)效果的前提下，實(shí)驗(yàn)時(shí)間盡量短、所用實(shí)驗(yàn)藥品盡量少、實(shí)驗(yàn)步驟盡量簡(jiǎn)約、實(shí)驗(yàn)裝置盡量簡(jiǎn)單等。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

（一）實(shí)驗(yàn)原理

Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

3NO2+H2O=2HNO3+NO

2NO+O2=2NO2

4NaOH+4NO+3O2=4NaNO3+2H2O

4NaOH+4NO2+O2=4NaNO3+2H2O

（二）實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

濃硝酸，稀硝酸，銅絲2根，100 ml NaCl注射液塑料瓶（透明）2個(gè)，10 ml注射器3個(gè)，氫氧化鈉溶液，等等。

（三）實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象（以濃硝酸與銅反應(yīng)為例）

1.用注射器抽出塑料瓶中的液體，并盡量抽出塑料瓶中的氣體，形成近似真空環(huán)境，如圖4所示。

2.將銅絲在瓶塞處插入塑料瓶中，用注射器注入少量濃硝酸，通過(guò)上下拉動(dòng)銅絲和調(diào)節(jié)銅絲的位置，調(diào)控反應(yīng)的發(fā)生。

3.待塑料瓶從癟慢慢變鼓，瓶中出現(xiàn)大量紅棕色氣體時(shí)，如圖5所示，向外拉動(dòng)銅絲，停止反應(yīng)。

4.用注射器向塑料瓶中緩慢注入水，觀察塑料瓶及瓶?jī)?nèi)顏色變化。震蕩塑料瓶后，用注射器向瓶中注入適量空氣，觀察顏色變化，如圖6所示。

5.）重復(fù)步驟4的操作，直至瓶中顏色不再改變。

6.用注射器向瓶中注入適量氫氧化鈉溶液，進(jìn)行尾氣處理。

四、反思與收獲

化學(xué)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性較高，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，大多采用播放視頻的形式進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)，這降低了學(xué)生的參與興趣和親身體驗(yàn)感。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)旨在不影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察和實(shí)驗(yàn)效果的前提下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)，降低實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。親手操作實(shí)驗(yàn)有利于提升學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)理性建構(gòu)化學(xué)知識(shí)和概念。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)生活化是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣的重要途徑。教師要積極開發(fā)教學(xué)資源成為化學(xué)教學(xué)素材，深化學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)和理解，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力，拓展化學(xué)教學(xué)創(chuàng)新之路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：72.

[2]王晶，鄭長(zhǎng)龍.普通高中教科書·化學(xué)（必修·第二冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2019：13.

[3]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2（必修）（第1版）[M].南京：江蘇教育出版社，2019：40-42.

[4]王磊.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）（第1版）[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019：112-115.

（責(zé)任編輯：姜顯光）