用泡沫銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

羅敏 劉茜 楊麗君

摘要：? 為解決銅與稀硝酸反應(yīng)時(shí)裝置中氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響及氮氧化物易泄露等問題，利用注射器、三通閥和具支U型管等儀器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)裝置，并選用泡沫銅與濃、稀硝酸進(jìn)行反應(yīng)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有取材方便、操作簡(jiǎn)單、安全環(huán)保、現(xiàn)象明顯等特點(diǎn)，非常適合課堂演示以及學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)； 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)； 泡沫銅

文章編號(hào)： 10056629（2024）04007703

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問題的提出

硝酸的性質(zhì)是學(xué)生在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中必須掌握的重要內(nèi)容?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“教學(xué)提示”欄目中將“濃、稀硝酸的性質(zhì)”作為實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)［1］。人教版教材以銅絲、硝酸和NaOH溶液為實(shí)驗(yàn)試劑，具支試管和燒杯為實(shí)驗(yàn)儀器，裝置簡(jiǎn)單、操作方便，但仍存在以下不足：（1）銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生大量NO2來不及吸收，逸散到空氣中，與沒有處理的具支試管中殘留的NO2，都會(huì)污染環(huán)境；（2）銅與稀硝酸反應(yīng)時(shí)，具支試管中的空氣會(huì)將生成的NO瞬間氧化為NO2，觀察不到無色氣體NO的生成；（3）若驗(yàn)證NO與氧氣反應(yīng)生成NO2，或進(jìn)行尾氣處理時(shí)將NO氧化為NO2，都需取下橡膠塞，此時(shí)會(huì)有氮氧化物逸出，污染環(huán)境；（4）無防倒吸裝置，可能導(dǎo)致NaOH溶液被吸入具支試管，使實(shí)驗(yàn)失敗。為了解決上述問題，筆者提出了新的想法，從實(shí)驗(yàn)試劑和裝置兩個(gè)方面對(duì)銅與濃、稀硝酸反應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。

2? 相關(guān)文獻(xiàn)簡(jiǎn)評(píng)

查閱大量的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）銅與稀硝酸反應(yīng)時(shí)排除氧氣的干擾［2，3］，利用CO2、在反應(yīng)儀器中裝滿稀硝酸或者壓縮反應(yīng)裝置排出空氣；（2）銅與濃硝酸反應(yīng)的一體化設(shè)計(jì)［4，5］，但實(shí)驗(yàn)儀器不常見；（3）銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的連續(xù)化設(shè)計(jì)［6，7］，即把銅和濃、稀硝酸兩個(gè)反應(yīng)整合在一起，對(duì)比鮮明，但操作復(fù)雜；（4）實(shí)驗(yàn)微型化、綠色化設(shè)計(jì)［8，9］，實(shí)驗(yàn)裝置常見易得，但功能比較單一。

基于文獻(xiàn)，本文對(duì)“硝酸的性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，利用多孔泡沫銅和注射器，設(shè)計(jì)了操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置。銅與稀硝酸反應(yīng)時(shí)，利用注射器壓縮多孔泡沫銅，排除裝置中的空氣。吸入稀硝酸后，觀察到溶液變成藍(lán)色的同時(shí)，注射器活塞向上移動(dòng)明顯，說明有NO無色氣體生成。產(chǎn)物NO氧化為NO2及NaOH吸收尾氣都在密閉裝置中進(jìn)行，不會(huì)污染教學(xué)環(huán)境；銅與濃硝酸反應(yīng)生成NO2， NO2與水反應(yīng)生成硝酸和NO，以及硝酸的檢驗(yàn)和廢液處理整合為一體，無需拆卸裝置，整個(gè)過程沒有任何氣體逸出。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生理解不同濃度的硝酸與銅反應(yīng)的產(chǎn)物也不同，并進(jìn)一步鞏固氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化。

3? 實(shí)驗(yàn)部分

3.1? 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：不同規(guī)格注射器（5mL 3個(gè)，20mL 2個(gè)）、三通閥、具支U型管（15×150mm）1個(gè)、氣球、橡膠塞

實(shí)驗(yàn)藥品：泡沫銅、15mol/L濃硝酸、5mol/L稀硝酸、氧氣，飽和NaOH溶液、紫色石蕊溶液、蒸餾水

3.2? 銅與稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

將泡沫銅放入注射器進(jìn)行壓縮，不僅可以排除空氣，其多孔性也會(huì)增加與稀硝酸的接觸面積加快反應(yīng)。借助三通閥，將一氧化氮的制取、氧化、尾氣吸收等實(shí)驗(yàn)集于一體。

3.2.1? 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

3.2.2? 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 按圖1組裝實(shí)驗(yàn)儀器并檢查其氣密性，3個(gè)注射器均為5mL。

（2） 剪取一小塊泡沫銅置于1號(hào)注射器，并將注射器活塞推至最底部以完全擠出空氣；然后取5mol/L稀硝酸2mL于2號(hào)注射器；2mL飽和NaOH溶液于3號(hào)注射器，并吸入3mL空氣；最后將3只注射器用三通閥連接并固定起來。

（3） 旋轉(zhuǎn)三通閥，使1、 2號(hào)注射器連通，緩慢向外拉1號(hào)注射器活塞，2號(hào)注射器里的稀硝酸進(jìn)入1號(hào)注射器與泡沫銅發(fā)生反應(yīng)，觀察到無色溶液變成藍(lán)色［3Cu+8HNO3（?。?NO↑+3Cu（NO3）2+4H2O］。同時(shí)，1號(hào)注射器活塞向外移動(dòng)明顯，說明產(chǎn)生了無色氣體。反應(yīng)前后溶液顏色對(duì)比鮮明，學(xué)生可在較短時(shí)間內(nèi)觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（4） 再次旋轉(zhuǎn)三通閥，使1、 3號(hào)注射器連通，緩慢向外拉1號(hào)注射器，

緩慢推進(jìn)3號(hào)注射器，1號(hào)注射器內(nèi)

無色氣體立即變成紅棕色（2NO+O22NO2）。然后擠入飽和NaOH溶液處理尾氣和廢液，紅棕色消失（2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O），有藍(lán)色沉淀產(chǎn)生［Cu（NO3）2+2NaOHCu（OH）2↓+2NaNO3］。

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置完成銅與稀硝酸的反應(yīng)，通過吸入空氣，注射器中出現(xiàn)紅棕色，證明前產(chǎn)物是NO，也說明稀硝酸具有氧化性。為進(jìn)一步說明銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的不同，設(shè)計(jì)了泡沫銅與濃硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。利用該裝置可以完成銅與濃硝酸的反應(yīng)，并借助具支U型管，完成NO2與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)現(xiàn)該裝置的多功能性。

3.3? 銅與濃硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

3.3.1? 實(shí)驗(yàn)裝置

在圖1實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，無氧條件下，利用注射器探究銅與濃硝酸的反應(yīng)；借助三通閥將產(chǎn)物硝酸銅和NO2分離，并將NO2擠入具支U型管，探究NO2與水反應(yīng)的產(chǎn)物以及NO和NO2之間的轉(zhuǎn)換。

3.3.2? 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 按圖2組裝實(shí)驗(yàn)儀器并檢查其氣密性。1號(hào)和3號(hào)注射器為20mL，2號(hào)和4號(hào)注射器為5mL。

（2） 1號(hào)注射器中放入泡沫銅并壓縮，取2mL濃硝酸置于2號(hào)注射器，連接三通閥。3號(hào)注射器吸入事先制備的氧氣約20mL，4號(hào)注射器吸取3mL紫色石蕊溶液，連接在具支U型管上。接著將氣球套在具支U型管的支管口處，平衡氣壓。

（3） 旋轉(zhuǎn)三通閥，連通1號(hào)、2號(hào)注射器，緩慢向外拉1號(hào)注射器吸入濃硝酸。在無氧條件下吸入的濃硝酸與泡沫銅立即發(fā)生反應(yīng)，活塞向外移動(dòng)，注射器中出現(xiàn)紅棕色，證明產(chǎn)生了NO2，并觀察到無色溶液變成綠色［Cu+4HNO3（濃）2NO2↑+Cu（NO3）2+2H2O］。

（4） 將綠色溶液壓回2號(hào)注射器后，旋轉(zhuǎn)三通閥，使1號(hào)注射器與具支U型管相通，將1號(hào)注射器中的紅棕色氣體壓入具支U型管。將4號(hào)注射器中的紫色石蕊溶液滴入具支U型管中，溶液變紅，紅棕色消失，說明NO2與水發(fā)生反應(yīng)生成HNO3和NO（3NO2+H2O2HNO3+NO）。利用3號(hào)注射器向具支U型管中注入約10mL氧氣，具支U型管中紅棕色復(fù)現(xiàn)，說明NO與O2反應(yīng)重新生成NO2（2NO+O22NO2）。

（5） 最后注入過量氧氣，使生成的NO全部氧化為NO2。并將2號(hào)注射器里的綠色溶液全部注入具支U型管，再通過2號(hào)注射器加入適量飽和NaOH溶液，紅棕色消失（2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O），出現(xiàn)藍(lán)色沉淀［Cu（NO3）2+2NaOHCu（OH）2↓+2NaNO3］，紅色石蕊重新變成紫色，完成尾氣吸收和廢液處理。

3.4? 注意事項(xiàng)

（1） 實(shí)驗(yàn)前要進(jìn)行裝置的氣密性檢查，防止銅與濃、稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)物氮氧化物的泄漏，對(duì)環(huán)境造成污染。銅與稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)還要防止空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾。

（2） 濃硝酸具有腐蝕性和揮發(fā)性，實(shí)驗(yàn)過程中戴好手套和口罩。

3.5? 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

（1） 選擇注射器、三通閥搭建實(shí)驗(yàn)裝置，使操作簡(jiǎn)單快速。泡沫銅代替銅絲或銅片，增大稀硝酸與銅的接觸面積，無需預(yù)熱也能加快反應(yīng)速率。

（2） 銅與濃、稀硝酸各步反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)都整合為一體，在密閉體系中進(jìn)行，無需拆卸裝置，沒有氣體泄漏危險(xiǎn)，體現(xiàn)了環(huán)保理念。

（3） 在短時(shí)間內(nèi)既能完成硝酸的氧化性實(shí)驗(yàn)，探究銅與濃、稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)物的不同，又能鞏固氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化：NO氧化為NO2， NO2與水反應(yīng)生成硝酸和NO。用紫色石蕊溶液檢驗(yàn)硝酸的生成、NaOH溶液進(jìn)行尾氣吸收和廢液處理，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)探究核心素養(yǎng)。

（4） 可改變注射器大小以適應(yīng)各類實(shí)驗(yàn)的需要，可用于教師演示實(shí)驗(yàn)，又可用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

（5） 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，泡沫銅也易于購置，儀器和未反應(yīng)完的泡沫銅都可以重復(fù)使用。操作步驟合理簡(jiǎn)潔，現(xiàn)象明顯，重現(xiàn)性好，顏色變化鮮明，有利于激發(fā)學(xué)生興趣。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部制定. 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： 16.

［2］李德前， 魏海， 張羿. “銅與稀硝酸反應(yīng)”一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （9）： 70～72.

［3］魏海， 李德前. “雙注射器組合裝置”的制作與應(yīng)用——以銅與硝酸反應(yīng)的系列實(shí)驗(yàn)為例［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （11）： 69～71.

［4］賀紫檸， 李忠恒. 銅與濃硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的新設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2023， （8）： 67～69， 76.

［5］楊頔， 靳紅旗， 于善亮. 銅與濃硝酸反應(yīng)的裝置設(shè)計(jì)及現(xiàn)象研究［J］. 化學(xué)教育， 2014， 35（11）： 77～78.

［6］劉江， 趙寧東， 劉俊等. 基于智能手機(jī)的銅和硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程可視化設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （6）： 72～74.

［7］楊香濤， 阮方來. 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的整合設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （10）： 70～72.

［8］譚文生. 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的綠色化設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2012， （11）： 45～46.

［9］張正飛， 柏書梅. 利用膠頭滴管演示銅與硝酸的反應(yīng)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2010， （2）： 8.