銅與硝酸反應(yīng)及后續(xù)實驗的一體化新設(shè)計

摘 要： 綜合各版本教材中銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗及相關(guān)文獻，設(shè)計銅和硝酸反應(yīng)及其后續(xù)實驗的一體化新裝置。新裝置使銅與硝酸在無氧條件下反應(yīng)，有效解決了銅與稀硝酸反應(yīng)生成的NO立刻被裝置中的氧氣氧化的問題。改進裝置可一體化用于銅與濃硝酸、銅與稀硝酸、NO與氧氣、NO2與水反應(yīng)的四個實驗，還可拓展用于其他需要無氧環(huán)境的液液反應(yīng)和固液反應(yīng)實驗。

關(guān)鍵詞： 裝置一體化； 銅與硝酸反應(yīng)； 實驗裝置改進； 實驗探究

文章編號： 10056629（2024）10007203

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1 問題提出

氮及其化合物是高中化學(xué)階段無機化學(xué)中重要的非金屬元素，氮氧化物的制備、性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化是高中化學(xué)重要的實驗之一。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中將“氮氧化物的轉(zhuǎn)化”和“濃、稀硝酸的性質(zhì)”寫入了“常見無機物及其應(yīng)用”主題學(xué)習(xí)活動建議的實驗中，主題“常見的無機物及其應(yīng)用”的內(nèi)容要求中也建議通過實驗探究了解氮及其重要化合物的主要性質(zhì)［1］。現(xiàn)行各版本的高中化學(xué)教材也都編排了銅與濃、稀硝酸發(fā)應(yīng)的實驗，除了表述形式與實驗裝置等略有不同外，也都存在一定的不足之處。

對于銅和硝酸反應(yīng)的實驗改進，文獻大多集中于銅與濃稀硝酸反應(yīng)一體化，以解決實驗的污染和安全問題。黎佩茹［2］將濃硝酸稀釋為稀硝酸，在同一裝置中完成了銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)，但該裝置中的空氣并未排出，根據(jù)現(xiàn)象，學(xué)生容易誤認為銅與稀硝酸反應(yīng)直接生成了紅棕色的二氧化氮。趙立勝等［3］利用雙注射器巧妙結(jié)合了銅和不同濃度硝酸的反應(yīng)，但該實驗存在裝置復(fù)雜、不易操作等問題；姚亮發(fā)等［4］完成了銅與稀硝酸的反應(yīng)，一定程度上排除了氧氣的干擾，但缺少了銅與濃硝酸反應(yīng)的重要實驗。

化學(xué)實驗是課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體。如銅與稀硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物是NO，進而演示NO氧化得到NO2，這對于學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、證據(jù)推理與模型認知等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)具有不可替代的作用?；诖?，本文設(shè)計了一套銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的一體化實驗裝置，充分說明稀硝酸與銅反應(yīng)的產(chǎn)物為NO；利用三通閥和氮氣球?qū)崿F(xiàn)NO2與水的反應(yīng)，并解決了尾氣污染等問題。

2 銅與硝酸反應(yīng)及后續(xù)實驗的一體化新設(shè)計

2.1 實驗原理

NO極易被氧化，裝置中需要去除氧氣。新設(shè)計利用抽氣泵和氮氣球，通過“抽氣回充氮氣”的方法，實現(xiàn)無氧的反應(yīng)環(huán)境。利用三通閥和氧氣球，為氧化NO提供氧氣，驗證銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的氣體為NO，NO與O2反應(yīng)才生成紅棕色NO2。用氧氣替代空氣可增加實驗的嚴(yán)謹性，有效落實證據(jù)推理化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2.2 實驗儀器及試劑

實驗儀器：真空隔膜泵（西安雙尺戒儀器有限公司，型號：BT15T）、恒壓滴液漏斗（50mL）、三頸圓底燒瓶（19#磨口，100mL）、燒杯（200mL）、集氣瓶（200mL）、橡膠塞、漏斗、球型干燥管、氣球

實驗試劑及用品：NaOH溶液（0.5mol/L）、濃硝酸（63%，3.5mL）、稀硝酸（濃硝酸3.5mL和水14mL混合物）、銅粉（2.0g）、氧氣球、氮氣球、三通閥、蒸餾水、石蕊

2.3 實驗裝置

新設(shè)計的實驗裝置如圖1所示（夾持裝置略）。抽氣裝置采用小型實驗室用抽氣泵，配合氮氣球可實現(xiàn)三頸圓底燒瓶無氧反應(yīng)環(huán)境。一體化實驗裝置主要由抽氣裝置、反應(yīng)發(fā)生裝置、收集裝置、尾氣處理裝置等組成。

2.4 實驗步驟及現(xiàn)象

（1） 檢查裝置氣密性。如圖1所示安裝好實驗儀器，關(guān)閉恒壓滴液漏斗旋塞，旋轉(zhuǎn)三通閥2，聯(lián)通三頸圓底燒瓶和玻璃管路；打開三通閥3，使之水平相通；打開三通閥1，將氮氣球中的氮氣充入燒瓶，觀察集氣瓶右側(cè)水中玻璃管的液面是否上升，如上升說明裝置氣密性良好。

（2） 去除反應(yīng)體系中的氧氣。采用“抽氣置換”法將反應(yīng)體系中的空氣置換為氮氣。抽氣前先在三頸圓底燒瓶中裝入銅粉（2.0g），向恒壓滴液漏斗加入濃硝酸（7.0mL），上口接三通閥4、三通閥4接氧氣球（所連三通閥4為關(guān)閉狀態(tài)）。具體操作為：關(guān)閉三通閥2、三通閥3和恒壓滴液漏斗，通過抽氣泵和旋轉(zhuǎn)三通閥1將燒瓶中的空氣抽走；然后旋轉(zhuǎn)三通閥1向三頸圓底燒瓶中充入氮氣（氣流速率不宜過快，容易將銅粉吹散）；重復(fù)上述操作3次，將反應(yīng)體系（三頸圓底燒瓶和恒壓滴液漏斗）中的空氣置換成氮氣，最后關(guān)閉三通閥1。

（3） 銅與濃硝酸反應(yīng)。首先，旋轉(zhuǎn)三通閥2，聯(lián)通反應(yīng)管路，然后旋轉(zhuǎn)三通閥3使之水平相通。打開恒壓滴液漏斗旋塞，將濃硝酸滴入圓底燒瓶，并通過旋轉(zhuǎn)活塞控制濃硝酸滴入速度和量（3.5mL），觀察到銅粉表面有氣泡產(chǎn)生，燒瓶中馬上充滿紅棕色氣體——NO2。

（4） NO2與水反應(yīng)。驗證NO2與水反應(yīng)生成硝酸和NO。具體操作為：旋轉(zhuǎn)三通閥1，讓氮氣充入圓底燒瓶，直至將紅棕色氣體全部通過管路通入含有石蕊的蒸餾水中，水變紅色（說明集氣瓶中發(fā)生NO2與水反應(yīng)生成酸性物質(zhì)，酸性物質(zhì)使石蕊變紅）。同時液體被氣體壓至燒杯B。旋轉(zhuǎn)三通閥3，將多余的紅棕色NO2壓至燒杯A中用NaOH溶液吸收；關(guān)閉三通閥1，停止通入氮氣。打開三通閥4，使氧氣充入反應(yīng)體系，圓底燒瓶、管路和集氣瓶上方均出現(xiàn)紅棕色氣體。說明NO2與水反應(yīng)生成酸性物質(zhì)外，還生成NO氣體。根據(jù)NO2的化合價和產(chǎn)物NO的化合價，我們推測酸性物質(zhì)為硝酸（化合價歧化），即反應(yīng)的方程式為：3NO2+H2O2HNO3+NO。關(guān)閉氧氣，打開三通閥1，用氮氣將紅棕色NO2氣體壓入燒杯A中繼續(xù)用NaOH溶液吸收。

（5） 銅與稀硝酸反應(yīng)。用注射器快速向恒壓滴液漏斗注入水（14mL）將剩余濃硝酸（3.5mL）稀釋為稀硝酸。重復(fù)步驟（2），將體系中的氧氣置換為氮氣。打開恒壓滴液漏斗旋塞，調(diào)節(jié)并控制滴入的稀硝酸，可以觀察到有氣泡產(chǎn)生，但無有色氣體生成。

（6） NO的氧化。旋轉(zhuǎn)三通閥3，聯(lián)通燒杯A；旋轉(zhuǎn)氧氣球所連三通閥4，將氣球中的氧氣與恒壓滴液漏斗和三頸圓底燒瓶聯(lián)通，可觀察到三頸圓底燒瓶出現(xiàn)了紅棕色氣體，即生成了NO2。

（7） 尾氣吸收。升高蒸餾水集氣瓶中右側(cè)導(dǎo)管，旋轉(zhuǎn)三通閥2，使管路相通，氧氣可繼續(xù)壓入三頸圓底燒瓶，將紅棕色的NO2氣體排入燒杯A中用NaOH溶液吸收，直至裝置內(nèi)無紅棕色氣體。反應(yīng)的方程式為：4NO2+O2+4NaOH4NaNO3+2H2O。

3 小結(jié)

本改進實驗具有以下優(yōu)點：

（1） 一體化整合：將Cu與濃硝酸反應(yīng)生成NO2，Cu與稀硝酸反應(yīng)生成NO，NO與O2反應(yīng)生成NO2，NO2與H2O反應(yīng)生成HNO3和NO四個教學(xué)實驗整合為一體，教師可根據(jù)教學(xué)進度來安排演示實驗，實現(xiàn)一次投料，分步、有序進行多個實驗的目的。

（2） 實驗操作易控：恒壓滴液漏斗帶有刻度，可有效控制硝酸用量和滴加速度，進而控制反應(yīng)進行，方便實驗展示，提高教學(xué)效果。

（3） 無氧條件：設(shè)計的“抽氣回充氮氣”方法，能達到一般的無氧條件，可以適用于其他需要無氧條件下的固液反應(yīng)和液液反應(yīng)。

參考文獻：

［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） ［S］： 北京： 人民教育出版社， 2018.

［2］黎佩茹. 銅與硝酸反應(yīng)裝置的改進［J］. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2020， （13）： 44～45.

［3］趙立勝， 李德前. 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗的新設(shè)計［J］. 中國現(xiàn)代教育裝備， 2017， （24）： 43～44.

［4］姚亮發(fā)， 鄭柳萍， 張賢金等.基于證據(jù)推理意識的銅與稀硝酸反應(yīng)實驗的新設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， （12）： 75～77.