銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)一體化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2025）16-0110-03

高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)在綠色化學(xué)理念的影響下正發(fā)生著深刻的變革.如今高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)在注重結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)，還要強(qiáng)調(diào)過程的環(huán)保和可持續(xù)性，并且要改變傳統(tǒng)上只是通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)傳授知識(shí)的單一目標(biāo)，進(jìn)一步使化學(xué)實(shí)驗(yàn)成為塑造學(xué)生可持續(xù)發(fā)展觀、培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保意識(shí)的載體.因此，如何對(duì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行符合綠色化學(xué)理念的、創(chuàng)新性的重新設(shè)計(jì)，是高中化學(xué)教育的重要議題.本文以銅與濃、稀硝酸反應(yīng)為例，利用連體閥和注射器設(shè)計(jì)出的一體化微型實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生更好地理解銅與硝酸反應(yīng)的規(guī)律.

1 問題的提出

銅與濃、稀硝酸反應(yīng)是探究金屬與硝酸反應(yīng)規(guī)律的重要實(shí)驗(yàn).在蘇教版化學(xué)（必修）第二冊(cè)中，該實(shí)驗(yàn)的裝置和操作步驟為：將銅片置于具支試管底部，通過分液漏斗加濃硝酸，將產(chǎn)生的氣體通入倒置于水槽里、充滿水的集氣瓶中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.待以上實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用分液漏斗向具支試管加入 5mL 水，繼續(xù)收集產(chǎn)生的氣體，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖1所示）.教材中所提供的實(shí)驗(yàn)方法裝置簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單，但存在以下不足：一是銅與濃硝酸反應(yīng)生成的NO₂ 會(huì)干擾對(duì)銅與稀硝酸反應(yīng)生成的NO的觀察;二是無法快速有效地證明稀硝酸和銅產(chǎn)生的無色氣體是NO;三是課堂上不適合使用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)[1].

針對(duì)上述問題查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)已有的研究對(duì)銅與硝酸反應(yīng)裝置改進(jìn)方式主要為：選用注射器、U型管、三頸燒瓶為反應(yīng)裝置，營造密閉環(huán)境進(jìn)行反應(yīng)，用水或者空氣檢驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)物，用氣球收集尾氣或者用NaOH溶液吸收尾氣.如魏海等老師的“‘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”[2]、姚亮發(fā)等老師的“基于證據(jù)推理意識(shí)的銅與稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)”、趙益汝等老師“銅與硝酸反應(yīng)及后續(xù)實(shí)驗(yàn)的一體化新設(shè)計(jì)”劉亞莉等老師的“銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易裝置的設(shè)計(jì)”.參考相關(guān)研究，并基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色、環(huán)保、一體化等理念，為使學(xué)生能更好地認(rèn)識(shí)金屬與硝酸反應(yīng)規(guī)律，再次對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì).

2 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

連體閥（三聯(lián)閥、五聯(lián)閥） .10mL 注射器 .20mL 注射器 60mL 注射器.

其中連體閥如圖2、圖3所示，連體閥的三通柄上有3個(gè)箭頭，旋轉(zhuǎn)三通柄可調(diào)節(jié)箭頭指向，實(shí)現(xiàn)任意兩口或三口的連通.連體閥還可以同時(shí)連通多個(gè)裝置（注射器），為實(shí)驗(yàn)的一體化提供便利.

2.2 實(shí)驗(yàn)藥品

銅片、濃硝酸、蒸餾水、濃NaOH溶液

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 方案一

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，注射器規(guī)格視情況而定.

實(shí)驗(yàn)步驟，見表1.

3.2 方案二

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，注射器規(guī)格視情況而定實(shí)驗(yàn)步驟，見表3.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論，見表4.

4實(shí)驗(yàn)說明

（1）由于部分實(shí)驗(yàn)步驟反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)明顯現(xiàn)象，即可進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，無須等待反應(yīng)完全.

（2）課堂上可分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如執(zhí)行方案一時(shí)，可將學(xué)生分為4組，分別操作實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2.通過分組，各組可同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且無須反復(fù)組裝、拆解實(shí)驗(yàn)裝置，提升了課堂實(shí)驗(yàn)的便捷性和效率.

5 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

5.1 裝置簡(jiǎn)約、操作便捷

本實(shí)驗(yàn)的連體閥均為 PC+PE 塑料材質(zhì)，不易損壞，可以反復(fù)使用，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本.實(shí)驗(yàn)中采用的注射器可以靈活控制反應(yīng)的用量，使得實(shí)驗(yàn)的操作簡(jiǎn)潔明了，大大提高了課堂效率.

5.2 現(xiàn)象明顯，便于觀察

該系列實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)藥品雖然用量少，但現(xiàn)象十分明顯.即使沒有預(yù)先對(duì)裝置進(jìn)行排空氣，也不影響NO的觀察和檢驗(yàn).實(shí)際教學(xué)過程中，可以結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和課程安排的需要，通過采用不同的方案進(jìn)行演示或分組實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)金屬與濃、稀硝酸反應(yīng)的規(guī)律的認(rèn)知與理解.

5.3 綠色化學(xué)

本系列實(shí)驗(yàn)屬于微型一體化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)藥品用量少，且實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)全程封閉以及有害氣體的零排放，符合綠色化學(xué)的理念.

6 結(jié)束語

經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的、采用連體閥的一體化實(shí)驗(yàn)裝置，可使銅與濃、稀硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比更為明顯，操作更為便捷，同時(shí)符合綠色化學(xué)理念.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中除了對(duì)理論知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，還能夠切身體會(huì)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中踐行可持續(xù)發(fā)展觀.

參考文獻(xiàn)：

[1］王祖浩.普通高中教科書·化學(xué)必修第二冊(cè)[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2020.

[2］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.

[責(zé)任編輯：孫美齊]