銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問(wèn)題提出

銅與硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)在人教版、蘇教版、魯科版教材中均有涉及，但是幾個(gè)版本教材中的實(shí)驗(yàn)裝置都存在一些不足之處。如銅與濃硝酸反應(yīng)裝置中穿銅絲的橡膠塞孔如果開得太大， NO₂ 容易泄露，孔太小銅絲與橡膠塞摩擦力大，上下移動(dòng)困難，且此裝置也無(wú)法處理銅與稀硝酸反應(yīng)的尾氣（NO與NaOH溶液不反應(yīng)）；又如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)雖可以完成濃、稀硝酸與銅的反應(yīng)，但無(wú)法控制反應(yīng)速率，濃硝酸一旦加入，反應(yīng)會(huì)迅速發(fā)生，無(wú)法控制使反應(yīng)停止，且無(wú)尾氣處理裝置，產(chǎn)生的 NO₂ 容易從蘸有NaOH溶液的棉花團(tuán)中逸出，造成污染。

現(xiàn)有教材實(shí)驗(yàn)因裝置的開放性及尾氣處理不足等問(wèn)題，削弱了教學(xué)效果。所以有必要通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供綠色安全的探究性平臺(tái)，推動(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從“驗(yàn)證式”向“探究式\"轉(zhuǎn)型，以契合新課程改革的核心目標(biāo)。

2 相關(guān)文獻(xiàn)簡(jiǎn)評(píng)

查閱近五年文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)多集中在一體化設(shè)計(jì)方面。通過(guò)定制的特殊儀器或使用常見儀器再輔以醫(yī)用器械等完成數(shù)個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，取得了一定的效果。

2.1 定制特殊儀器

葉永謙運(yùn)用主體附加組合法，用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的帶有玻璃漏槽、支管的分液漏斗、帶支管的硼硅酸鹽圓底燒瓶等儀器組合成新的演示裝置，取得了良好實(shí)驗(yàn)效果[1]。

賀紫檸采用定制的玻璃儀器、翻口塞和注射器等實(shí)驗(yàn)器材對(duì)該反應(yīng)的裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置反應(yīng)可控、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯[2]。

但是一般學(xué)校定制專用儀器比較困難，推廣施行有一定難度。

2.2常用儀器為主醫(yī)用儀器為輔

劉亞莉使用具支試管、注射器等儀器將銅與硝酸反應(yīng)、氮氧化物間的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)整合在一套密閉裝置中進(jìn)行，通過(guò)用磁鐵調(diào)控繞有銅絲的攪拌子移動(dòng)來(lái)控制反應(yīng)的發(fā)生與停止[3]。此方法具有一定的代表性，可以有效避免有毒氣體泄漏。

羅敏利用具支U型管、三通閥、注射器等儀器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)裝置[4]，注射器作為反應(yīng)容器具有密封性好、可儲(chǔ)存氣體等特點(diǎn)。

上述改進(jìn)實(shí)驗(yàn)用一套裝置完成銅與濃、稀硝酸反應(yīng)及后續(xù)的數(shù)個(gè)反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作步驟較多；部分實(shí)驗(yàn)使用氣球作為儲(chǔ)氣、尾氣收集裝置，氣密性較難控制，容易出現(xiàn)漏氣；因銅與濃硝酸反應(yīng)速率極快，所以通過(guò)移動(dòng)銅絲來(lái)控制反應(yīng)的發(fā)生與停止，往往同時(shí)又有數(shù)步操作而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)手忙腳亂；用注射器作為反應(yīng)容器時(shí)，過(guò)快的反應(yīng)速率有可能使氮氧化合物迅速逸出注射器而發(fā)生危險(xiǎn)。為此本文通過(guò)逆向思維重新思考現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套相對(duì)容易控制的實(shí)驗(yàn)裝置，完成銅與濃、稀硝酸的一體化反應(yīng)。

3裝置改進(jìn)思路

文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)大多是通過(guò)移動(dòng)銅絲來(lái)控制其與硝酸的接觸來(lái)達(dá)到控制反應(yīng)的目的。我們反向設(shè)計(jì)通過(guò)注射器活塞的移動(dòng)在封閉的長(zhǎng)頸漏斗中產(chǎn)生負(fù)壓，將長(zhǎng)頸漏斗下端試管中的濃硝酸由下向上抽到長(zhǎng)頸漏斗的漏斗中，與放置其中的銅片接觸，引發(fā)反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，封閉體系內(nèi)產(chǎn)生的 NO₂ 又將濃硝酸壓回到下部容器，脫離與銅的接觸使反應(yīng)自動(dòng)停止。因?yàn)殂~與濃硝酸接觸時(shí)間較短，所以產(chǎn)生的 NO₂ 基本上只能充滿長(zhǎng)頸漏斗，氣體量的控制極為簡(jiǎn)便。大號(hào)注射器作為氣體收集、處理裝置，有效避免了氣球收集氣體時(shí)容器壓力過(guò)大而造成氣體的泄漏。依靠此裝置可完成銅與濃硝酸、銅與稀硝酸及其還原產(chǎn)物檢驗(yàn)、尾氣處理、裝置中廢氣處理等一系列反應(yīng)。

4實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 實(shí)驗(yàn)用品

注射器（規(guī)格 50mL ！ 100mL 裝置圖中標(biāo)定為A和D）、橡膠管、止水夾、具支試管（大號(hào)）、棉花、打孔膠塞 .100mL 燒杯、長(zhǎng)頸漏斗（根據(jù)具支試管長(zhǎng)度截短下部長(zhǎng)頸）;銅片 ?8mol/L 濃硝酸、蒸餾水 、8mol/L NaOH溶液。

4.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1銅與濃、稀硝酸反應(yīng)改進(jìn)裝置示意圖

檢查裝置氣密性：A中吸入 50mL 氣體，關(guān)閉止水夾2打開止水夾1，緩慢推動(dòng)A活塞，D活塞向外移動(dòng)，最終A中氣體消失后D中氣體體積為 50mL ，說(shuō)明氣密性良好；也可以使用逆向檢測(cè)，A中吸入 50mL 氣體調(diào)整止水夾后拉動(dòng)D活塞，最終D氣體體積為 50mL ，而A中無(wú)氣體，也能說(shuō)明氣密性良好。

4.3實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

4.3.1銅與濃硝酸反應(yīng)

在具支試管中注入 10mL 濃硝酸，E中放入五片銅片，D中放置浸有NaOH溶液的棉花球，其活塞位置處于約 15mL 刻度處（拉動(dòng)A活塞時(shí)可以順利使硝酸上吸），B中盛放 40% 蒸餾水，并沒過(guò)導(dǎo)管。準(zhǔn)備工作完成后，向外拉A處活塞產(chǎn)生負(fù)壓，將C中濃硝酸吸入長(zhǎng)頸漏斗的漏斗中。當(dāng)濃硝酸與銅片接觸時(shí)，發(fā)生 Cu+ 4HNO₃ （濃 Γ）-Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O ，立即會(huì)有紅棕色氣體產(chǎn)生，氣體充滿E，并將濃硝酸迅速壓回C中，C中濃硝酸此刻呈草綠色。待觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，關(guān)閉止水夾1、打開止水夾2，推動(dòng)A處活塞將之前吸入的空氣推入B中，再向外拉A處活塞，將 10mL 蒸餾水吸入A中，關(guān)閉止水夾2、打開止水夾1，將A中蒸餾水壓入E中發(fā)生 中紅棕色氣體消失，同時(shí)壓入的水進(jìn)入C中使?jié)庀跛嶙優(yōu)橄∠跛帷?/p>

4.3.2 銅與稀硝酸反應(yīng)

關(guān)閉止水夾2、打開止水夾1向外拉A處活塞（E中的NO被吸入A注射器），A注射器中產(chǎn)生負(fù)壓將C中稀硝酸抽至放置銅片的長(zhǎng)頸漏斗的漏斗中并將其充滿，銅與稀硝酸接觸引發(fā)反應(yīng)。銅與稀硝酸反應(yīng)速率較慢（熱蒸餾水是為了適當(dāng)加快反應(yīng)速率，但如果溫度太高會(huì)產(chǎn)生 NO₂ ），銅片上產(chǎn)生無(wú)色氣泡，發(fā)生 3Cu+ 8HNO₃ （稀 ）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O ，隨后氣體將稀硝酸壓回C中，反應(yīng)隨即停止。裝置中氣體均為無(wú)色，觀察完成后，打開止水夾2、關(guān)閉止水夾1，取出B中導(dǎo)管，使其暴露在空氣之中，拉A處活塞使約 10mL 空氣進(jìn)入A中，A中氣體立即變?yōu)榧t棕色，發(fā)生 2NO+ （2號(hào) 0₂==2N0₂ 。

為稀硝酸時(shí)加水量較大，會(huì)超過(guò)容器的容積，如果采用少量 14.3mol/L 濃硝酸，則會(huì)出現(xiàn)濃硝酸無(wú)法充分上吸。

4.5 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1）通過(guò)由注射器制造的負(fù)壓分別將濃硝酸、稀硝酸由下向上抽起與銅片接觸反應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的氣體，又分別將濃、稀硝酸壓離使反應(yīng)物自動(dòng)脫離接觸，控制了反應(yīng)的發(fā)生與停止，避免了過(guò)多氮氧化物的產(chǎn)生。

（2）反應(yīng)裝置突破了原有的思維定勢(shì)，有利于學(xué)生的發(fā)散思維、邏輯思維的發(fā)展。（3）可通過(guò)一套裝置完成數(shù)個(gè)連續(xù)反應(yīng)且裝置制作簡(jiǎn)便、原理清晰、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、重現(xiàn)性好。

4.3.3 裝置中廢氣處理

關(guān)閉止水夾2、打開止水夾1，外拉D注射器活塞至A中氣體消失再拆除A注射器，繼續(xù)外拉D注射器活塞將殘留氣體及空氣吸人D中靜置一段時(shí)間，容器內(nèi)發(fā)生 2NO₂+2NaOH=NaNO₃+NaNO₂+H₂O_c （204號(hào)

4.4注意事項(xiàng)

（1）銅片大小應(yīng)適宜，既不能從長(zhǎng)頸漏斗導(dǎo)管處落下，也不能太大導(dǎo)致上吸的濃硝酸與其不能充分接觸。

（2）銅與濃硝酸反應(yīng)時(shí)拉動(dòng)A注射器產(chǎn)生負(fù)壓向長(zhǎng)頸漏斗中抽濃硝酸時(shí)速度要快，濃硝酸一旦與銅接觸反應(yīng)很快，速度太慢就會(huì)造成上層銅片還未與濃硝酸充分接觸，硝酸就已經(jīng)被壓回C中，會(huì)導(dǎo)致E中紅棕色不明顯。

（3）采用 8mol/L 而不使用 14.3mol/L 濃硝酸（ 65% ）的原因?yàn)椋?① 采用 14.3mol/L 濃硝酸與銅反應(yīng)太過(guò)劇烈，實(shí)驗(yàn)時(shí)與銅接觸即迅速產(chǎn)生 NO₂ 氣體，無(wú)法使?jié)庀跛崤c銅充分接觸。 ② 將 14.3mol/L 濃硝酸稀釋

5結(jié)語(yǔ)

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中，如果注意到問(wèn)題的本質(zhì)，一些按照常規(guī)難以克服的問(wèn)題，通過(guò)逆向思維的方法—改變物質(zhì)接觸時(shí)移動(dòng)的物質(zhì)、操作順序也許就能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、簡(jiǎn)化裝置、減少操作步驟，在一定程度上解決遇到的問(wèn)題。本案實(shí)驗(yàn)中的逆向操作有利于培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義思想以及邏輯思維能力，提高遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí)的應(yīng)變能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］葉永謙，吳新建，張賢金．組合法在化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中的運(yùn)用—銅與硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)［J]．化學(xué)教育（中英文），2024，45（9）：78～82.

［2］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.

［3］劉亞莉，吳霞，劉茜等．銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易裝置的設(shè)計(jì)[J]．化學(xué)教學(xué)，2023，（11）：68～71.

[4」羅敏，劉茜，楊麗君.用泡沫銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)，2024，（4）：77～79.