铜与硝酸反应的实验改进

刘春鸽

摘要:根据实验微型化、绿色化、操作简单化的原则,立足中学化学实验实际,根据高中化学新课程标准的要求,对铜与硝酸反应的实验进行了改进和探究。

关键词:微型化;W管;实践;注射器;探究;环境保护

硝酸的强氧化性是高中化学教学的重点内容,为了帮助学生更好地理解和掌握该知识,培养他们的学习兴趣和实践能力,做好演示实验或分组实验就显得尤为重要,原人教版中的实验过程是:在两支试管中各放入一小片铜片,分别加入少量浓硝酸或稀硝酸,立即用带导管的胶塞塞住试管口,并将导管插入盛有氢氧化钠溶液的试管中,观察现象。此实验虽然操作比较简单,但笔者认为仍有不足之处,可做如下改进。

一、铜与浓硝酸的反应的改进

1.实验改进的原因

A.铜与浓硝酸反应时,导气管直接插入氢氧化钠溶液中,会发生倒吸现象。

B.观察到现象后,反应不能及时停止,只能等铜片或浓硝酸反应完,造成药品的浪费。

C.反应过快, NO2有外逸污染空气的可能。

2.改进后的实验

实验步骤与现象:在W管一端加入1mL的氢氧化钠溶液,另一端加入1mL的浓硝酸并用插有铜丝的橡皮塞塞紧,将铜丝浸入浓硝酸中,反应开始,可见铜丝表面快速产生气泡,溶液颜色渐变为蓝绿色,W管中出现红棕色气体。观察现象后,将铜丝向上拔与浓硝酸脱离接触,反应即停止。

3.改进后的优点

A.装置微型化,操作方便,现象明显。

B.反应可控,药品用量少。

C.装置安全、可靠,不产生倒吸,无污染。

二、铜与稀硝酸反应的改进

1.实验改进的原因

A.Cu与稀HNO3反应时,试管中存在的空气把NO氧化为红棕色的NO2而观察不到无色的NO气体。

B.Cu与稀HNO3反应生成NO气体,不能直接被NaOH溶液吸收而造成空气污染。

2.改进后的实验

为了解决上述问题,笔者采用注射器来做这个实验,效果很好。

①实验步骤与现象:先拔出活塞把铜片放入注射器内,然后把活塞向内压,赶走针筒内的空气。抽取一定量的稀硝酸,并用橡皮堵住针头。待反应开始,随着气体的产生,活塞自动向外移动,能清楚的看到无色的NO气体。待铜片反应完,把橡皮去掉,抽取一定量的空气,又能明显的看到有红棕色的NO2生成。反应结束后,把注射器里的气体和液体全部压入氢氧化钠溶液中,不污染空气。

但是,在铜片质量差不多的情况下,每次实验产生的气体量、反应时间都相差很大,而实验需要有明显的现象和时间的限制,于是笔者就对反应的条件进行了探究。

②实验适宜条件的选择

通过实验得知,铜与7mol/L的硝酸反应,所得气体明显呈红棕色,而与6 mol/L及以下的硝酸反应可以得到无色的NO气体,所以我找出影响实验的几个因素,采用10mL注射器进行如下实验:

上述反应在水浴加热的条件下,反应速率加快。而探究铜与稀硝酸反应的产物,在学习、分析完铜与浓硝酸反应之后,时间大约需要5、6分钟,那么根据反应容器的容积、产生气体的体积以及反应所需的时间,得出结论:以10mL注射器为反应容器,用大约0.047g铜片、1mL稀硝酸反应,产生的气体量比较合适,如果室温较低(低与25℃)或采用浓度小一点的硝酸,就需用温水浴稍加热以加快反应速率。

③反应异常现象分析

在实验中发现一个异常现象,如上述前9个实验,铜片的质量相差非常小,并且在实验中都完全反应,但所用硝酸的体积不同,产生的气体量都比理论值少且相差很大,硝酸体积越大反而产生气体越少,什么原因造成这样的现象呢?是不是溶液中存在溶解氧的原因,酸体积越大,溶解氧越多,消耗的一氧化氮越多,得到的气体量就越少呢?通过查阅资料得之,氧气在水和酸中的溶解度都很小,溶解氧的存在不会对结果造成这么大的影响。我用了加热沸腾过的蒸馏水来配制稀硝酸,实验结果同上,说明溶解氧不是造成这个异常的主要原因。又仔细观察用约0.047克铜与1mL硝酸反应的实验现象,发现前几分钟反应还是挺快的,但是气体体积没有明显增加,等到反应后期气体体积迅速增大。推测NO虽然微溶于水,可能在硝酸中的溶解度较大才造成这样的现象,于是先用注射器制取了几毫升的NO,然后吸入3毫升的稀硝酸,震荡、放置,观察到气体几乎完全被吸收。原来这个所谓的异常现象是NO易溶于硝酸的结果,找到原因对于该实验有指导意义,要得到适量的气体不仅②中所给的条件可以,也可以用更少的铜片和更少的硝酸来制取。

3.改进后的优点

A.反应在缺氧条件下进行,使同学们观察到了NO的“庐山真面目”——无色气体;

B.装置微型化,操作方便,现象明显;

C.实验中没有向空气中排放有毒气体,避免了空气受到污染;

D.可以让学生探究产生的无色气体是否为NO,怎样验证,从而激起学生强烈的学习欲望。

以上两个实验的改进有利于利用有限资源实现人人动手实验,强化动手能力的训练,有利于学生“在实验中探究,在探究中学习”、“在实验中学习化学,在实验中理解化学”,有利于激发学生学习兴趣、培养创新思维,全面提高学生科学素质,强化化学实验教学中的素质教育和创新教育。由于以上两个实验既安全又节约,教师可以放心地让学生一人一组做实验,通过动手做实验,可以帮助学生理解和形成化学概念,培养观察和实验能力,有效地激发了学生学习化学的兴趣。能有利于培养学生既动脑又动手、理论联系实际和解决实际问题的能力;有利于培养学生关心自然、关心社会的情感和创新精神;有利于向学生传播绿色化学的观点,帮助学生学会减量、减废、回收等防治污染的重要方法,养成节约的良好习惯,树立绿色化学的观念,能改善实验室环境,有益于师生的健康。

总之,两个实验的改进全面贯彻了绿色化学的思想,又有效实现了尽可能小剂量实验、省资源、少污染、降成本,还增强了学生的环境保护意识和探究精神,效果良好。

【主要参考文献】

[1] 《中学化学教学技术指导》 张长江 上海教育出版社

[2] 《中学化学实验研究导论》 吴俊明江苏教育出版社

[3]《化学教学》化学活动课及微型化学实验设计与实践民主建设出版社

[4] 《中学化学创新实验》 王祖浩 王程杰广西教育出版社