“铜铝-浓硝酸原电池装置”的新设计

王雪瑞+刘松伟

摘要：铜铝-浓硝酸原电池是揭示原电池实质的重要案例，但由于实验存在污染问题，因此课堂上大多采用只分析原理，不做实验的“纸上谈兵”方式。为解决实验中NO2的污染问题，对原电池的实验装置进行了设计与改进，改进后的实验现象明显，操作简单可控，安全环保。

关键词：原电池；浓硝酸；气体污染；实验装置改进

文章编号：1005–6629（2015）4–0055–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

铜铝-浓硝酸原电池中反应复杂，正、负极随反应进行可以发生转变，作为典型的实验案例，既关联了重要物质的化学性质，又揭示了原电池的反应实质，有利于学生深刻理解原电池与氧化还原反应的内在关系。但利用普通敞口实验装置（见图1）进行该实验[1]时，会产生大量的NO2气体，造成严重的环境污染，不适合课堂演示。

2 实验装置改进

鉴于铜铝-浓硝酸原电池实验有利于学生通过直观感受认识原电池的构成和电极反应，具有促进形成深刻理解的教学价值，笔者对上述实验装置进行了改进研究，提出了两种改进方案，使实验现象明显、简单易行，并消除了环境污染。

2.1 实验装置改进方案一

2.1.1 实验用品

球形干燥管一个，橡皮管一段，铝、铜电极各一个（长9cm，宽0.8cm），导线两根，50μA灵敏电流计一个，塑料盒一个（长8cm，宽5cm，高7.5cm），带孔塑料盖一个（长8cm，宽5cm），100mL烧杯一个，65%浓硝酸，30%氢氧化钠溶液。

2.1.2 实验装置

电极槽的制作：取一长方体塑料盒作为反应槽，按照塑料盒开口的大小制作一个塑料盖，在塑料盖的正中心位置和一角处各打一圆形小孔，孔的大小使橡皮管刚好插入又不漏气为宜。中心圆孔的两侧打出两个长方形小洞，洞的大小使片状铜铝电极刚好插入且可上下移动为宜，长约1cm（见图2）。

2.1.3 实验操作方法及现象

分别剪长9cm，宽0.8cm的铝片和铜片做电极，将电极弯成L形，使一边长度与盒的高度一致，依图3（Ⅰ）连接实验装置。将塑料盖一角的圆孔先用胶带封上，连有干燥管的橡胶管插入中间圆孔中。25℃下[2]，向塑料盒中加入5mL的浓HNO3，烧杯中加入50mL 30%的NaOH溶液，将铜铝两电极悬挂在浓硝酸上部，把塑料盖与塑料盒连接处的缝隙用胶带封上，做成密闭反应器。

将两电极连上灵敏电流表，并将两电极插入浓HNO3中。电流表指针先向右偏转，约7s后向左偏转（如果实验长时间进行，约31min还能看到电流表指针又向右偏转），塑料盒中产生大量红棕色气体，溶液变成绿色。

将两电极拉起脱离浓HNO3，实验停止。将一角处圆孔上的胶带除去，用洗耳球向塑料盒内鼓气，将盒内产生的NO2气体赶到烧杯中与NaOH溶液反应，以处理掉尾气。

2.1.4 实验改进后的优点

（1）改进后装置密闭性较好，并具有尾气吸收功能，避免了反应生成的有毒气体NO2对环境造成污染。

（2）两电极可上下抽动，使反应随时开始或停止。

（3）用倒立的干燥管做尾气吸收装置，简单安全。

2.2 实验装置改进方案二

改进后的图3装置有效解决了环境污染问题，但实验装置还相对比较复杂，且由于NO2密度较大，不易自行向尾气处理装置中转移，需要用洗耳球向盒内多次鼓气才能将其全部转入碱液中除去。因此笔者又对装置做了进一步的改进。

2.2.1 实验用品

橡皮管一段，铝、铜电极各一个（长9cm，宽0.8cm），导线两根，50μA灵敏电流计一个，塑料盒一个（长8cm，宽5cm，高7.5cm），带孔塑料盖一个（长8cm，宽5cm），20mL烧杯一个，棉花，塑料滴管，65%浓HNO3，30% NaOH溶液。

2.2.2 实验装置

电极槽的制作：塑料盒盖的制作与图2装置大体相同。不同的是右上角不需打孔，只需要在塑料盖的正中心位置打一个小孔，孔的大小使塑料滴管（塑料滴管的下半部分已剪掉）刚好插入又不漏气为宜（见图4）。

2.2.3 实验操作方法及现象

铜、铝电极的制作同上述改进方案一，将20mL小烧杯放入塑料盒中部，滴管（塑料滴管的头部已剪去，并塞入一团棉花）插入塑料盖的圆孔上，依图5（Ⅰ）连接实验装置。25℃下[3]，向小烧杯中加入5mL 65%浓HNO3，塑料盒中加入50mL 30%的NaOH溶液，滴管上部的棉花上滴入30%的NaOH溶液。将两电极悬挂在浓硝酸上部，连上电流表，塑料盖与塑料盒的连接处的缝隙用胶带封上，做成相对密闭的反应器。

将两电极插入浓硝酸中，将看到电流表指针先向右偏转，约15s后再向左偏转，烧杯中产生大量红棕色气体，烧杯内溶液变成绿色。将两电极拉起脱离浓硝酸，实验停止，红色气体慢慢消失。

2.2.4 实验改进后的优点

（1）利用一次性塑料滴管和浸有氢氧化钠溶液的棉花吸收尾气，使实验装置更加简易。

（2）尾气处理不需要用洗耳球鼓入空气而很快自行吸收，减少了有毒气体的逸出。

3 实验原理及结果分析

实验过程中电流表指针先向右偏转，说明起初由于铝比铜活泼，铝片做负极，电极反应式如下：

4 实验注意事项

（1）由于实验中产生气体NO2，为防止气体从塑料盖与塑料盒连接的缝隙处逸出，应在放入药品后，将塑料盖与塑料盒的连接处用胶带封上，做成相对密闭的反应器。

（2）实验装置改进二中的小烧杯不要太高，要低于塑料盒的高度以便产生的NO2气体向塑料盒中扩散，利于尾气吸收处理。

（3）反应器所用的方形塑料盒也可以根据实验室条件换成其他材质和形状（保证材质不能与浓、稀硝酸或浓氢氧化钠反应）的反应容器，只要做出一个相应形状的盒盖即可。

参考文献：

[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：39～44.

[2][3]王继璋，李高辉，霍玉坚.探究铁和铝在浓硫酸和浓硝酸中的电化学行为[J].化学教育，2011，（7）：52～53.