铜与浓、稀硝酸反应的微量实验设计

颜冬微+吴双桃+刘艺+黄沔铷

摘要：人教版教材中没有介绍铜与浓、稀硝酸反应的具体实验装置，鲁科版中该实验则存在难以控制反应速率、药品用量大、容易倒吸、不易观察到铜与稀硝酸反应生成NO气体等弊端。采用微量实验一体化的方法，设计了2套微量化实验装置，并从操作便捷性、现象明显性和反应可控性等角度作了比较，最终确定了较优化的实验设计。

关键词：微量化实验；装置设计；铜；浓硝酸；稀硝酸

文章编号：1005–6629（2017）2–0063–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

当今我国中学化学教学实验大多数是教师操作的演示实验。微型实验中由于仪器装置过于微小往往存在明显的弱点，即实验现象的可见度太小、实验操作有异化，这些无疑会影响到学生的观察及实验教学效果。而微量化实验[1]克服了微型实验这些弊端，以微小量的试剂在较常规的仪器装置中进行化学实验，使实验现象依然足够的明显。即在保证了试剂用量少、污染少、省时间、易操作的同时，仍使用常规仪器、装置，达到常规演示实验的可见度。

铜与浓、稀硝酸的反应，是中学化学常用的演示实验。但人教版教材没有涉及到具体实验装置图，鲁教版虽有该实验介绍，但存在无法控制反应速率、药品用量较大、容易倒吸、难以观察到铜与稀硝酸反应生成NO等弊端[2]。基于实现绿色化与渗透环境教育[3]的探索，笔者在对鲁科版教材中该实验进行研究的基础上，实施了微量一体化改进，设计了两套微量化实验装置，从操作便捷性、现象明显性和反应可控性等角度进行比较，最终筛选出最优化的实验设计方案。

1 材料与方法

1.1 改进的初步实验设计方案1

1.1.1 实验用品

（1）仪器：相关仪器一套（见图1）、注射器1支

（2）药品：铜片、浓硝酸（65%～68%）、蒸馏水、氢氧化钠溶液（0.1 mol/L）

1.1.2 实验装置图（操作台及固定装置部分略）

1.1.3 实验步骤

（1）按照图1组装装置，检查装置气密性。

（2）取下注射器，拔出橡皮塞，填装药品。使用注射器吸取一定体积的浓HNO3溶液，在V形管的最底处放置干燥的铜片，在第二个小凹槽处放置蘸有少量蒸馏水的铜片，具支试管内则装有带有尾气处理的2mL 0.1 mol/L NaOH溶液，上端连接带有空气的多用滴管。

（3）推动注射器注射适量的浓HNO3溶液（此时溶液不宜过多，恰好没过V形管最底处的Cu片），反应一段时间后，挤压带有空气的多用滴管可验证NO。

1.2 改进的最终实验设计方案2

1.2.1 实验用品

（1）仪器：相关仪器一套（见图2）、注射器1支

（2）药品：铜片、浓硝酸（65%～68%）、蒸馏水、氢氧化钠溶液（0.1 mol/L）

1.2.2 实验装置图（操作台及固定装置部分略）

1.2.3 实验步骤

（1）按照图2组装装置，检查装置气密性。

（2）取下注射器，拔出橡皮塞，填装药品。使用滴管量取1mL浓HNO3（5～8 mol/L）溶液注入U形管（此时应注意滴加的浓HNO3不能接觸到U形管的有孔内套管中的铜丝），侧泡具支试管A中的铜片浸泡在蒸馏水当中，侧泡具支试管B内则装有2mL 0.1 mol/L NaOH溶液，上端连接带有空气的多用滴管。

（3）铜与浓HNO3反应：推动空的注射器加大U形管左侧压强，此时管内右侧液面上升，从而进入内套管中，与螺旋状铜丝接触，反应10～15s后可通过拉伸注射器，使得铜与浓HNO3的反应停止（在拉伸注射器时要控制力度，不要用力过猛；对反应时间的控制要适当，以减少反应污染）。

（4）铜与稀HNO3反应：在停止铜与浓HNO3的反应30～60s后，生成的红棕色气体进入A管，由于密度大且易溶于水形成稀硝酸，根据2HNO3（浓）-NO2-2/3HNO3（稀）的转化关系，此时A管中的稀硝酸[4]浓度约为1.67～2.67 mol/L，为下一步铜与稀HNO3反应的实验做好了准备。待铜片与稀硝酸反应一段时间后，挤压多用滴管，依据2NO（无色）+O2=2NO2（红棕色），观察B试管上方有无颜色的变化可验证NO。

（5）待整个一体化反应完全停止后，拆下装置，将剩余的硝酸溶液导入NaOH吸收液中。最后，洗涤仪器。

2 结果和讨论

2.1 结果

2.1.1 方案1结果

铜与浓HNO3的反应剧烈，依据Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O，可观察到实验中V形管溶液变为蓝色且有红棕色气泡冒出。生成的NO2气体，由于气体的产生，打破装置内压强的平衡，从而推动管内的浓HNO3溶液瞬间涌到第一个凹槽处甚至是第二个凹槽湿润的铜片上。反应一段时间过后，挤压多用滴管鼓入足量的空气，根据2NO（无色）+O2=2NO2（红棕色），在具支试管上方可观察到有红棕色的变化。虽说有一个无色到红色现象的转变，但无法辨别是NO2溶于水后生成的稀HNO3溶液与Cu反应生成了NO，还是浓HNO3被水稀释后与Cu反应生成了NO。因此，此实验操作方案不可取。

2.1.2 方案2结果

（1）铜与浓硝酸反应

铜丝接触浓硝酸后，表面立即有气泡产生，溶液变浅绿色。该反应迅速，在内套管上方可观察到有红棕色气体产生，现象明显。在密闭的U形管内，通过拉伸或压缩空注射器可自由控制反应时间（压缩注射器促使压强增大进行反应，拉伸注射器使得固液分离使反应停止），减少了有毒气体的生成量，解决了教材中实验反应速率无法控制、有毒气体外逸或倒吸的弊端。

（2）铜与稀硝酸反应

铜与稀硝酸反应实验中，侧泡具支试管A内溶液由无色变为蓝色，同时铜片表面附着有大量气泡。在A和B两试管内均无看到有鲜明的红棕色颜色出现，此时由于试管中充满了气体，无空气的存在，可通过多用滴管鼓入足量空气后，观察到滴管下端处有颜色鲜明的红棕色气体生成，对比验证了铜与稀硝酸反应产物为NO，且进一步证明了NO与O2的反应。

（3）尾气和废液处理

实验结束后，酸、碱废液以及NO2气体直接排放会造成环境污染。为在课堂上开展环境教育，促使学生树立环保意识，采用化学方法对尾气和废液进行处理。废液分别为稀硝酸溶液和稀碱溶液，可混合发生中和反应：HNO3+NaOH=NaNO3+ H2O，并测定溶液pH。实验中产生的尾气主要是NO2，可通过碱液进行吸收处理，其溶液也可采用中和法调节pH。

2.2 讨论

2.2.1 方案1实验不可取的原因

整个装置为全密封，有气体产生则存在一定的危险性，微量一体化装置内存在一定压强，想要通过注射器注射浓HNO3的力度不好控制，加之整个反应的速率无法控制，因此此实验不具有可操作性。

2.2.2 方案2装置优点

（1）鲁科版教材中未对尾气进行处理，易导致有毒气体的泄露，污染大气环境且危害师生的身体健康；铜与浓、稀硝酸的分步实验，步骤繁琐，现象无法同时进行对比，不利于学生的观察与理解，分步实验导致了药品用量消耗过大。本改进实验，利用微量实验一体化装置同时完成铜与浓、稀硝酸反应的两个实验，对比验证了NO的生成；对教材中未涉及到的实验药品用量、药品浓度、反应时间等具体计时以及计算来准确定量，提高了实验的安全性，节省了藥品和减少了污染。

（2）注射器、U形管、内套管组合成简单的具有启普发生器原理的装置，通过注射器的拉伸与压缩可控制反应的停止与进行，操作简便。

（3）微型化实验有利于学生人人动手，在实际操作中提高实验技能，增强学生的“绿色化学”、“环境保护”等意识，进而形成可持续发展观念。

3 结论

为实现绿色化与渗透环境教育，在进行微量实验一体化改进的基础上，通过对方案1和方案2两套微量化实验装置结果的对比和分析，从操作便捷性、现象明显性和反应可控性等角度最后筛选出最优化实验方案2。

参考文献：

[1]李光真.高中化学微量化实验的开发[J].化学教学，2014，（5）：55～57.

[2]潭文生.铜与浓、稀硝酸反应实验的绿色化设计[J].化学教学，2012，（11）：45～46.

[3]翟新民.高中化学实验绿色化的价值与途径[J].中学化学教学参考，2010，（7）：38～40.

[4]罗宿星，伍远辉，孙东来.铜与硝酸反应实验中硝酸浓稀界限的研究[J].实验室科学，2012，15（5）：67～69.