基于智能手机的铜和硝酸反应实验过程可视化设计

刘江 赵宁东 刘俊 徐怀春

摘要： 以铜和浓（稀）硝酸反应为例，用医用注射器、三通旋塞等对实验进行微量化改进。通过智能手机拍摄结合希沃授课助手将实验过程实时传输大屏幕，得到放大的画面，有利于学生对实验现象的观察。改进后的实验能完成铜与浓（稀）硝酸反应性质的验证，药品用量少、现象明显、材料易得，适合教师在演示实验教学中使用。

关键词： 铜与浓（稀）硝酸反应; 微量化演示实验; 智能手机

文章编号： 10056629（2020）06007203  中图分类号： G633.8  文献标识码： B

化学是实验与理论并重的自然科学。在化学实验教学中通过师生动手操作，认真观察实验现象，引导学生分析现象与本质，促进学生掌握知识、培养学生的创新精神和实践能力。在实验教学中往往存在实验装置繁琐、安装时间长，且现象不明显、实验药品用量多、废弃物难以处理、有毒有害物质直接排放、实验成功率低等问题。

铜和浓（稀）硝酸反应是苏教版高中《化学1》“硝酸的性质”[1]中的重要内容，教材中的实验装置是用具支试管与分液漏斗组合，将产生的气体通入倒置于充满水的集气瓶中，观察实验现象。水槽较重，具支试管与分液漏斗的固定和操作不够方便，更不能手持装置走到学生中间让学生近距离观察，而在讲台上演示时会使部分学生看得不够清楚;将产生的气体通入倒置于充满水的集气瓶，容易使生成的有毒气体直接排放到空气中污染环境，且实验试剂用量偏多。许多高中教师对铜和浓（稀）硝酸反应的实验进行了很多研究和改进，但依然存在许多问题没有解决[2，3]。本文用医用注射器、医用三通旋塞等，把铜和浓（稀）硝酸反应设计成微量化实验，用手机拍摄并结合“希沃授课助手”以直播的形式将实验现象实时传输到大屏幕（电脑）上，学生通过大屏幕（电脑）观察，解决了实验试剂用量大，有毒、有害物质逸散排放，实验现象不易观察等问题。该设计实验装置组装简单，易操作，能用于固液、液液、气液等反应的实验。

1 实验

1.1 药品和材料

浓硝酸（分析纯）、氢氧化钠（分析纯）、废铜导线;铁架台（带固定夹）、天平、输液软管、不同规格的注射器（1mL 1个，20mL 3个，150mL 1个）、医用三通旋塞、智能手机、笔记本电脑（希沃授课一体机）、手机三角支架、VGA线

1.2 实验装置和操作

按图1所示连接医用三通旋塞。1号接口与装有1g打磨过的废铜导线容积为20mL的注射器相接，活塞与底部留0.5cm间隙（注射器编号与对应接口编号相同）;2号接口与装有1mL浓硝酸容积为1mL的注射器相接;3号接口与容积为150mL的注射器相接，用于收集产生的气体;4号接口与装有水容积为20mL的注射器相接;5号口与输液软管相接，并将其插入4mol/L氢氧化钠溶液中，如图2所示。实验时空气和水的用量可按需旋转各旋塞补加。

使用VGA线将笔记本电脑与投影仪视频接口连接起来，并设置投影仪的信号源为电脑，选择合适的电脑屏幕分辨率以便输出的画面达到最佳效果，有条件也可以直接使用“希沃授课一体机”，直接进入下一步操作。通过手机和电脑下载安装最新版的“希沃授课助手”，将手机和笔记本电脑接入同一个无线局域网，或者电脑上运行“希沃授课助手”。点击“启动热点”使笔记本电脑发射出一个WiFi信号，手机打开WLAN接入电脑发射出的WiFi，两者连接建立数据通讯。将手机用手机三角支架固定在桌面上，运行手机上的“希沃授课助手”，点击“移动展台”菜单，选择“直播”模式，点击开始。调整清晰度、手机支架的高度以及与反应装置间的距离至手机（电脑）屏幕出现清晰的画面为止。

旋转旋塞A使1号和2号接口相通，将1mL浓硝酸注入装有铜丝的注射器，迅速旋转旋塞A和B使1号和3号接口相通，用3号注射器收集反应产生的气体。同时把2号注射器替换为装有一定量的空气的注射器，待反应进行约30s后旋转旋塞B和C，使3号和4号接口相通，向3号注射器注入约5mL水，轻轻摇动装置使注射器内的气体与水充分反应，观察现象。注射器内颜色变为无色时注入一定量空气氧化NO2与水反应产生的NO气体，重复注入空气2～3次至注入空气注射器内颜色不再变化为止，确保NO全部氧化为NO2，且与水充分反应。调整活塞将3号注射器内溶液注入1号注射器，进行验证稀硝酸与铜反应的性质实验，用1号注射器收集产生的无色气体。同时调整旋塞B和C将3号注射器内剩余的气体经输液软管排出。约2min后旋转旋塞A和B向3号注射器内注入一定量的空气，同时旋转旋塞将1号注射器内的气体注入3号注射器观察现象。旋转相应的活塞重复NO2与水反应及注入空气氧化NO的操作。做完实验从5号口吸入4mol/L NaOH溶液吸收残留的氮氧化物，未反应完的铜丝再次回收利用。

2 实验结果及分析

该实验涉及的相关反应为：

通过实验观察可得： 向装有打磨过的废铜导线的注射器注入濃硝酸，立即产生大量红棕色的气体（反应①），注射器活塞向外移动，随着反应的进行，注射器活塞向外移动的速度变慢，同时溶液变成了绿色。向收集气体的注射器注入少量水，轻轻摇动装置可以观察到： 收集气体的注射器活塞缓慢向内移动，注射器内红棕色渐渐变浅最后变成无色（反应③），说明NO2易与水反应;向注射器内注入空气后颜色又变为红棕色（反应④），反复注入空气过程中颜色一次比一次浅，直至最后注入空气无明显变化，说明NO容易被空气中的O2氧化为NO2。向1号注射器注入NO2与水反应的溶液，有无色的气体产生（反应②），此时注射器活塞向外移动的速度相比铜与浓硝酸反应要慢得多，溶液为浅蓝色;向装有NO的注射器注入一定量的空气后，无色气体变为红棕色。

改进后的实验装置简单，操作方便，更换试剂简单，实现铜与浓（稀）硝酸反应微量实验的一体化，在密闭体系内完成NO2和NO气体的制备及性质的检验，可以对实验进行有效控制。在实验过程中，整套装置始终处于密封状态，实验过程无有毒有害气体排出，实验现象非常明显，便于观察，成功率高，可在平行班级进行多次演示。通过“无线投屏”的方式，将实验画面放大，让学生观察到整个实验过程及气泡产生的速率，溶液颜色的变化等现象也清晰可见。

用这套装置还可以制取NO2并验证NO2和N2O4的平衡转化受温度、压强的影响。学生可以观察到NO2的制备过程，消除《化学反应原理》教材中双链球中盛放的是否是NO2的疑问，并且证明了NO2和N2O4之间的平衡转化确实受温度、压强的影响。

注意事项： 实验前要弄清楚医用三通旋塞的旋塞所在位置与接口的相通关系;用于收集气体的注射器容积要大，必要时可以用手轻轻拉着3号注射器活塞向外移，避免1号注射器活塞因注射器内压强过大造成有毒气体泄漏;实验时浓硝酸量不能太多，铜丝须稍微过量。

3 结语

用注射器、医用三通旋塞、输液管等易得材料，只需通过简单的调整组装就能用于固液、液液、气液等反应。如用稀盐酸与大理石反应制取CO2，用一个较大的注射器收集，将CO2分别注入装有喷洒过石蕊试剂未干燥小花、喷洒过石蕊试剂干燥的小花，以及滴有酚酞试剂的碱性溶液就可以完成CO2性质的部分实验，并且实验室教师可以借助“希沃授课助手”以直播的形式展示实验现象，也可以手持实验装置直接走到学生面前，让学生近距离观察现象;进行固液反应实验时只需在装有两种试剂的注射器间连接一个合适的“过滤器”就可通过注入和吸出液体试剂，控制反应的开始与停止;也能用于电石与水反应制取乙炔实验中，将乙炔气体通入酸性高锰酸钾溶液、溴的四氯化碳溶液可完成乙炔性质的验证;在密闭体系内用浓盐酸和高锰酸钾反应制取少量氯气并验证氯气的性质;也可以在课前制取所需的气体收集在注射器内，方便课堂上直接使用。

智能手机拍摄结合“希沃授课助手”投屏到大屏幕（电脑）放大的方法实现了“小器材、少试剂、大现象”的演示效果，还可以用于具有危险性的微量化学实验的演示，如把手机与手机微距镜头简单的组合，通过“投屏”放大的方式可以演示金属钠从切开后在空气中表面的变化到与水反应过程的细节现象;也可以用于金属镁、锌、铁与盐酸反应现象的观察，这样不仅能观察到反应的剧烈程度（气泡产生的速率），还能了解更为丰富、细致、直观的信息。在化学实验演示教学中合理地使用智能手机进行教学能解决一些实验的安全问题，增强实验效果，不仅可以激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性，还能启发学生作深入思考。在实践中增强他们的安全意识，贯彻落实绿色化学的理念，逐步形成节约原料、节省能源、保護环境等观念，树立“科学态度与社会责任”意识。

参考文献：

[1] 王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书？化学1（第6版）[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2015： 100～103.

[2] 颜冬微， 吴双桃， 刘艺等. 铜与浓、 稀硝酸反应的微量实验设计[J]. 化学教学， 2017， （2）： 63～65.

[3] 王玉芬. 在注射器中进行铜和硝酸反应实验[J]. 化学教学， 2013， （7）： 41～42.