“铜与稀硝酸反应”一体化实验设计

2020-10-26李德前魏海张羿

化学教学 2020年9期

李德前魏海张羿

摘要：对中学化学教科书上编排的“铜与稀硝酸反应”实验进行了改进，集一氧化氮的制取、氧化、二氧化氮溶于水、尾气与废液的处理等实验于一体。新设计的实验装置具有功能集成、反应可控、现象直观、过程环保等优点。将此实验用于教学实践对发展学生的核心素养，提升实验教学的有效性具有重要作用。

关键词：铜与稀硝酸反应; 实验改进; 实验一体化设计

文章编号：1005-6629（2020）09-0070-03

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

针对铜与稀硝酸反应的实验，不少化学教育工作者对其进行了改进和优化。受已有文献的启发[1～4]，我们借助塑料瓶、医用三通阀、医用1mL注射器等替代品设计实验新装置，使碳酸钙与稀硝酸、铜与稀硝酸、一氧化氮与氧气、二氧化氮与水等反应易于控制、装置一体化，实验过程对环境几乎没有污染。

1 实验用品

1个150mL塑料瓶（含配套的三孔橡皮塞）、2个1mL注射器（其结构见图1）、医用三通阀（其结構见图2）、2个20mL注射器、塑料小药瓶（在其中下部的表面扎一些小孔）、玻璃导管、透明硅胶管等;5mol/L的稀硝酸、细铜丝、大理石（或碳酸钙）、氧气、蒸馏水（迅速冷却的）、氢氧化钠溶液等

2 实验装置

新设计的一体化装置见图3（夹持装置略）。

3 实验步骤

3.1 组装实验装置

（1）找两个1mL注射器，在其中一个注射器的活塞上固定长约10cm的铜丝，在另一个注射器的活塞上连接一个有孔小塑料瓶（内装大理石或碳酸钙）;再找两个20mL注射器，暂时不要在针筒里装入药品。

（2）找一个150mL的塑料瓶，注入140mL 5mol/L稀硝酸;取一个与塑料瓶口径相配套的橡皮塞，在橡皮塞上均匀地打出三个孔，其中一个孔与导气管的外径相匹配，另外两个孔与1mL注射器的针筒直径相匹配。

（3）找一个医用三通阀，在其三个管口上分别套上一小段硅胶管（用于连接其他仪器）。

（4）按图3所示，连接整个实验装置。

3.2 检查装置气密性

（1）旋转三通阀的控制阀，使其保持三通状态（此时a与b、 a与c、 b与c均是相通的）。

（2）推拉注射器③的活塞，如果注射器④的活塞随之而动，则装置的气密性良好;然后从三通阀上轻轻取下注射器③、 ④。

（3）如果装置漏气，需要找出漏气部位，然后更换仪器或采取密封措施，再次检查装置的气密性。

3.3 制取一氧化氮气体

（1）缓缓下推注射器②的芯杆，使有孔小塑料瓶浸入稀硝酸中（见图4），碳酸钙与稀硝酸立即反应产生二氧化碳气体[有关反应的化学方程式是CaCO3+2HNO3Ca（NO3）2+H2O+CO2↑]。1～2分钟后，用燃着的木条靠近三通阀的c管口（因为二氧化碳气体密度比空气大，其不会从三通阀的b管口逸出），如果木条的火焰熄灭，则说明装置内的空气已完全排出。此时再轻轻提起注射器②的芯杆，使碳酸钙与稀硝酸反应停止。

（2）轻轻挤压塑料瓶，使装置内残留的二氧化碳气体最大限度地被排出，然后调节三通阀的控制阀以关闭a导管（此时b、 c导管保持相通）。

（3）用注射器③抽取5mL氧气（确保针筒内没有残留空气），并将其接到三通阀的b管口;用注射器④抽取5mL刚冷却的蒸馏水（确保针筒内没有残留空气），并将其接到三通阀的c管口（见图3，下同）。

（4）轻轻下推注射器①的芯杆，使铜丝浸入稀硝酸中，铜与稀硝酸立即发生反应[有关反应的化学方程式是3Cu+8HNO33Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O]，放出的一氧化氮气体使塑料瓶逐渐鼓起;当塑料瓶刚好恢复至原状时，立即调节三通阀的控制阀，仅使导管a、 c形成通路（此时b导管处于关闭状态），这样一氧化氮气体就源源不断地进入注射器④的针筒里;此时可以观察到，塑料瓶里铜丝周围的溶液逐渐变为蓝色，注射器④针筒里的一氧化氮气体始终是无色的。

（5）当注射器④的针筒里收集到10mL一氧化氮时，轻轻提起注射器①的芯杆，使铜丝离开稀硝酸，铜与稀硝酸反应立即停止。

3.4 一氧化氮与氧气反应

（1）调节三通阀的控制阀，仅使b、 c导管连通（此时a导管处于关闭状态）。

（2）稍稍用力上提注射器③的芯杆，注射器④中的一氧化氮气体就会被吸入注射器③的针筒里;由于注射器③的针筒里盛有5mL氧气，因而10mL一氧化氮气体进入注射器③中恰好完全反应（有关的化学方程式是2NO+O22NO2）;此时观察到，注射器③中的气体变为红棕色、活塞在10mL刻度处。

3.5 二氧化氮与水反应

（1）继续缓缓上提注射器③的芯杆，注射器④中的蒸馏水也被吸入注射器③中，当5mL蒸馏水被全部吸入注射器③的针筒里（此时活塞位于15mL刻度处），立即关闭三通阀的b导管（此时a、 c导管保持相通）。

（2）轻轻晃动注射器③（有关反应的化学方程式是3NO2+H2O2HNO3+NO），可以观察到红棕色气体的颜色逐渐变浅，注射器针筒内混合物的总体积逐渐变小，最终注射器针筒内得到无色溶液（硝酸溶液）和无色气体（一氧化氮），注射器活塞最终位于大约8mL刻度处[5]。

3.6 处理尾气和废液

（1）取下注射器③，并使吸入口向上（以防针筒内溶液流出），拉动芯杆吸入空气，残留的一氧化氮气体又转化为二氧化氮气体;最后将该注射器针筒里的残留物全部推入足量的氢氧化钠溶液中（有关反应的化学方程式是HNO3+NaOHNaNO3+H2O及2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O）。

（2）轻轻挤压塑料瓶，将装置内残留的一氧化氮气体全部排入注射器④的针筒里，然后关闭三通阀的a导管（此时导管b、 c保持相通）;立即拉动注射器④的芯杆，吸入空气，残留的一氧化氮气体转化为二氧化氮气体;再取下注射器④，将其中的气体全部推入足量的氢氧化钠溶液里（有关反应的化学方程式是2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O）。

（3）将上述两步所得混合废液用稀醋酸调成中性，然后回收利用（如用作氮肥，浇灌校园内花草树木）。

（4）拔掉塑料瓶口上的橡皮塞，向瓶内混合液（溶质是硝酸、硝酸铜、硝酸钙）中加入适量的碱式碳酸铜粉末[6][有关反应的化学方程式是Cu2（OH）2CO3+4HNO32Cu（NO3）2+3H2O+CO2↑]，既降低了溶液的酸性，又便于回收利用（如作為铜盐溶液，进行有关金属活动性的实验）。

（5）实验结束，整理实验用品、清洗实验仪器。

4 两点说明

（1） 1mL注射器的活塞与针筒内壁之间的静摩擦力约为7N[7]，由于活塞下端悬挂物的重量以及塑料瓶内气压作用在活塞上所产生的压力都远远小于7N，所以实验过程中注射器芯杆及其活塞绝不会自行下落或上升（仅可以通过手动调节）。

（2）建议使用全新的医用一次性注射器及医用三通阀（价格极低），如果是医疗废弃物必须经消毒处理后才能使用。

5 实验优点

（1）在全封闭的实验体系中连续演示铜与稀硝酸反应、一氧化氮氧化、二氧化氮溶于水等实验，使化学反应一体化、实验操作程序化、装置功能集成化。

（2）碳酸钙与稀硝酸的反应、铜与稀硝酸的反应通过1mL注射器控制，深化了对启普发生器原理的认识，增强了实验的趣味性;实验装置设计新颖，拓展了学生的视野，培养了学生的创新精神[8]。

（3）实验过程中想方设法控制有害气体的逸出，实验结束时对实验尾气和废液及时回收处理，不仅增强了学生的环境意识与资源意识，而且提高了学生抵御科学风险的能力。

（4）在一氧化氮、二氧化氮的性质实验中引导学生观察注射器活塞所处的刻度（实验数据），不仅强化了氮氧化物的性质学习，而且培养了学生的定量意识。

总之，上述改进实验的装置稳定、操作连贯、反应可控、现象直观，是良好的实验教学素材，有利于提高学生的探究能力和创新意识，培养学生的科学精神和社会责任感。