基于传感器探究实验室制备NO的条件

2021-08-19戈益超朱成东刘帅东

化学教学 2021年7期

戈益超朱成东刘帅东

摘要：针对人教版（2019）必修（第二册）教材中关于铜与稀硝酸反应实验的不足进行了实验的改进探究。借助双排管、温度传感器和压强传感器等仪器，采用半值法探究制备NO的硝酸浓度;结合恒温水箱探究该反应的合适温度。实验结果发现，制备NO的硝酸浓度一般不超过4.4mol·L-1，反应温度宜控制在20℃或以下，反应时间一般在10～20分钟内。

关键词：制备NO; 硝酸; 半值法; 数字传感器; 实验探究

文章编号： 10056629（2021）07005704

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

人教版（2019）必修（第二册）教材中关于铜与浓、稀硝酸反应时由于未给出稀硝酸浓度的具体限定，往往存在硝酸浓度过低，反应速率过慢，不利于演示实验;若为了加快反应速率，选择浓度较大的硝酸或加热，又往往因为浓度过大或温度过高生成还原产物NO2，以致造成实验失败等现象。如何在较短时间内制得NO，且不会出现NO2干扰实验呢？针对上述困惑，经过查阅大量文献，发现虽然大多数化学工作者对NO的制备进行了有效探究，但通常是围绕如何改进实验装置，使该反应连续化或者一体化[1～3]，或者改进实验是为了达到较环保或绿色化等[4～6]。很少有文献涉及硝酸浓度的定量讨论，以及如何避免反应过程中出现NO2的干扰。针对上述问题，本课题组设计了探究实验：选用半值法，结合双排管、温度传感器、压强传感器等仪器来探究制备NO的最佳实验条件。

2 实验研究

2.1 实验用品

仪器和材料：三颈瓶、威尼尔压强传感器、威尼尔温度传感器、电脑、威尼尔数据采集器、双排管、铁架台、抽气泵、恒温水浴锅

药品：硝酸（65%～68%，分析纯）、蒸馏水、铜丝、高纯度氩气

2.2 实验装置

图1 双排管及数字传感器组合探究制备NO条件的实验装置示意图

实验装置见图1。采用双排管把三颈瓶抽成真空，并用氩气作为保护气形成无氧环境;然后再利用压强传感器检测气体压强变化，从而判断产生气体的快慢;同时利用温度传感器检测气体中出现NO2时溶液的温度，为探究合适的硝酸浓度和适宜的反应温度提供技术支持。

2.3 实验步骤和结论

2.3.1 探究硝酸浓度对制备NO的影响

（1）检查装置气密性。向图1所示的三颈瓶中加入10mL指定浓度的稀硝酸，按照图1连接温度传感器（将铜丝较松地环绕在温度传感器不锈钢探头上，后期借助外力分离），在另外两个瓶口处分别塞上带有压强传感器和双排管排气管。

（2）利用双排管把三颈瓶抽成真空，然后充入高纯度氩保护，重复三次，实现无氧环境。

（3）连接电脑和传感器采集器，打开电脑中采集软件，待到数据稳定后，利用连接在温度传感器胶塞上的铁丝把环绕的铜丝拨入到硝酸中，使之充分反应。

（4）点击数据采集器，观察实验现象，至出现NO2气体时停止数据采集，并记录相关数据。

（5）選取不同浓度硝酸重复上述实验，并记录每组数据。

借助物理学上测定电阻的方法——半值法来选择不同浓度硝酸进行实验。参照严宣申《普通无机化学》（第二版）中铜与硝酸反应在硝酸浓度为6～8mol·L-1时还原产物以NO为主[7]。故第1组实验选择硝酸（65%～68%）浓度的一半约7mol·L-1进行实验，若很快有NO2产生，则第2组选择第1组浓度的一半，若较长时间无NO2产生，则第3组选择第1、 2组浓度之和的一半，依次类推。实验过程中当观察到有NO2气体出现时停止数据采集，再通过容器内压强变化和时间的比值得出制备NO硝酸的合理浓度。其中当出现NO2气体的时间相近时，压强变化和时间的比值越大，说明气体产生速率越快，越有利于制备NO，此硝酸的浓度即为实验最佳值。

基于不同浓度硝酸的实验现象以及实验数据的可比性，设计并完成了5组实验，数据汇总见表1。

通过上述实验数据的分析，若硝酸浓度过大，极易产生NO2，不利于实验室制备NO;若浓度过低，虽然不易产生NO2，但是产生NO的速率偏慢，也不利于实验室制备NO。其中4.4mol·L-1硝酸与铜丝反应时，不仅NO2产生较慢，而且此时容器中压强变化和时间的比值相对较大，说明产生NO速率相对较快，从而有利于实验室制备NO。综上各项数据，建议选择浓度为4.4mol·L-1的HNO3更适合实验室制备NO。

2.3.2 探究温度对制备NO的影响

随着硝酸浓度逐渐减小，理论上产生的气体应该主要是NO，为什么一段时间后2、 3、 4、 5组依然会出现NO2呢？查阅资料可知，铜和稀硝酸反应属于放热反应[8]，再结合硝酸受热易分解的性质，推测是不是由于反应放热导致溶液温度升高从而引起硝酸分解产生NO2呢？为了进一步探究温度对反应的影响，课题组在探究不同浓度稀硝酸反应时，也采用温度传感器对反应溶液温度变化进行测定，所得数据见表2。

依据硝酸浓度越大、温度越高越易分解的特征[9]。结合上述实验，硝酸浓度选择5.3mol·L-1，又因为上述实验中出现NO2时的温度最高为24.7℃，再者室内温度偶尔也有高于25℃情况，但很少能达到35℃，所以选择了水浴温度为30℃、 35℃继续进行实验探究。

实验6 探究HNO3在特定温度下受热分解

实验步骤：向三颈瓶中加入10.0mL 5.3mol·L-1 HNO3，排尽空气，塞上塞子密闭，分别放到水温为30℃、 35℃水浴锅中，观察实验现象。

现象及小结：在30℃、 35℃水浴锅中分别加热了15分钟，三颈瓶中依然为无色。说明铜丝和硝酸反应中产生NO2的原因不是反应放热造成硝酸分解所致。

究竟是什么原因造成铜与稀硝酸反应产生NO2呢？结合文献分析，硝酸还原产物与温度有一定的关系，其中温度升高造成硝酸与铜反应速率加快，那么硝酸第一步还原产物NO2没有被及时还原，从而导致局部区域NO2过饱和释放出去，造成NO中混有NO2[10]。究竟是不是此原因呢？为了进一步探究本质，继续进行实验。

实验7 探究硝酸与铜反应产生NO2的时间与温度的关系

由于硝酸浓度越大还原产物出现NO2的可能性越大，温度越高越易导致硝酸分解。本实验选择极端交叉实验方案，即上述实验方案中硝酸浓度最低（3.5mol·L-1）和反应温度最高（35℃）进行实验，记录出现NO2的时间并与实验2进行比较。

实验步骤：向三颈瓶中加入10.0mL 3.5mol·L-1 HNO3和铜丝，按照上述实验方法排尽装置中的空气，并放在35℃水浴锅中进行反应。观察三颈瓶内出现NO2时对应的时间。

现象及小结： 150s后，三颈瓶中出现红棕色气体（NO2）。对比实验2和实验7出现NO2的时间，可以得出在硝酸和铜丝反应中，温度升高是引起产生NO2的一个重要原因，且温度越高，产生NO2越快。

2.3.3 探究制备NO的最佳条件

根据上述实验现象及结论，如何选择合适的反应温度呢？结合上述实验3和实验4中出现红色的时间和温度变化，再考虑到反应速率不宜太慢，所以选择4.4mol·L-1硝酸和铜丝控制温度为20℃时进行恒温反应。

实验步骤：向三颈瓶中加入10.0mL 4.4mol·L-1 HNO3和铜丝，按照上述实验方法排尽装置中的空气，并放在20℃水浴锅中进行反应。观察三颈瓶内出现NO2时对应的时间。

现象及小结：在500s之后气体产生速率明显加快，且1200s依然保持为无色。故反应温度控制在20℃或以下较合适，且反应时间控制在10～20分钟有利于制备NO。

3 现象解释、结论和建议

3.1 实验现象解释

关于实验过程难以避免出现NO2的原因，查阅文献[11]可知，一般认为硝酸首先被还原为NO2，但是由于硝酸浓度较稀，从而导致反应速率较慢，NO2来不及逸出就进一步被还原为NO，所以稀硝酸还原产物以NO为主。但是由于反应放热，造成反应速率加快，从而短时间内产生较多的NO2，而NO2对硝酸被还原有催化作用，故随着时间推移，还原产物中大量出现NO2，导致实验失败。机理如下：

3.2 探究结论

实验室制备NO的硝酸浓度一般不超过4.4mol·L-1，温度控制在20℃或以下，且实验时间控制在10～20分钟内。

3.3 对本实验的建议

结合上述原理及相关数据，本课题组给出制备NO的建议如下：

（1）在选取铜丝的粗细和长度确定的情况下，反应物的浓度和反应的温度是影响硝酸还原产物种类的重要因素。

（2）建議实验室制备NO所用硝酸浓度不超过4.4mol·L-1，温度控制在20℃或以下且反应时间控制在10～20分钟内。

本实验采用双排管有效地解决了构建无氧环境的难题，激发了学生的学习兴趣;通过探究浓度、温度对反应产物的影响，可促进学生深刻理解半值法和控制单一变量在化学学习中的应用，落实“科学探究与创新意识”的培养。实验探究还说明通过改变反应条件可以有效控制反应向有利于人们所希望的方向发展，体现了化学变化观念。

参考文献：

[1]叶永谦，张贤金，吴新建. 铜与浓、稀硝酸连续反应演示实验的再改进[J]. 化学教学， 2016，（7）： 60～61.

[2]伍强，方瑞光. 铜与硝酸反应实验的一体化设计[J]. 化学教学， 2016，（6）： 60～63.

[3]夏顺生. 铜与硝酸反应的一体化实验创新设计[J]. 实验教学与仪器， 2016，（2）： 39.

[4]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.