“铜与浓、稀硝酸反应”的微量化实验设计

西华师范大学化学化工学院(637000) 张 贵 蒲 婷 陈 磊 杨春艳

微量化实验是在微型化实验的基础上提出的，微型化实验是在上世纪80年代由美国率先发展起来的，微型化实验是指以微小量的试剂在微型化的实验装置中进行的化学实验，虽然微型化实验凭借其试剂用量少、污染少、反应迅速等优点被广泛使用，但其可见度低及实验仪器需要特殊定制等缺点，使其难以在演示实验以及一些偏远地区学校的学生实验中使用。而微量化实验则是在常规实验装置中进行的实验，不仅能够保证演示实验的可见度，而且实验仪器简单易得，同时也达到了实验试剂用量小、反应快、污染少、易操作等效果，可见微量化实验能在一些方面上克服微型化实验的弊端。因此微量化实验在中学化学实验中的研究及推行十分必要[1]。本文以铜与浓、稀硝酸反应的微量化实验设计为例进行探究。

1 实验来源

铜与硝酸反应是中学化学中的一个重要实验，不仅能够体现硝酸的强氧化性，而且随着硝酸的浓度不同，与金属反应的产物也不同，是落实化学学科核心素养的重要素材。人教版(2019版)高中教材化学必修2“硝酸”一节中实验5～8装置如图1所示，在实验教学过程中存在着以下几处不足。

图1 教材实验装置

1.1 实验不够严谨

反应前试管中的空气未排尽，不仅影响稀硝酸与铜反应产物NO的检验，而且会使学生误认为红棕色的气体NO2是由产生的NO与试管中氧气反应的产物。

1.2 尾气处理不完全

虽然该装置中使用NaOH溶液来吸收尾气，但反应完成后还有少量的有毒气体在试管中无法被吸收，打开活塞会造成空气污染。

针对教材实验的不足，许多一线教师对该反应装置进行了改进。塑料注射器因其材料性能稳定、透明度高、气密性好以及有刻度线等优点在中学化学实验改进中被广泛应用，特别是在微量化实验中其优点能得到很好的体现。魏海老师通过利用双注射器组合，使铜与硝酸的反应更方便、安全、绿色化[2]，蒋海珊老师等人使用塑料泡沫插在注射器吸口处能有效地保证装置气密性[3]。代黎娜老师则将注射器与塑料输液袋结合起来做成铜与硝酸的一体化实验装置，不仅有较强的趣味性还能使产生的气体循环利用[4]。本文则在前人的基础上使用注射器在微量化、绿色化及便于学生操作等方面对铜与硝酸实验进行了再改进。

2 装置的制作

2.1 制作材料

10 mL塑料注射器1个，塑料泡沫块，铜丝。

2.2 制作过程

将铜丝插入塑料泡沫块中，控制其长度使上端留有2 cm左右，下端不插破塑料泡沫，具体如图2所示。

图2 铜丝插在塑料泡沫中

3 实验过程

3.1 铜与浓硝酸反应

图3 排空气

(1)用10 mL注射器吸取2～3 mL刚冷却的蒸馏水，然后使注射器吸口向上，缓缓推动活塞至零刻度，排尽注射器中的空气，如图3所示。

(2)用如图4所示10 mL注射器吸取1 mL的浓硝酸，将插有铜丝的塑料泡沫按铜丝对准注射器吸口的方式插在注射器上，并保持注射器吸口朝下。铜丝与浓硝酸接触立即发生反应，铜丝上迅速冒出气泡，注射器活塞先缓缓向上移，然后速度逐渐加快，注射器针筒内出现大量红棕色气体，溶液由无色逐渐变为蓝绿色，如图5，用手触摸针筒，感觉到发热，该反应的化学方程式为：Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O。待活塞移动至10 mL时，拔掉塑料泡沫块(为防止气体溢出，在水中拔出)，反应立即停止。

图4 铜与浓硝酸反应装置

图5 NO2的产生与收集

(3)将注射器吸口向下，缓缓推动活塞将针筒中的蓝绿色液体(硝酸与硝酸铜混合溶液)排出，用装有NaOH溶液的小烧杯接收[5]，此时注射器中只留下红棕色的NO2气体约9 mL。

3.2 一氧化氮、二氧化氮转化为稀硝酸

(1)如图6所示，将只留有NO2气体的注射器吸口朝下放入装有蒸馏水的烧杯中，可以看到蒸馏水倒吸进入针筒中，活塞缓缓向下移，待针筒中蒸馏水约有1 mL时，迅速将注射器拿出水面，塞上塑料泡沫块，轻轻晃动注射器，观察到红棕色气体消失，活塞缓缓下移至4 mL处。该过程涉及的化学反应方程式为：3NO2+H2O=2HNO3+NO。此时注射器中NO的体积约3 mL，图7可以反映出NO2与NO之间3∶1的数量关系。

图6 NO2与水反应

图7 NO的产生与收集

(2)取下注射器上的塑料泡沫块，将注射器的吸口朝下，向上拉动活塞吸入空气，观察可发现有红棕色气体生成，轻轻晃动注射器，然后红棕色气体消失，多次吸入空气，直至注射器内的气体颜色不再发生变化，此时NO全部转变为硝酸，达到有毒气体零排放。该过程发生的化学反应方程式为：2NO+O2=2NO2，4NO+3O2+2H2O=4HNO3。此时注射器中主要有稀硝酸约1 mL。

(3)将注射器吸口朝上，缓缓向上推动活塞液体恰好至吸口处，将注射器中的空气排尽，注意注射器中不能留有气泡。

3.3 铜与稀硝酸反应

(1)如图8所示，将插有铜丝的塑料泡沫按铜丝对准注射器吸口的方式插在注射器上，并保持注射器吸口向下，铜丝与针筒中的稀硝酸接触发生反应，观察到铜丝上有气泡产生，溶液由无色逐渐变为淡蓝色，活塞缓慢向上移动，有无色气体生成。待反应3 min后约产生了1 mL无色气体，取下插有铜丝的塑料泡沫块停止反应，插上塑料泡沫块防止气体逸出。该过程的化学反应方程式为：3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O；此时注射器中有硝酸铜溶液、水和一氧化氮的混合物(见图9)。

图8 稀硝酸与铜反应

图9 NO的产生与收集

(2)将注射器吸口朝下，取下塑料泡沫块，向上拉动活塞吸取空气，溶液上方的无色气体变为红棕色，再轻轻晃动几下注射器，红棕色气体消失，见图10。该过程发生的化学反应方程式为：2NO+O2=2NO2，4NO+3O2+2H2O=4HNO3。此时注射器中主要有硝酸铜、硝酸、水、空气等混合物。

图10 NO的检验

(3)反应结束，缓缓推动活塞，将注射器中的废液排出，用小烧杯接收，整理实验用品，回收实验废液。

4 实验装置优点

(1)装置简单。该实验装置由废旧注射器和塑料泡沫构成，装置简单易得且不需要对装置进行复杂改进，有利于教师进行实验教学，特别是教学装备条件相对落后的地区或学校可以做到学生人手一套实验装置来进行实验探究。

(2)现象明显。该实验连续地演示了铜与浓硝酸、二氧化氮与水、一氧化氮与氧气、铜与稀硝酸等一系列反应，学生通过注射器能够清晰地观察到生成物颜色、体积等变化，方便学生理解硝酸的性质，复习巩固氮的氧化物相互转化的关系。

(3)绿色环保。该实验最大的优点是资源循环利用，将铜与浓硝酸反应生成的二氧化氮与水反应生成下一步实验需要的稀硝酸，不仅节约了药品，消除了尾气污染，达到了零排放，而且直观地呈现了铜与不同浓度的硝酸反应的现象，更有利于学生理解硝酸的氧化性与其浓度的关系。

(4)实验可控。反应中通过控制铜丝与硝酸的接触，能够简单快速地控制实验的发生与停止。

(5)实验安全。实验使用的药品剂量少，实验风险低，便于学生自主操作。

5 结语

对铜与浓、稀硝酸反应的微量化实验改进中，试剂用量小，仅使用1 mL的浓硝酸就完成了铜与浓、稀硝酸反应的两个实验，且实验现象明显，没有尾气污染，能够作为教师的演示实验，而且该实验仪器易得，操作简单，具有一定的趣味性，能够在保证实验安全的前提下作为学生的探究实验。微量化实验改进可以作为教材实验补充，能够有效地培养学生动手能力、创新意识、环保意识和节约资源的意识等。