基于证据推理意识的铜与稀硝酸反应实验的新设计
2023-01-06姚亮发郑柳萍张贤金戴圣蓉
姚亮发 郑柳萍 张贤金 戴圣蓉
摘要：对苏教版高中化学必修第二册（2019年版）、人教版高中化学必修第二册（2020年版）教材“铜与稀硝酸反应”的实验装置进行了评析，基于证据推理意识对教材实验从装置设计到尾气处理等方面进行了新的设计，可以排除教材原实验装置内空气中氧气对实验的干扰和有效防止空气污染，且有助于在实验中培养学生的证据推理意识。
关键词：稀硝酸性质；二氧化氮；一氧化氮；实验改进
铜与稀硝酸反应生成NO气体是高中化学必修教材一个重要的实验，通过该实验可以使学生在科学探究过程中形成证据推理意识，预防空气污染，树立“绿色化学”理念。但因NO气体遇到空气中的O2立即生成NO2气体，从而缺少证据证明铜与稀硝酸反应生成了NO气体，且教材实验反应后试管中残存的NO气体缺少无害化处理。笔者从证据推理和可视化的角度对教材实验进行改进，排除了空气中O2对实验的干扰，反应后没有NO气体残存，克服原教材实验设计上的不足。设计的实验具有现象可视化、反应可控化、过程环保化等优点，同时解决了气体逸散的问题，培养学生在科学探究过程中形成“证据推理”和“绿色化学”等学科核心素养。
1 教材及文献中的实验方案分析
1.1苏教版教材中的实验
苏教版高中化学必修第二册（2019年版）专题七《氮与社会可持性发展》第二单元《重要的含氮化工原料》“铜与硝酸反应”的实验设计如图1。通过分液漏斗先加入2mL浓硝酸，收集气体，观察现象。再用分液漏斗加入5mL水，稀释浓硝酸，收集气体，观察现象[1]。
利用该实验装置进行实验存在以下不足：
（1）因铜与浓硝酸反应生成的NO2气体残存在试管中，使得铜与稀硝酸反应生成的NO气体要先排尽NO2气体。
（2）用排水法收集NO气体，因NO2气体能与水反应生成NO气体，干扰了实验结果，实验结论缺少有力证据。
（3）试管内的铜片因无法和硝酸脱离，在更换集气瓶或在分液漏斗中加水等实验过程中无法让反应随时停止，反应生成多余的NO2、NO气体逸散到空气中，对教室造成污染。
（4）无法有效验证NO与氧气反应生成NO2，如果要验证，需要取下玻璃片，让空气进入集气瓶，这样会造成NO、NO2逸散到空气中，对教室造成污染。
（5）实验完成后试管内残存的NO气体无法进行绿色化处理，污染空气。
1.2人教版教材中的实验
人教版高中化学必修第二册（2020年版）第五章《化工生产中的重要非金属元素》第二节《氮及其化合物》“铜与稀硝酸反应”[2]的实验设计如图2。
利用该实验装置进行实验存在以下不足：
（1）实验开始前试管内留有空气，使得反应生成的NO气体立即与试管中残存的氧气反应生成NO2气体，干扰了实验结果。
（2）无法有效验证NO与氧气反应生成NO2，如果要验证，需要取下橡皮塞，让空气进入试管，这样会造成NO、NO2逸散到空气中，对教室造成污染。
（3）实验完成后试管内残存的NO气体无法进行绿色化处理，污染空气。
（4）尾气处理不完全，生成的一部分NO气体没有被氢氧化钠溶液吸收，逸散到空气中，污染教室环境。
1.3现有改进方案的不足
通过文献分析，发现该实验已有同仁进行改进，如李德前等老师的“铜与稀硝酸反应”一体化实验设计[3]、魏海等老师的“双注射器组合装置”的制作与应用——以铜与硝酸反应的系列实验为例[4]，康潇泓老师的“铜和稀硝酸反应实验的改进”[5]，王瑾等老师的“浓、稀硝酸与铜反应的绿色化一体化实验改进研究”[6]，钟军辉老师的“注射器的妙用——苏教版铜与硝酸反应实验装置的改进”[7]等。这些实验改进，虽各有所长，但还是存在实验装置复杂、不易操作等问题。
2 实验设计新思路
从证据推理和可视化的角度对该实验进行优化设计，排除空气中氧气对实验的干扰，使实验生成NO气体以及NO气体转化成NO2气体分步进行，为铜与稀硝酸反应生成NO提供有力证据。让学生直观化地观察到铜与稀硝酸反应生成无色的NO气体，无色的NO气体与空气中的氧气反应生成红棕色的NO2气体，同时对生成的尾气进行绿色化处理，培养学生的“證据推理”和“绿色化学”等学科核心素养。
3 实验器材、药品和实验装置图
广口瓶（60mL），医用注射器（50mL）2支，小试管（15mm×l50mm），粗铜丝（1.5mm?），软胶塞，稀硝酸，烧杯（50mL），5%的氢氧化钠溶液，止水夹（见图3）。
4 实验装置的组装与连接
（1）检查装置气密性，在广口瓶（60mL）中加入30mL浓度为4mol/L的稀硝酸。
（2）取一支底部有小孔的小试管（15mm×l50mm），将试管穿过软胶塞B。再将一支医用注射器（50mL）B穿过软胶塞B，将注射器B活塞拉到30mL刻度处，将带有试管和注射器的软胶塞B塞紧广口瓶。
（3）将粗铜丝穿过带有导管的单孔软胶塞A，粗铜丝下端绕两圈螺旋状，将软胶塞A塞紧试管，推动粗铜丝下端至稀硝酸液面上方，注意粗铜丝下端不要与稀硝酸接触。
（4）用止水夹夹紧乳胶管，取下注射器A的针头，排尽注射器A里面的空气，将注射器A与乳胶管连接。
5 实验操作及现象
（1）打开止水夹，缓慢拉注射器A活塞，可观察到试管内稀硝酸液面逐渐上升，注射器B活塞缓慢向内移动，当液面接近软胶塞A时，停止拉注射器A活塞，迅速用止水夹夹紧乳胶管。将注射器A从乳胶管抽出，推动注射器A活塞，将注射器A里面的空气排尽，再将注射器A与乳胶管连接。
（2）观察到粗铜丝表面产生无色气泡，试管内稀硝酸液面在压强的作用下逐渐下降，溶液由无色逐渐变成蓝色，注射器B活塞缓慢向外移动，当试管内稀硝酸液面低于粗铜丝时，反应自动停止，可直观地观察到试管内生成一段无色气体，该气体为铜与稀硝酸反应生成的NO（见图4）。
（3）提拉粗铜丝，使粗铜丝下端靠近软胶塞A，打开止水夹，缓慢拉注射器A活塞，可直观地观察到试管内的无色NO气体被吸入注射器A内，试管内稀硝酸液面逐渐上升，注射器B活塞缓慢向内移动，当液面接近软胶塞A时，停止拉注射器A活塞，用止水夹夹紧乳胶管。实验完成后，试管中几乎没有NO气体残余，消除了污染源。而教材实验完成后试管中还有NO气体残余，无法进行绿色化处理，会污染空气。
（4）将注射器A从乳胶管中抽出，套上注射器针头（含针头塑料套），继续缓慢拉注射器A活塞，可直观地观察到随着空气被吸入注射器A内，注射器A内的无色气体迅速变成红棕色，说明无色NO气体与O2反应生成红棕色NO2气体，此现象为证明铜与稀硝酸反应生成NO气体提供有力证据。
（5）取下注射器A的针头塑料套，吸取3mL5%的氢氧化钠溶液，轻微振荡注射器A，可直观地观察到注射器A内的红棕气体逐渐变成无色，说明NO2气体被氢氧化钠溶液吸收，消除了空气污染。
（6）实验开始先拉注射器A活塞，其目的是除去反应前试管内的空气，防止NO气体与试管中残存的O2反应生成NO2气体，排除了O2对实验的干扰。
（7）注射器B用于调节广口瓶内气体的压强。
（8）如果想再一次进行实验，只需排出注射器A中的氢氧化钠溶液（再经抽、推清水洗两次），取下注射器A的针头，将注射器A与乳胶管连接，用止水夹夹紧乳胶管，推动粗铜丝，使铜丝与稀硝酸接触，铜丝表面又有无色气泡产生，实验可重复进行。试管内稀硝酸液面在压强的作用下逐渐下降，当稀硝酸液面低于粗铜丝时，反应又自动停止。
6 实验设计的亮点
（1）该创新装置设计合理，操作简单，只要控制止水夹和注射器，就能操作整个实验。
（2）该创新装置可重复操作，随时控制反应的发生与停止，既可教师演示，也可学生分组实验，有助于学生养成良好的创新意识。
（3）该创新装置排除了空气中氧气对实验的干扰，实验现象明显，能更直观地观察到铜和稀硝酸反应生成NO气体，以及NO气体与O2反应生成NO2气体，有助于学生养成良好的证据推理意识。
（4）用该新装置完成实验后，试管内几乎没有NO气体残余，且实验过程和尾气处理均在密闭体系下进行，能有效防止教室空气污染。
参考文献
[1] 王祖浩.高中化学教科书（必修）第二册[M].南京：江苏凤凰教育出版社，2019：3，41～42.
[2] 王晶，毕华林.高中化学教科书（必修）第二册[M].北京：人民教育出版社，2019：4，15～15.
[3] 李德前，魏海，张羿.“铜与稀硝酸反应”一体化实验设计[J].化学教学，2020（9）：70～72.
[4] 魏海，李德前.“双注射器组合装置”的制作与应用——以铜与硝酸反应的系列实验为例[J].化学教学，2020（11）：69-71.
[5] 康潇泓.铜和稀硝酸反应实驗的改进[J].集宁师专学报，2007，（4）：69～71.
[6] 王瑾，王海红，梁素艳.浓、稀硝酸与铜反应的绿色化、一体化实验改进研究[J].教育与装备研，2020，（4）：58～60.
[7] 钟军辉.注射器的妙用——苏教版铜与硝酸反应实验装置的改进若干实验改进为例[J].教学月刊.中学版，2013，（1）：68～70.
