含氮化合物的性质一体化实验设计

居亚芬

(江苏省常州市前黄高级中学国际分校)

1.问题提出

在中学化学的课堂教学中,铜与浓、稀硝酸的反应教师通常采用演示实验或视频实验,很难作为学生自主探究实验。其主要原因是反应后装置中残留的气体逸出会造成环境污染,不方便师生拆洗装置。

1.1 教材实验的不足

2019苏教版高中教材《化学必修第二册》专题7第二单元“重要的含氮化工原料”中,对硝酸的性质设置了实验“观察思考”环节,并用具支试管和分液漏斗设计了如图1所示的实验装置。通过实验和分析,我们发现:因铜片和浓、稀硝酸接触便直接反应,所以不便控制反应的开始和结束,药品存在浪费问题;收集气体的过程中容易出现泄漏;NO2与NO相互转化,存在空气的干扰;反应后装置拆洗中NO2与NO气体逸出引发污染问题。

图1 铜片与浓硝酸的反应装置

1.2 课标分析

内容要求:认识元素在物质中可以具有不同价态,可通过氧化还原反应实现含有不同价态同种元素的物质的相互转化。通过实验探究,了解氮的重要化合物的主要性质,认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。

教学提示:重视开展高水平的实验探究活动。

实验及探究活动:浓、稀硝酸的性质;氮氧化物的性质与转化。

学业要求:能列举、描述、辨识典型物质重要的物理和化学性质及实验现象,能用方程式正确表示主要化学性质。能从物质类别、元素价态的角度,依据氧化还原反应原理,预测物质的化学性质和变化,设计实验进行初步验证,并能分析、解释有关实验现象。

1.3 面临问题

待解决以下问题:(1)如何控制铜和浓、稀硝酸反应的发生与结束?(2)如何减少中途检验气体而造成的气体泄漏?(3)如何减少装置中空气对实验的干扰?(4)反应结束后如何除去装置中残留的NO和NO2?(5)如何对实验进行微型化处理,方便学生操作?为此,我们在教材实验的基础上,对铜与浓、稀硝酸反应的实验进行整合设计,力求让实验服务于教学。

2.设计思路

根据铜与浓、稀硝酸反应的实验原理,为解决以上问题,设计实验的思路如下:(1)将教材上具支试管和分液漏斗组合的气体发生装置,改进为“Y”型管,通过倾斜Y型管可控制铜片与浓、稀硝酸的接触和分离,有效控制反应的开始与结束,节约药品。

Y型管有2个相同的试管,推荐用于固液、液液的反应(不需加热)装置,还可以用在对比实验中,使实验到教学实现了从“零散”到“整合一体化”的转化。

(2)将教材上水槽和集气瓶的组合装置,改进为医用三通连体阀(3种不同颜色阀利于分辨)和3支注射器的组合,方便学生反复操作“NO和NO2的相互转化”实验。

(3)将实验室常用的黄色乳胶软管,改进为医用透明硅胶软管,方便学生观察气体的颜色、气体和液体的流动过程。

(4)增加了尾气处理装置(1个装有NaOH溶液的烧杯)。利用压强差形成倒吸,处理整套装置中残留的NO和NO2气体,这样就方便实验后学生拆洗装置。

利用该一体化装置可将“铜与浓、稀硝酸的反应” “NO2与水反应” “NO微溶于水” “NO被空气氧化为NO2” “碱液处理NO和NO2气体”等重要含氮化合物的内容融为一体,有效节约实验时间。

3.实验相关的化学方程式

(1)铜与浓硝酸反应生成二氧化氮气体

(2)铜与稀硝酸反应生成一氧化氮气体

(3)NO和NO2的相互转化

(4)碱液吸收NO和NO2气体

4.实验改进方案

4.1 实验器材

铁架台2个、Y型管1个、30 mL注射器3支、医用三通连体阀(三色)3个、医用透明硅胶软管、烧杯、玻璃导管1个、单孔胶塞1个

4.2 实验药品

铜片、15 mol·L-1浓硝酸、4 mol·L-1稀硝酸、蒸馏水、氢氧化钠溶液

4.3 实验装置

实验装置见图2,装置中的铁架台等夹持仪器省略。实验准备:Y型管中分别装入铜片、2 mL 15 mol·L-1浓硝酸;注射器1抽入一定量的空气;注射器2排尽空气;注射器3装有一定量的蒸馏水;透明软管一端放入装有氢氧化钠溶液的烧杯中。此时医用三通连体阀的开关与透明软管连通。

图2 含氮化合物的性质一体化实验装置

4.4 实验步骤及现象

4.4.1 铜与浓硝酸的反应

(1)实验步骤:倾斜Y型管,让浓硝酸流入另一侧和铜片接触,观察实验现象(图3)。待透明软管中充满红棕色气体,旋转控制阀2,连通注射器2,立刻用注射器2收集一定量有色气体(图4)。再次倾斜Y型管,让硝酸溶液流入Y型管另一侧,和铜片分开,反应停止。

图3 铜片与浓硝酸反应

图4 收集NO2气体

(2)实验现象:铜片与浓硝酸接触,反应剧烈,看到铜片开始溶解,原无色溶液先变为绿色,后慢慢变蓝色;Y型管和透明软管中出现大量红棕色气体。反应装置用手触摸微热。

(3)设计意图:通过透明软管能直观看到NO2的生成和红棕色气体的流动方向,激发学生的兴趣;同时用NO2排尽装置中空气,减少对后续实验的干扰。针对溶液出现了绿色和蓝色,也引起了学生的好奇心,可作为课外实验探究活动(考虑浓硝酸的用量、硝酸的浓度等影响因素)。

(4)提出问题:如何检验收集到的红棕色气体?

4.4.2 NO2与NO的相互转化

(1)实验步骤:旋转控制阀2和3,连通注射器2和3,用注射器3推出少量蒸馏水进入注射器2中,观察实验现象(图5)。旋转控制阀1和2,连通注射器1和2,用注射器1推出少量空气进入注射器2中,观察实验现象(图6)。

图5 NO2与水反应

图6 NO与空气反应

(2)实验现象:气体的红棕色遇水后很快消失,针筒内剩约三分之一无色气体。再推入少量空气,红棕色又出现了。

(3)设计意图:该环节通过控制三通阀,用3支注射器相互推拉,可直观看到气体颜色的明显变化,验证NO2与NO的性质。

(4)提出问题:实验结束后,装置中剩余的氮氧化物气体如何处理呢?

4.4.3 碱液吸收氮氧化物气体

(1)实验步骤:旋转控制阀1,用注射器1抽取大量红棕色气体至阻力明显,形成压强差,然后快速打开控制阀1,与透明导管连通,此时烧杯中NaOH溶液迅速倒吸进入整套装置。最后可将注射器中剩余气体也推出用碱液吸收处理。

(2)实验现象:透明软管中恢复无色(可减少气体对软管的腐蚀,方便透明软管重复利用);Y型管中出现蓝色絮状沉淀。

(3)设计意图:该环节创造性地采用倒吸来处理装置中剩余的氮氧化物气体,真正做到绿色化、零污染,便于学生实验结束后拆洗仪器。

(4)提出问题:稀硝酸与铜又会发生怎样的反应呢?设计实验方案。

4.4.4 铜与稀硝酸的反应

(1)改进方案1

可利用一体化装置再进行一次铜与稀硝酸的反应。

实验步骤:倾斜Y型管,让稀硝酸和铜片接触,观察实验现象。待透明软管中慢慢出现淡黄色(垫白纸更方便观察),用注射器2收集少量气体。倾斜Y型管,分开铜片和硝酸溶液。旋转控制阀1和2,连通注射器1和2,推空气进入注射器2中,观察到注射器2中明显出现红棕色。后旋转控制阀2和3,连通注射器2和3,推少量水进入注射器2中,红棕色又消失了。再次利用倒吸的方法来处理装置中残留的气体。

实验不足处:浪费药品;装置中空气干扰了NO制备实验的现象。

(2)改进方案2

为减少空气的干扰,可用一支针筒插入单孔胶塞中,向装置中通入二氧化碳或氢气,排装置中的空气,再进行一体化实验(类似4.4.1 铜与浓硝酸的反应)。

实验不足处:浪费药品;增加了新试剂。

(3)改进方案3

为减少药品浪费、装置拆洗过程,可在“4.4.2 NO2与NO的相互转化”实验结束后,用一支针筒插入单孔胶塞中,向装置中注入部分蒸馏水,稀释硝酸溶液。接下来倾斜Y型管,让稀硝酸和铜片接触,进行NO的制备、性质检验实验,最后再用倒吸的方法处理尾气。结束所有实验,学生安全地拆洗装置。

5 经验与反思

通过一体化实验改进装置,整合了教材内容中重要的含氮化合物的相互转化反应实验,完成NO2与NO的制备、性质检验和尾气处理,操作简单、现象明显、零污染。利用该实验改进装置,可在教学过程中辅助学生完成科学探究的一般过程,真正让实验服务教学。

实验效果评价:

(1)一体化。融合多个实验,让学生认识含氮化合物的性质和物质间转化。

(2)绿色化。封闭体系,中途不用取出检验,最后倒吸处理装置中氮氧化物气体。

(3)微型化。节约药品,学生可以反复实验。

(4)可视化。医用三通连体阀、注射器、透明硅胶软管的组合装置可直观观察到实验现象。