铜与浓、稀硝酸反应实验简易装置的设计

刘亚莉　吴霞　刘茜　杨丽君

摘要： 对高中化学教材中“铜与浓、稀硝酸反应”的实验装置进行评析与改进设计。使用具支试管等仪器将铜与硝酸反应、氮氧化物间的转化实验整合在一套密封装置中分别连续进行；借助pH傳感器实时监测反应过程中二氧化氮溶于水后溶液pH的变化。该实验装置具有现象明显、操作简单、反应可控、安全环保等特点。

关键词： 铜与硝酸反应； 简易装置； 实验改进

文章编号： 10056629（2023）11006804 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题提出

铜与浓、稀硝酸反应实验是学生探究硝酸具有氧化性的重要实验，硝酸的浓度不同，与金属（铜）反应的产物也不同。现行人教版教材中用抽动的铜丝和试管设计该实验，其目的是证明铜与浓硝酸反应生成NO2，铜与稀硝酸反应生成NO。在该实验的实施过程中发现有以下几点不足：（1）铜与浓、稀硝酸反应实验是分开进行的，硝酸用量比较大，不符合节约与环保的理念。（2）开始前试管内存有空气，使得反应生成的NO气体与试管中存有的氧气反应生成NO2，干扰了实验结果。（3）抽动的铜丝虽然可以控制反应的进程，但仍伴随着气体逸出，会污染环境。（4）不易有效验证NO与O2反应生成NO2，如果要验证则需要取下橡胶塞，这样会使NO和NO2气体逸散到空气中，造成环境污染。（5）尾气处理不完全，实验完成后试管内仍残存较多的NO2和NO气体会污染教学环境。

2 相关文献简评

为了解铜与浓、稀硝酸反应实验研究的进展与现状，查阅大量文献，发现研究铜与浓、稀硝酸反应实验的文章较多，主要集中在以下几个方面：（1）对实验进行微型化处理，减少药品的使用与污染物的生成［1］；（2）对实验进行连续化或者一体化改进［2～5］，即把铜与浓、稀硝酸反应以及对氮氧化物性质的检验整合在一起，但又存在操作复杂、材料不易获得、现象不够明显等问题；（3）单独对铜与稀硝酸反应实验进行一体化设计，同时用NaOH溶液对尾气进行处理［6，7］；（4）设计密闭的实验环境减少污染［8］。以上实验设计虽各有所长，但也存在装置较复杂、不易操作等问题，有的只对现象作定性分析，没有结合实验数据进行定量分析。

为此我们设计了新的铜与浓、稀硝酸反应实验的简易装置，借助pH传感器测定铜与浓、稀硝酸反应生

成的二氧化氮溶于水之后溶液pH的变化；通过宏观现象以及曲线分析表明：铜与浓硝酸反应生成红棕色气体（NO2），铜与稀硝酸反应生成无色气体（NO）；证明硝酸具有氧化性；硝酸浓度不同则生成的产物也不同；其中反应产物涉及氮氧化物之间的转化：二氧化氮易溶于水生成一氧化氮，一氧化氮与氧气反应生成二氧化氮。

3 实验部分

3.1 仪器及试剂

实验仪器：Vernier数据采集器、计算机（安装LoggerPro软件）、pH传感器、具支试管（15×150mm）1个、具支试管（30×200mm）1个、B型磁力搅拌子1个、条形磁铁1个、气球2个、20mL注射器2个、10mL量筒2个、单孔橡胶塞2个、橡胶管若干、V型管1个

实验药品：铜丝、市售浓硝酸（65%～68%）、蒸馏水、碳酸氢钠固体

3.2 铜与稀硝酸反应实验

教材中关于铜与稀硝酸反应实验没有限定稀硝酸具体的浓度，如果硝酸的浓度过低，反应速率很慢，不利于进行演示实验；为了加快反应速率，让硝酸浓度过高或者进行加热，又会导致生成NO2，造成实验失败等问题［9］。为能直观地观察到铜与稀硝酸反应生成无色的NO气体，NO气体又与氧气反应生成红棕色的NO2气体，同时对尾气进行绿色化处理，对“铜与稀硝酸反应”实验进行了改进，使一氧化氮的制取、氧化，二氧化氮溶于水、尾气处理等实验集于一体。

3.2.1 实验装置

实验装置如图1所示。

3.2.2 实验步骤

（1） 按图1组装实验装置并检查其气密性。用量筒分别量取1mL浓硝酸与3mL蒸馏水于具支试管内。

（2） 将绑有铜丝的B型磁力搅拌子放于具支试管内，并用条形磁铁置于外部从而固定内部铜丝的位置，塞上橡胶塞。

（3） 向V型管中加入适量的碳酸氢钠粉末并关闭止水夹1，用注射器A吸取少量稀硝酸，与V型管连接缓慢推入管内，反应一段时间后用燃着的木条放到具支试管的支管口检验是否把装置内的空气排尽。

（4） 接着在具支试管的支管口套上气球，关闭止水夹2，移动磁力搅拌子使铜丝与稀硝酸反应，看到气球变大后，停止反应，缓慢拉动注射器B的活塞收集一定体积的NO气体。

（5） 将注射器B从橡胶塞中抽出，套上注射器针头（含针头塑料套），继续缓慢拉注射器B活塞吸入一定体积的氧气，当无色气体变成红棕色气体后，接着吸取适量的水，观察实验现象。

（6） 实验结束后，用注射器B吸取5mL 5%的NaOH溶液注入反应装置里面，进行尾气处理，避免污染空气。

3.2.3 实验现象

（1） V型管中碳酸氢钠粉末表面有气泡产生，燃着的木条熄灭，说明产生了二氧化碳，排尽反应装置内的空气，实验原理是NaHCO3+HNO3NaNO3+CO2↑+H2O。

（2） 随着铜丝与稀硝酸接触，反应开始，铜丝表面产生无色气泡，气球逐渐变大，说明产生了无色气体（NO），反应溶液由无色变为蓝色，实验原理是3Cu+8HNO3（稀）2NO↑+3Cu（NO3）2+4H2O。

（3） 用注射器B收集10mL NO，再吸入5mL O2，无色气体迅速变成红棕色，活塞在10mL刻度处，说明无色NO气体与O2反应生成红棕色NO2气体（2NO+O22NO2），接着吸入5mL水之后红棕色气体消失（3NO2+H2O2HNO3+NO），注射器内总体积减少，最终得到无色溶液和无色气体，活塞处于大于9mL刻度处［10］。此现象为证明铜与稀硝酸反应生成NO气体提供了有力的证据。

3.2.4 有关说明

（1） 铜丝与稀硝酸反应速率较慢，为加快反应速率，可对其反应装置进行水浴加热（45℃），使学生能在较短时间内观察到实验现象。

（2） 通过观察铜丝表面产生的气泡量以及NO2出现时间的长短可得出制备NO所需稀硝酸的最佳浓度为浓硝酸与蒸馏水的体积比为1∶3。

（3） 铜丝与稀硝酸反应前排除装置内的空气，避免氧气与NO发生反应生成NO2，导致实验失败。

（4） 注射器B收集的NO气体还可以进行氮氧化物之间转化的定量实验，通过引导学生观察注射器活塞所处的刻度，强化氮氧化物性质的学习，培养学生的证据推理意识。

上述铜与稀硝酸反应生成无色的NO，说明硝酸具有氧化性，也验证了NO与NO2之间的转化，但无法说明硝酸浓度不同，其反应产物也不同。为解决这一问题，并进一步探究不同浓度硝酸的氧化性，借助pH传感器设计了铜与浓、稀硝酸反应实验的简易装置。

3.3 铜与浓、稀硝酸反应实验

3.3.1 实验装置

实验装置见图2。

3.3.2 实验步骤

（1） 按图2所示连接好实验装置并检查其气密性。

（2） 量取1mL的浓硝酸于具支试管A中，选取一段40cm长的铜丝，上端缠绕于B型磁力搅拌子上，下端绕成螺旋状，长约4cm。

（3） 将绑有铜丝的B型磁力搅拌子放于具支试管A内，用条形磁铁置于玻璃管外部从而固定内部铜丝的位置，再塞上连接有导管的橡胶塞。

（4） 量取10mL的蒸馏水于具支试管B中，放入pH传感器，打开Vernier LoggerPro软件，设置好参数后点击采集按钮，接着移动条形磁铁使铜丝与浓硝酸接触发生反应。

（5） 反应3秒左右后上移条形磁铁停止反应，用注射器加入3mL蒸馏水，再移动条形磁铁使铜与稀硝酸反应。

（6） 当红棕色气体消失的时候，打开止水夹，用洗耳球将空气经导管慢慢打入具支试管A中，提醒学生观察实验现象，发现再次出现红棕色气体。

（7） 重复鼓气，将一氧化氮全部转化为二氧化氮，同时将装置内部残留的NO2气体全部排出被蒸馏水溶液吸收。

3.3.3 实验现象

（1） 铜丝与浓硝酸接触反应剧烈，试管壁发热，铜丝表面产生大量红棕色气泡，无色溶液变成绿色溶液［Cu+4HNO3（浓）2NO2↑+Cu（NO3）2+2H2O］。

（2） 可观察到电脑上呈现试管B中溶液pH随时间变化曲线图（如图3所示）。其中AB段为实验前蒸馏水的pH。BC段pH迅速下降到3左右后趋于平缓，说明铜与浓硝酸反应产生的NO2气体溶于水生成HNO3。

（3） 加水稀释浓硝酸后，铜丝与稀硝酸反应可观察到铜丝表面产生大量无色气泡，生成蓝色溶液［3Cu+8HNO3（稀）2NO↑+3Cu（NO3）2+4H2O］，产生的无色气体将装置内的红棕色气体赶到具支试管B内，试管B中溶液pH缓慢下降到2.8左右趋于平缓（CD段）。

（4） 通入空气后，再次出现红棕色气体（2NO+O22NO2），继续鼓气使一氧化氮全部转化为二氧化氮。NO2进入具支试管B中与水反应生成硝酸，pH再次迅速下降到2左右趋于平缓（DE段），说明稀硝酸与铜反应生成NO，一氧化氮与氧气反应再次生成NO2。

3.3.4 有关说明

（1） 浓硝酸（65%～68%）浓度不宜太高，浓度太高有可能因反应过于剧烈而无法控制造成危险，产生的有毒气体也无法及时处理。

（2） 本实验选用40cm的铜丝缠在磁力搅拌子上进行实验，保证铜丝与浓硝酸反应后再与稀硝酸反应，且铜丝与浓硝酸反应速率较快。

（3） 铜与浓硝酸反应是放热反应，为后面铜与稀硝酸反应提供了一定的热量，加快其反应速率。

（4） 注意反应顺序，铜丝先与浓硝酸反应，后加水铜与稀硝酸反应，间隔时间不要太短，现象更明显。

3.4 实验注意事项

（1） 实验进行之前需要对实验装置进行气密性检查，避免空气对实验结果产生影响。

（2） 实验的时候需要戴上橡胶手套和口罩，浓硝酸具有强烈的腐蚀性和挥发性。

3.5 实验总结

（1） 铜与稀硝酸反应实验装置排除了空气中氧气对实验的干扰，实验现象明显，能直观地观察到铜与稀硝酸反应的实验现象以及实现氮氧化物之间的定量转化与性质检验，有助于学生形成良好的证据推理意識。

（2） 在全封闭体系中连续演示铜与浓、稀硝酸反应实验，一氧化氮氧化实验、二氧化氮溶于水的数字化实验，使多步反应一体化、实验操作程序化、装置功能集成化。

（3） 上述两个改进装置可随时控制反应的发生与停止，既可作为教师演示实验，又可作为学生分组实验，有助于学生开展探究活动，形成良好的创新意识。

（4） 上述两个实验装置简单，取材、制作方便，操作简洁，有利环保，且实验现象明显，重现性好，易于推广。

参考文献：

［1］颜冬微， 吴双桃， 刘艺等. 铜与浓、稀硝酸反应的微量实验设计［J］. 化学教学， 2017， （2）： 63～65.

［2］杨香涛， 阮方来. 铜与浓、稀硝酸反应实验的整合设计［J］. 化学教学， 2019， （10）： 70～72.

［3］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， 64.

［4］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.

［5］董军. 浓、稀硝酸与铜反应的综合实验设计［J］. 化学教学， 2017， （1）： 61～64.

［6］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.

［7］姚亮发， 郑柳萍， 张贤金等. 基于证据推理意识的铜与稀硝酸反应实验的新设计［J］. 化学教学， 2022， （12）： 75～77.

［8］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.

［9］戈益超， 朱成东， 刘帅东. 基于传感器探究实验室制备NO的条件［J］. 化学教学， 2021， （7）： 57～60.

［10］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.