妙解化學實驗設計中的難題

化學教材中，關于濃硫酸、濃硝酸分別與銅反應的實驗表明：濃硫酸、濃硝酸等具有強氧化性。在現行的化學教材中，對于濃硫酸、濃硝酸分別與碳等非金屬的反應方面的介紹意在更好地說明這類酸的強氧化性，然而，遺憾的是，這部分內容僅僅限于反應、介紹，而沒有相應的演示實驗，因而說服力極其有限，進而給老師們的教學帶來了一些不便。如果能在課堂上補充這一實驗，肯定能為教學增色不少。

為此，筆者仔細查閱了相關的資料，結果發現，目前已經有一些公開發表的“碳與濃硝酸反應”的實驗設計方案，但同樣遺憾的是，這些方案往往都存在著儀器生僻、裝置繁瑣、效果欠佳和污染嚴重等諸多不足。這些實驗設計方案放大了實驗操作的難度，從而影響了教師的教學積極性和學生的學習興趣。

后來，筆者重新設計并完成了該實驗，并獲得了湖南省首屆化學實驗創新大賽第一名。以下我就著重對在實驗設計中巧妙解決難題的工作作一個小結，供同行參考、斧正。

一、有關難題及其妙解

難題1：主反應的有效證明

在碳與濃硝酸反應的同時，往往伴隨著濃硝酸的分解，即：

因為以上這兩個反應能夠產生NO₂，所以主反應的發生就不能夠簡單地通過觀察紅棕色氣體的產生來判斷，而應該通過檢驗CO₂加以確認。

在檢測過程中，如果用澄清石灰水，一方面CO₂在整個氣體混合物中所占比例小于20％，另一方面NO₂的溶解會優先消耗掉堿，從而影響檢測結果。因此，檢驗CO₂必須在主反應裝置以外的地方進行，且使用較濃的氫氧化鋇溶液比用澄清石灰水更好，其反應方程式為：

實驗結果很好地證明了筆者的預測是正確的。

難題2：主反應條件的準確把握。

碳與濃硝酸反應需要加熱，但加熱的方法有四種選擇，即：

①將木炭與濃硝酸一同放在裝置中加熱；

②先加熱濃硝酸，然后將木炭投入其中；

③先加熱木炭，再加入冷濃硝酸；

④先加熱木炭，再將木炭投入冷濃硝酸之中。

因為濃硝酸分解的溫度很低，所以第①②兩種方法將使裝置中產生太多的N02，同時也會使裝置中的壓強過大；方法③和④中反應物的受熱主要集中在接觸面上，但方法③還需要添加分液漏斗和鐵架臺等儀器，裝置將變得復雜。

綜上所述，方法④是把握加熱條件的最佳選擇。

難題3：實驗時間的輕松掌控。

因為在以上的反應中有毒性氣體NO₂產生，所以實驗必須在密閉裝置中完成，這時裝置中的氣體流動性和CO₂與氫氧化鋇溶液的反應快慢就成為影響實驗所需要的時間的又一難題。

我的解決的思路是用一種儀器，既能反復吸氣和吹氣，又能將氫氧化鋇溶液攪動，于是我想到了洗耳球和膠頭滴管(后改為膠頭直角導管)，再結合比較兩者在操作簡便、保持裝置密閉性等方面的優劣，最終選擇了后者，并讓其下端略低于氫氧化鋇溶液的液面。

難題4：毒性尾氣的安全處理

眾所周知，一個好的實驗設計方案應該是綠色環保的實驗方案，但是現在設計者們一般都只注意到不讓有害氣體排放到空氣中，相應地往往也只在末端增加尾氣吸收裝置，至于裝置內的殘留有害氣體，往往沒有得到妥善處理。當把這樣的裝置拿回實驗室洗滌時，仍然免不了被管理儀器的教師吸入而危害身體健康的后果。為了徹底解決類似的問題，在本實驗中，根據NO₂和氫氧化鋇溶液的性質，用檢驗CO₂后過量的氫氧化鋇溶液吸收裝置內的NO₂，收到了很好的效果。其化學反應方程式為：

難題5：整套實驗裝置的簡化。

本實驗所需要的裝置必須滿足以下要求：

①有碳與濃硝酸的反應裝置；

②有CO₂的檢驗裝置并與裝置①相連；

③膠頭直角導管與裝置②相連；

④整個裝置處于密閉狀態。經多方比較，確定的裝置如下圖所示：

二、實驗步驟及主要現象：

1 在H型試管的右管中加入適量氫氧化鋇溶液，液面略高于膠頭導管的下端，塞緊橡皮塞；

2 取1ML左右濃硝酸于H型試管的左管，將一小塊花生米大小的硬實木炭放在火焰上灼燒至紅熱，投入到濃硝酸中，立即塞緊橡皮塞，觀察左管內很快充滿紅棕色氣體；

3 在膠頭導管內的液面上升至拐角前開始擠壓乳膠頭，反復將吸入的液體壓回，增大裝置內氣體的流動性，使氣液接觸更加充分，觀察右管內白色沉淀的產生；

4 逆時針旋轉裝置90°，讓未反應完的氫氧化鋇溶液流入H型試管的左管，用以中和殘留的硝酸并吸收NO₂防止毒氣逸出。