注射器在氮的氧化物轉化實驗中的應用

劉放

通過對現行普通高中課程標準實驗教科書中的《化學1》（人教版）進行分析，教材只是提出硝酸能夠與銅發生反應，給出了反應方程式，并未涉及利用濃稀硝酸制備一氧化氮與二氧化氮的實驗，另外，一氧化氮與二氧化氮之間相互轉化的反應沒有也呈現實驗裝置，只是在科學探究欄目提出如何盡可能提高二氧化氮被水吸收轉化率的問題。利用這一空缺，廣大教師可以開動腦筋，根據課堂教學知識設置實驗方案，調動學生的學習積極性和學習興趣，培養學生的探究問題的能力。

關于利用銅與濃稀硝酸制備氮的氧化物以及氮的氧化物之間相互轉化的實驗，一直是中學演示實驗中比較難做的實驗之一。其問題有：

1.污染大，尾氣處理不方便

實驗產生的一氧化氮與二氧化氮均為大氣污染物，即使在實驗室通風櫥中進行，一旦大量產生，勢必對實驗者造成一定毒害，如果是全班同學同時進行分組實驗，危險性更大。

2.難控制，反應現象不明顯。

一氧化氮與二氧化氮之間的轉化反應相當迅速，尤其是一氧化氮，只要一接觸空氣就會變成紅棕色氣體，如果實驗裝置中混有少量的空氣，將導致不易觀察到無色的一氧化氮氣體。

3.不精確，很難實現現象量化

根據化學方程式計算可知三體積的二氧化氮與水反應后轉化成一體積的一氧化氮，以及二氧化氮與氧氣按照體積比四比一通入水中可完全轉化為硝酸。上述的理論如何在實驗中得到驗證，這也是一直以來比較難實現的問題。

然而，有一種常見但不常規的儀器，可以解決上述各大問題，那就是注射器。在化學實驗的常規儀器中并沒有注射器，但是由于注射器具有密閉性、可控性、可測性等獨特的優勢，在近年來，不少教師將其應用與化學課堂演示實驗以及學生分組實驗中。筆者與課題組的其他成員，在互聯網和化學報刊雜志上查閱了關于氮的氧化物轉化的各種實驗設計，一致認為大多數的改進都比較復雜，不太適合做課堂教學的演示實驗和學生的分組探究實驗。經過大家的反復實踐，多次研討，結合廣大化學教育工作者的教學研究成果，以及本課題組成員自己的教學實踐，提出了以下兩組實驗設計。

實驗一：一氧化氮與二氧化氮相互轉化的粗略觀察

實驗材料：帶針頭的注射器、燒杯

實驗藥品：濃硝酸、銅片、濃氫氧化鈉溶液、蒸餾水

實驗步驟：（1）在注射器中放入一小塊銅片，將注射器活塞推倒底部以排盡空氣；

（2）將注射器針頭插入稀硝酸中，吸入少量濃硝酸；

（3）反應開始后，引導學生觀察實驗現象，可以清楚地看到注射器中有紅棕色氣體產生；

（4）將注射器針頭插入蒸餾水水中，吸入適量蒸餾水，輕輕振蕩，引導學生觀察現象，可以看到注射器內氣體紅棕色消失；

（5）將注射器活塞往外拉，吸入適量空氣，引導學生觀察，應該可以看到注射器內無色氣體重新變為紅棕色；

（6）現象觀察完畢，將注射器中的溶液與氣體緩緩排入盛有濃氫氧化鈉溶液的燒杯中。

實驗后反思：

1.優點：實驗操作簡單方便，實驗現象明顯；藥品用量少，儀器拆裝方便，符合微型化學實驗要求；生成的氮的氧化物污染物容易處理。

2.不足：雖然能夠方便地幫助學生清楚地觀察到一氧化氮與二氧化氮之間的相互轉化現象，但是無法準確地測量出兩者之間轉化的定量關系。

實驗二：使二氧化氮完全溶于水的定量實驗

實驗材料：帶針頭的注射器、帶橡膠塞的試管

實驗藥品：二氧化氮、氧氣、蒸餾水

實驗步驟：

（1）用排空氣法法收集滿一試管二氧化氮氣體；用排水法收集滿一試管氧氣；

（2）用一注射器甲吸入適量水，將注射器的針孔插入裝滿二氧化氮氣體的大試管的橡膠塞，隨著水的流入，引導學生觀察到試管中的紅棕色氣體逐漸變成無色，試管中有無色液體生成，可以根據該實驗現象探究出二氧化氮與水反應的現象以及氣體體積的變化；

（3）用另一注射器乙將試管中的氧氣吸入，并且控制氧氣的體積為二氧化氮的體積的四分之一；

（4）將大試管倒置，同時用注射器乙將氧氣注入，引導學生觀察到大試管上方無色氣體重新變為紅棕色。不停振蕩試管，可以觀察到紅棕色氣體逐漸變為無色，同時試管中幾乎充滿無色液體；

（5）抽取少量大試管中反應后的液體，可以進行硝酸性質的相關實驗。

實驗后反思：

1、優點：現象明顯，并且可以獲得比較精確的數據關系。同時還可以通過實驗結果引發學生的進一步思考與討論。將收集到的氧氣與二氧化氮按一比四體積比通入水中，可以看見生成的無色溶液是“幾乎”充滿而不是“完全”充滿大試管。似乎留有“遺憾”，但正是這種“遺憾”可以引導學生思考，為什么會出現這樣的情況？通過分析討論，其原因有二：一、排空氣法收集氣體會有少量的氣體雜質；二、為了使氮的氧化物盡可能轉化成硝酸，通入的氧氣過量。

2、不足：與實驗一相比，該實驗的準備工作比較繁瑣，在操作上的要求也比較高。

通過上述兩組實驗的比較分析，筆者認為在課堂教學中可以將兩組實驗有機結合充分利用，實驗一可以安排為學生的分組實驗，通過這樣的簡單安全又不失趣味性的小實驗，將學生的學習熱情調動起來。在合適的時間提出科學探究問題“如何盡可能地使二氧化氮被水充分吸收”，再由教師將實驗二作為演示實驗展示給學生，讓學生積極參與思維活動，實現三維教學目標，體現課改的基本要求。