“銅鋁-濃硝酸原電池裝置”的新設(shè)計

王雪瑞+劉松偉

摘要：銅鋁-濃硝酸原電池是揭示原電池實質(zhì)的重要案例，但由于實驗存在污染問題，因此課堂上大多采用只分析原理，不做實驗的“紙上談兵”方式。為解決實驗中NO2的污染問題，對原電池的實驗裝置進(jìn)行了設(shè)計與改進(jìn)，改進(jìn)后的實驗現(xiàn)象明顯，操作簡單可控，安全環(huán)保。

關(guān)鍵詞：原電池；濃硝酸；氣體污染；實驗裝置改進(jìn)

文章編號：1005–6629（2015）4–0055–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

銅鋁-濃硝酸原電池中反應(yīng)復(fù)雜，正、負(fù)極隨反應(yīng)進(jìn)行可以發(fā)生轉(zhuǎn)變，作為典型的實驗案例，既關(guān)聯(lián)了重要物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，又揭示了原電池的反應(yīng)實質(zhì)，有利于學(xué)生深刻理解原電池與氧化還原反應(yīng)的內(nèi)在關(guān)系。但利用普通敞口實驗裝置（見圖1）進(jìn)行該實驗[1]時，會產(chǎn)生大量的NO2氣體，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，不適合課堂演示。

2 實驗裝置改進(jìn)

鑒于銅鋁-濃硝酸原電池實驗有利于學(xué)生通過直觀感受認(rèn)識原電池的構(gòu)成和電極反應(yīng)，具有促進(jìn)形成深刻理解的教學(xué)價值，筆者對上述實驗裝置進(jìn)行了改進(jìn)研究，提出了兩種改進(jìn)方案，使實驗現(xiàn)象明顯、簡單易行，并消除了環(huán)境污染。

2.1 實驗裝置改進(jìn)方案一

2.1.1 實驗用品

球形干燥管一個，橡皮管一段，鋁、銅電極各一個（長9cm，寬0.8cm），導(dǎo)線兩根，50μA靈敏電流計一個，塑料盒一個（長8cm，寬5cm，高7.5cm），帶孔塑料蓋一個（長8cm，寬5cm），100mL燒杯一個，65%濃硝酸，30%氫氧化鈉溶液。

2.1.2 實驗裝置

電極槽的制作：取一長方體塑料盒作為反應(yīng)槽，按照塑料盒開口的大小制作一個塑料蓋，在塑料蓋的正中心位置和一角處各打一圓形小孔，孔的大小使橡皮管剛好插入又不漏氣為宜。中心圓孔的兩側(cè)打出兩個長方形小洞，洞的大小使片狀銅鋁電極剛好插入且可上下移動為宜，長約1cm（見圖2）。

2.1.3 實驗操作方法及現(xiàn)象

分別剪長9cm，寬0.8cm的鋁片和銅片做電極，將電極彎成L形，使一邊長度與盒的高度一致，依圖3（Ⅰ）連接實驗裝置。將塑料蓋一角的圓孔先用膠帶封上，連有干燥管的橡膠管插入中間圓孔中。25℃下[2]，向塑料盒中加入5mL的濃HNO3，燒杯中加入50mL 30%的NaOH溶液，將銅鋁兩電極懸掛在濃硝酸上部，把塑料蓋與塑料盒連接處的縫隙用膠帶封上，做成密閉反應(yīng)器。

將兩電極連上靈敏電流表，并將兩電極插入濃HNO3中。電流表指針先向右偏轉(zhuǎn)，約7s后向左偏轉(zhuǎn)（如果實驗長時間進(jìn)行，約31min還能看到電流表指針又向右偏轉(zhuǎn)），塑料盒中產(chǎn)生大量紅棕色氣體，溶液變成綠色。

將兩電極拉起脫離濃HNO3，實驗停止。將一角處圓孔上的膠帶除去，用洗耳球向塑料盒內(nèi)鼓氣，將盒內(nèi)產(chǎn)生的NO2氣體趕到燒杯中與NaOH溶液反應(yīng)，以處理掉尾氣。

2.1.4 實驗改進(jìn)后的優(yōu)點

（1）改進(jìn)后裝置密閉性較好，并具有尾氣吸收功能，避免了反應(yīng)生成的有毒氣體NO2對環(huán)境造成污染。

（2）兩電極可上下抽動，使反應(yīng)隨時開始或停止。

（3）用倒立的干燥管做尾氣吸收裝置，簡單安全。

2.2 實驗裝置改進(jìn)方案二

改進(jìn)后的圖3裝置有效解決了環(huán)境污染問題，但實驗裝置還相對比較復(fù)雜，且由于NO2密度較大，不易自行向尾氣處理裝置中轉(zhuǎn)移，需要用洗耳球向盒內(nèi)多次鼓氣才能將其全部轉(zhuǎn)入堿液中除去。因此筆者又對裝置做了進(jìn)一步的改進(jìn)。

2.2.1 實驗用品

橡皮管一段，鋁、銅電極各一個（長9cm，寬0.8cm），導(dǎo)線兩根，50μA靈敏電流計一個，塑料盒一個（長8cm，寬5cm，高7.5cm），帶孔塑料蓋一個（長8cm，寬5cm），20mL燒杯一個，棉花，塑料滴管，65%濃HNO3，30% NaOH溶液。

2.2.2 實驗裝置

電極槽的制作：塑料盒蓋的制作與圖2裝置大體相同。不同的是右上角不需打孔，只需要在塑料蓋的正中心位置打一個小孔，孔的大小使塑料滴管（塑料滴管的下半部分已剪掉）剛好插入又不漏氣為宜（見圖4）。

2.2.3 實驗操作方法及現(xiàn)象

銅、鋁電極的制作同上述改進(jìn)方案一，將20mL小燒杯放入塑料盒中部，滴管（塑料滴管的頭部已剪去，并塞入一團棉花）插入塑料蓋的圓孔上，依圖5（Ⅰ）連接實驗裝置。25℃下[3]，向小燒杯中加入5mL 65%濃HNO3，塑料盒中加入50mL 30%的NaOH溶液，滴管上部的棉花上滴入30%的NaOH溶液。將兩電極懸掛在濃硝酸上部，連上電流表，塑料蓋與塑料盒的連接處的縫隙用膠帶封上，做成相對密閉的反應(yīng)器。

將兩電極插入濃硝酸中，將看到電流表指針先向右偏轉(zhuǎn)，約15s后再向左偏轉(zhuǎn)，燒杯中產(chǎn)生大量紅棕色氣體，燒杯內(nèi)溶液變成綠色。將兩電極拉起脫離濃硝酸，實驗停止，紅色氣體慢慢消失。

2.2.4 實驗改進(jìn)后的優(yōu)點

（1）利用一次性塑料滴管和浸有氫氧化鈉溶液的棉花吸收尾氣，使實驗裝置更加簡易。

（2）尾氣處理不需要用洗耳球鼓入空氣而很快自行吸收，減少了有毒氣體的逸出。

3 實驗原理及結(jié)果分析

實驗過程中電流表指針先向右偏轉(zhuǎn)，說明起初由于鋁比銅活潑，鋁片做負(fù)極，電極反應(yīng)式如下：

4 實驗注意事項

（1）由于實驗中產(chǎn)生氣體NO2，為防止氣體從塑料蓋與塑料盒連接的縫隙處逸出，應(yīng)在放入藥品后，將塑料蓋與塑料盒的連接處用膠帶封上，做成相對密閉的反應(yīng)器。

（2）實驗裝置改進(jìn)二中的小燒杯不要太高，要低于塑料盒的高度以便產(chǎn)生的NO2氣體向塑料盒中擴散，利于尾氣吸收處理。

（3）反應(yīng)器所用的方形塑料盒也可以根據(jù)實驗室條件換成其他材質(zhì)和形狀（保證材質(zhì)不能與濃、稀硝酸或濃氫氧化鈉反應(yīng)）的反應(yīng)容器，只要做出一個相應(yīng)形狀的盒蓋即可。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：39～44.

[2][3]王繼璋，李高輝，霍玉堅.探究鐵和鋁在濃硫酸和濃硝酸中的電化學(xué)行為[J].化學(xué)教育，2011，（7）：52～53.