銅與硝酸反應實驗的一體化設計

伍強 方瑞光

摘要：介紹了全國第十二屆化學實驗教學創新研討會上關于銅與硝酸反應的3例優秀作品。在此基礎上，設計了一套新的實驗裝置。用該裝置可連續演示銅與濃硝酸、二氧化氮與水、銅與稀硝酸及一氧化氮與氧氣反應等實驗，達到實驗一體化的目的。實驗具有對比性、直觀性、自控性、調控性、操控性、低污染的優點，具有較好的實驗教學功效。

關鍵詞：銅與硝酸；反應實驗；一體化設計；實驗改進與創新

文章編號：1005–6629（2016）6–0060–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

中國教育學會化學教學專業委員會主辦的全國第十二屆化學實驗教學創新研討會于2015年10月27日～10月30日，在福建省廈門第一中學舉行。研討會上展示了來自全國各地203件實驗創新作品。在閉幕式上，華東師范大學王程杰教授作了精彩點評，強調“一看就懂，一學就會，重在思維引導”的實驗創新設計理念。

1 Cu和HNO3反應實驗創新作品分析

Cu與HNO3反應實驗創新是一個永恒的課題，許多研究者已做了創新設計[1～4]。在本屆研討會上，展示的Cu與HNO3反應實驗創新作品共有12件，Cu與HNO3反應的容器分別是注射器（4件）、U型管（3件）、試管（2件）、膠頭滴管（1件）、移液管（1件）、小玻璃瓶（1件）。其中湖南省代表隊賈超老師的作品“銅與稀硝酸反應制取一氧化氮實驗裝置的改進”、浙江省代表隊顧建鳴老師的作品“銅與濃、稀硝酸反應實驗的改進”、福建省代表隊馬東老師的作品“硝酸性質實驗的一體化設計”受到評委組好評，獲一等獎。筆者反復觀看了現場展示實驗的視頻，按照作者的實驗裝置以及試劑的用量和濃度、操作的步驟和方法，對三件優秀作品做了實驗再現。領悟了實驗創新設計的理念，受益匪淺，同時也發現了作品存在的不足之處，提出了改進的方案。

（1）“銅與稀硝酸反應制取一氧化氮實驗裝置的改進”[5]，實驗裝置如圖1所示。向大試管中加入約2/3試管預先水浴加熱的稀HNO3（1：3），再加適量植物油至接近試管口，然后塞緊掛有銅片的橡皮塞，銅片與稀HNO3反應生成NO氣體慢慢地將注射器的活塞往上推，收集3mL NO氣體后取下橡皮塞（包括銅片）。向注射器里再吸入適量空氣，氣體顏色由無色變為紅棕色。

[實驗的優點]實驗裝置簡便，Cu與稀HNO3反應生成的NO氣體沒有直接與空氣接觸。清晰地觀察到無色NO和O2反應生成紅棕色NO2的實驗過程和現象。

[實驗的缺點]取下橡皮塞時，在試管口處觀察到少量的紅棕色氣體生成，有氮氧化合物外逸。橡皮塞如果蘸上植物油，則易引起脫塞現象。稀HNO3要預先水浴加熱，學生會誤認為Cu與稀HNO3在加熱條件下才能反應。

[試劑的改進]不用植物油，單用稀HNO3直接加至接近試管口，實驗操作簡單，效果卻相同。將銅片換成細銅絲且適當增大稀HNO3濃度，這樣Cu與稀HNO3反應較快，就可省去水浴加熱稀HNO3的操作。

（2）“銅與濃、稀硝酸反應實驗的改進”[6]，實驗裝置如圖2所示（注：移液管用滴定管夾固定，固定裝置略）。往錐形瓶中加入30mL濃HNO3，用洗耳球對準上方橡皮管口吸氣，至濃HNO3充滿整個移液管，關閉彈簧夾A。銅絲與濃HNO3反應生成NO2，液面下降固液分離，關閉彈簧夾B。通過上方橡皮管口用注射器將5mL水注入移液管中，NO2與水反應生成NO。用注射器吸取移液管中的部分NO，再抽出注射器針（注：此操作必須使移液管內產生負壓）。在錐形瓶中加入50mL水用于稀釋濃HNO3，打開彈簧夾B，倒吸約5mL的稀HNO3。銅絲與稀HNO3反應產生微小氣泡，液面下降非常緩慢，過了十幾分鐘固液分離。向移液管中注入空氣，氣體顏色由無色變為紅棕色。

[實驗的優點] Cu與濃、稀HNO3反應生成一定量的氣體使固液自動分離，就像作者所說的：“類似于啟普發生器原理，達到固液分離效果”。能清晰地觀察到NO2與NO相互轉化的實驗現象。

[實驗的缺點]用注射器吸取移液管中部分的NO，使移液管內產生負壓，操作難度大。打開彈簧夾B使稀HNO3倒吸，難以控制移液管中稀HNO3的濃度。移液管中NO氣體沒有被完全清除，假如銅與稀HNO3反應生成H2，向NO和H2的混合氣體中注入空氣也能生成紅棕色氣體，因此向移液管中注入空氣，氣體顏色由無色變為紅棕色，不能說明Cu與稀HNO3反應生成NO。

[操作的改進]改進銅絲與稀HNO3反應的操作，打開彈簧夾A、B，用洗耳球對準上方橡皮管口吸氣，至稀HNO3充滿整個移液管，這樣移液管中生成的NO氣體都是銅絲與稀HNO3反應生成的。

（3）“硝酸性質實驗的一體化設計”[7]，實驗裝置如圖3所示。稍壓扁塑料瓶，塞上橡皮塞。用注射器向小玻璃瓶中注入1mL濃HNO3，銅片與濃HNO3反應生成NO2。拉推注射器活塞2次，水經過三通管吸入小玻璃瓶中，吸入約20～30mL水。NO2與水反應生成NO，銅片與稀HNO3反應極微弱，近距離能觀察到稀少微小的氣泡。同時擠壓加壓球和外拉注射器活塞向小玻璃瓶中注入空氣，氣體顏色由無色變為紅棕色。

[實驗的優點]拉推注射器活塞使水吸入小玻璃瓶中，能清晰地觀察到NO2與NO相互轉化的實驗現象。

[實驗的缺點]向小玻璃瓶中注入20～30mL水，銅片與稀HNO3反應極微弱，此時小玻璃瓶中的NO氣體主要是NO2與H2O反應生成的，因此向小玻璃瓶中注入空氣，氣體顏色由無色變為紅棕色，不能說明Cu與稀HNO3反應生成NO。另外實驗裝置復雜，不符合“一看就懂，一學就會，重在思維引導”的實驗創新設計理念，難以找到合適的塑料瓶和小玻璃瓶。

[裝置的改進]用礦泉水瓶和細口瓶分別替代合適的塑料瓶和小玻璃瓶，設計成如圖4所示的實驗裝置，達到一看就懂的目的，而裝置功能不變。

三件優秀作品其主要優點如下：賈超老師的作品，Cu與稀HNO3反應生成的NO氣體沒有與空氣直接接觸。顧建鳴老師的作品，Cu與濃、稀HNO3反應生成一定量的氣體使固液自動分離。馬東老師的作品，拉推注射器活塞能使水吸入小玻璃瓶中。借鑒三件優秀作品的優點，筆者設計了一套新的實驗裝置用于Cu與濃、稀HNO3反應實驗演示。

2 Cu與HNO3反應實驗再創新

2.1 實驗儀器及試劑

實驗儀器：250mL吸濾瓶、干燥管（25mL容積）、30mL塑料注射器的外殼、T型玻璃管、彈簧夾、250mL錐形瓶、100mL注射器（化學實驗用注射器，出口口徑較大，便于液體或氣體的進出）

實驗試劑：65%～68%濃硝酸、粗銅絲、細銅絲（從軟導線中取出）、濃NaOH溶液

2.2 實驗裝置的設計

設計的實驗裝置如圖5所示。吸濾瓶側口連接30mL塑料注射器的外殼，內裝蘸有濃NaOH溶液的棉花團。吸濾瓶上口插入帶有橡皮塞的干燥管，再通過T型玻璃管連接100mL注射器。

2.3 實驗操作、現象和結論

2.3.1 Cu與濃HNO3反應、NO2與H2O反應

（1）在吸濾瓶中加入30mL濃HNO3，在干燥管中加入粗銅絲，按如圖5所示組裝裝置。

（2）打開K1關閉K2，外拉注射器活塞，吸濾瓶中的濃HNO3被吸入干燥管中至充滿，關閉K1。干燥管中生成紅棕色氣體，溶液呈現綠色，液面下降固液分離。粗銅絲與濃HNO3反應生成NO2，NO2溶于含有Cu（NO3）2的濃HNO3溶液中呈現綠色。

（3）打開K2關閉K1，注射器吸入50～80mL水。關閉K2打開K1，注射器中的水被自動吸入干燥管中。干燥管中紅棕色氣體消失，約有1/3干燥管的無色氣體生成，吸濾瓶中溶液呈現藍色。NO2與水反應生成NO。

2.3.2 Cu與稀HNO3反應、NO與O2反應

（1）將橡皮管從錐形瓶中取出，控制K1、K2，向干燥管中注入一注射器的空氣（清除干燥管中氮氧化合物），打開干燥管塞子，向干燥管中添加一團細銅絲，塞緊塞子。

（2）外拉注射器活塞，吸濾瓶中的稀HNO3被吸入干燥管中至充滿，關閉K1。干燥管中生成無色氣體，液面下降固液分離。銅絲與稀HNO3反應生成NO。

（3）打開K1關閉K2，外拉注射器活塞吸入NO，關閉K1，打開K2，再外拉注射器活塞吸入少量空氣。注射器中氣體顏色由無色變成紅棕色。NO與空氣中O2反應生成NO2。

（4）將橡皮管插入錐形瓶中，控制K1、K2，將錐形瓶中的水轉移到吸濾瓶中，實驗結束。

2.4 實驗設計的思考

2.4.1 Cu與HNO3反應的速率

Cu與濃、稀HNO3反應速率不同，為控制反應速率，選用粗銅絲與濃HNO3反應，用細銅絲與稀HNO3反應。在常溫下，對于Cu與稀HNO3的反應，濃HNO3與水體積比以1：1.7至1：2.7配制稀HNO3較好，稀HNO3濃度過大反應會生成少量NO2，稀HNO3濃度過小反應緩慢。Cu與HNO3反應速率受溫度影響較大，在氣溫較低的冬天，可將銅絲繞成螺旋狀或球狀，提高銅絲周圍溶液的溫度，從而增大反應速率。銅絲的粗細、HNO3的濃度、反應物的溫度均影響Cu與HNO3反應的速率，通過對比實驗證實：生成的Cu（NO3）2也會明顯提高Cu與稀HNO3的反應速率。

2.4.2 NO2與H2O反應生成NO

1體積的NO2與H2O反應應有1/3體積的NO生成，其實NO2與水反應較復雜。當溫度為294K左右時，紅棕色氣體為NO2和N2O4的混合物，其中約含15%的NO2[8]。假設1體積NO2和N2O4的混合物與水完全反應生成NO，則至多生成0.62體積的NO，因此有較多的NO生成。NO2易溶于水，并歧化生成HNO3和HNO2：2NO2+H2O=HNO3+HNO2，HNO2不穩定，受熱（或強酸性條件）立即分解：3HNO2=HNO3+2NO+H2O[9]，因此實驗條件下HNO2分解的量不確定。在實驗時，若向干燥管中注水過快，HNO2未分解就進入吸濾瓶中，生成NO量不到1/3干燥管；若向干燥管中注水較慢，生成NO量超過1/3干燥管，甚至達到1/2干燥管，因此在教學中觀察到有無色的NO氣體生成即可，不必深究生成NO氣體的多少。

2.5 實驗創新的意義

用設計的實驗裝置可連續地演示Cu與濃HNO3、NO2與H2O、Cu與稀HNO3、NO與O2的反應實驗，實驗現象明顯，達到一體化設計的目的。實驗具有以下六個方面的優點，因此具有良好的實驗教學功效。

（1）對比性。Cu與濃HNO3反應、Cu與稀HNO3反應都是在隔絕任何氣體的相同情況下進行的。

（2）直觀性。能看到干燥管中的NO2氣體與H2O反應生成一定量的NO氣體。

（3）自控性。Cu與濃、稀HNO3反應生成一定量的氣體使固液自動分離。

（4）調控性。在實驗過程中，可以添加細銅絲增大Cu與稀HNO3的反應速率。

（5）操控性。如控制好K1、K2，可將錐形瓶中的水轉移到吸濾瓶中。

（6）低污染。用注射器的外殼，內裝浸有濃 NaOH溶液的棉花團來吸收氮氧化物較為完全。

參考文獻：

[1]張正飛，柏書梅.利用膠頭滴管演示銅與硝酸的反應[J].化學教學，2010，（2）：8.

[2]雷玉芳.銅與硝酸反應實驗的質疑和探究[J].化學教學，2010，（5）：15～16.

[3]譚文生.銅與濃、稀硝酸反應實驗的綠色化設計[J].化學教學，2012，（11）：45～46.

[4]王玉芬.在注射器中進行銅和硝酸反應實驗[J].化學教學，2013，（7）：41～42.

[5][6][7]中國教育學會化學教學專業委員會.全國第十二屆化學實驗教學創新研討會資料匯編[M].福建，2015：267，329，394.

[8][9]北京師范大學等.無機化學（下冊）（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2003：527，527.