銅與濃、稀硝酸反應的微量實驗設計

顏冬微+吳雙桃+劉藝+黃沔銣

摘要：人教版教材中沒有介紹銅與濃、稀硝酸反應的具體實驗裝置，魯科版中該實驗則存在難以控制反應速率、藥品用量大、容易倒吸、不易觀察到銅與稀硝酸反應生成NO氣體等弊端。采用微量實驗一體化的方法，設計了2套微量化實驗裝置，并從操作便捷性、現象明顯性和反應可控性等角度作了比較，最終確定了較優化的實驗設計。

關鍵詞：微量化實驗；裝置設計；銅；濃硝酸；稀硝酸

文章編號：1005–6629（2017）2–0063–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

當今我國中學化學教學實驗大多數是教師操作的演示實驗。微型實驗中由于儀器裝置過于微小往往存在明顯的弱點，即實驗現象的可見度太小、實驗操作有異化，這些無疑會影響到學生的觀察及實驗教學效果。而微量化實驗[1]克服了微型實驗這些弊端，以微小量的試劑在較常規的儀器裝置中進行化學實驗，使實驗現象依然足夠的明顯。即在保證了試劑用量少、污染少、省時間、易操作的同時，仍使用常規儀器、裝置，達到常規演示實驗的可見度。

銅與濃、稀硝酸的反應，是中學化學常用的演示實驗。但人教版教材沒有涉及到具體實驗裝置圖，魯教版雖有該實驗介紹，但存在無法控制反應速率、藥品用量較大、容易倒吸、難以觀察到銅與稀硝酸反應生成NO等弊端[2]。基于實現綠色化與滲透環境教育[3]的探索，筆者在對魯科版教材中該實驗進行研究的基礎上，實施了微量一體化改進，設計了兩套微量化實驗裝置，從操作便捷性、現象明顯性和反應可控性等角度進行比較，最終篩選出最優化的實驗設計方案。

1 材料與方法

1.1 改進的初步實驗設計方案1

1.1.1 實驗用品

（1）儀器：相關儀器一套（見圖1）、注射器1支

（2）藥品：銅片、濃硝酸（65%～68%）、蒸餾水、氫氧化鈉溶液（0.1 mol/L）

1.1.2 實驗裝置圖（操作臺及固定裝置部分略）

1.1.3 實驗步驟

（1）按照圖1組裝裝置，檢查裝置氣密性。

（2）取下注射器，拔出橡皮塞，填裝藥品。使用注射器吸取一定體積的濃HNO3溶液，在V形管的最底處放置干燥的銅片，在第二個小凹槽處放置蘸有少量蒸餾水的銅片，具支試管內則裝有帶有尾氣處理的2mL 0.1 mol/L NaOH溶液，上端連接帶有空氣的多用滴管。

（3）推動注射器注射適量的濃HNO3溶液（此時溶液不宜過多，恰好沒過V形管最底處的Cu片），反應一段時間后，擠壓帶有空氣的多用滴管可驗證NO。

1.2 改進的最終實驗設計方案2

1.2.1 實驗用品

（1）儀器：相關儀器一套（見圖2）、注射器1支

（2）藥品：銅片、濃硝酸（65%～68%）、蒸餾水、氫氧化鈉溶液（0.1 mol/L）

1.2.2 實驗裝置圖（操作臺及固定裝置部分略）

1.2.3 實驗步驟

（1）按照圖2組裝裝置，檢查裝置氣密性。

（2）取下注射器，拔出橡皮塞，填裝藥品。使用滴管量取1mL濃HNO3（5～8 mol/L）溶液注入U形管（此時應注意滴加的濃HNO3不能接觸到U形管的有孔內套管中的銅絲），側泡具支試管A中的銅片浸泡在蒸餾水當中，側泡具支試管B內則裝有2mL 0.1 mol/L NaOH溶液，上端連接帶有空氣的多用滴管。

（3）銅與濃HNO3反應：推動空的注射器加大U形管左側壓強，此時管內右側液面上升，從而進入內套管中，與螺旋狀銅絲接觸，反應10～15s后可通過拉伸注射器，使得銅與濃HNO3的反應停止（在拉伸注射器時要控制力度，不要用力過猛；對反應時間的控制要適當，以減少反應污染）。

（4）銅與稀HNO3反應：在停止銅與濃HNO3的反應30～60s后，生成的紅棕色氣體進入A管，由于密度大且易溶于水形成稀硝酸，根據2HNO3（濃）-NO2-2/3HNO3（稀）的轉化關系，此時A管中的稀硝酸[4]濃度約為1.67～2.67 mol/L，為下一步銅與稀HNO3反應的實驗做好了準備。待銅片與稀硝酸反應一段時間后，擠壓多用滴管，依據2NO（無色）+O2=2NO2（紅棕色），觀察B試管上方有無顏色的變化可驗證NO。

（5）待整個一體化反應完全停止后，拆下裝置，將剩余的硝酸溶液導入NaOH吸收液中。最后，洗滌儀器。

2 結果和討論

2.1 結果

2.1.1 方案1結果

銅與濃HNO3的反應劇烈，依據Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O，可觀察到實驗中V形管溶液變為藍色且有紅棕色氣泡冒出。生成的NO2氣體，由于氣體的產生，打破裝置內壓強的平衡，從而推動管內的濃HNO3溶液瞬間涌到第一個凹槽處甚至是第二個凹槽濕潤的銅片上。反應一段時間過后，擠壓多用滴管鼓入足量的空氣，根據2NO（無色）+O2=2NO2（紅棕色），在具支試管上方可觀察到有紅棕色的變化。雖說有一個無色到紅色現象的轉變，但無法辨別是NO2溶于水后生成的稀HNO3溶液與Cu反應生成了NO，還是濃HNO3被水稀釋后與Cu反應生成了NO。因此，此實驗操作方案不可取。

2.1.2 方案2結果

（1）銅與濃硝酸反應

銅絲接觸濃硝酸后，表面立即有氣泡產生，溶液變淺綠色。該反應迅速，在內套管上方可觀察到有紅棕色氣體產生，現象明顯。在密閉的U形管內，通過拉伸或壓縮空注射器可自由控制反應時間（壓縮注射器促使壓強增大進行反應，拉伸注射器使得固液分離使反應停止），減少了有毒氣體的生成量，解決了教材中實驗反應速率無法控制、有毒氣體外逸或倒吸的弊端。

（2）銅與稀硝酸反應

銅與稀硝酸反應實驗中，側泡具支試管A內溶液由無色變為藍色，同時銅片表面附著有大量氣泡。在A和B兩試管內均無看到有鮮明的紅棕色顏色出現，此時由于試管中充滿了氣體，無空氣的存在，可通過多用滴管鼓入足量空氣后，觀察到滴管下端處有顏色鮮明的紅棕色氣體生成，對比驗證了銅與稀硝酸反應產物為NO，且進一步證明了NO與O2的反應。

（3）尾氣和廢液處理

實驗結束后，酸、堿廢液以及NO2氣體直接排放會造成環境污染。為在課堂上開展環境教育，促使學生樹立環保意識，采用化學方法對尾氣和廢液進行處理。廢液分別為稀硝酸溶液和稀堿溶液，可混合發生中和反應：HNO3+NaOH=NaNO3+ H2O，并測定溶液pH。實驗中產生的尾氣主要是NO2，可通過堿液進行吸收處理，其溶液也可采用中和法調節pH。

2.2 討論

2.2.1 方案1實驗不可取的原因

整個裝置為全密封，有氣體產生則存在一定的危險性，微量一體化裝置內存在一定壓強，想要通過注射器注射濃HNO3的力度不好控制，加之整個反應的速率無法控制，因此此實驗不具有可操作性。

2.2.2 方案2裝置優點

（1）魯科版教材中未對尾氣進行處理，易導致有毒氣體的泄露，污染大氣環境且危害師生的身體健康；銅與濃、稀硝酸的分步實驗，步驟繁瑣，現象無法同時進行對比，不利于學生的觀察與理解，分步實驗導致了藥品用量消耗過大。本改進實驗，利用微量實驗一體化裝置同時完成銅與濃、稀硝酸反應的兩個實驗，對比驗證了NO的生成；對教材中未涉及到的實驗藥品用量、藥品濃度、反應時間等具體計時以及計算來準確定量，提高了實驗的安全性，節省了藥品和減少了污染。

（2）注射器、U形管、內套管組合成簡單的具有啟普發生器原理的裝置，通過注射器的拉伸與壓縮可控制反應的停止與進行，操作簡便。

（3）微型化實驗有利于學生人人動手，在實際操作中提高實驗技能，增強學生的“綠色化學”、“環境保護”等意識，進而形成可持續發展觀念。

3 結論

為實現綠色化與滲透環境教育，在進行微量實驗一體化改進的基礎上，通過對方案1和方案2兩套微量化實驗裝置結果的對比和分析，從操作便捷性、現象明顯性和反應可控性等角度最后篩選出最優化實驗方案2。

參考文獻：

[1]李光真.高中化學微量化實驗的開發[J].化學教學，2014，（5）：55～57.

[2]潭文生.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.

[3]翟新民.高中化學實驗綠色化的價值與途徑[J].中學化學教學參考，2010，（7）：38～40.

[4]羅宿星，伍遠輝，孫東來.銅與硝酸反應實驗中硝酸濃稀界限的研究[J].實驗室科學，2012，15（5）：67～69.