基于智能手機(jī)的銅和硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程可視化設(shè)計(jì)

劉江 趙寧東 劉俊 徐懷春

摘要： 以銅和濃（稀）硝酸反應(yīng)為例，用醫(yī)用注射器、三通旋塞等對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微量化改進(jìn)。通過智能手機(jī)拍攝結(jié)合希沃授課助手將實(shí)驗(yàn)過程實(shí)時(shí)傳輸大屏幕，得到放大的畫面，有利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)芡瓿摄~與濃（稀）硝酸反應(yīng)性質(zhì)的驗(yàn)證，藥品用量少、現(xiàn)象明顯、材料易得，適合教師在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用。

關(guān)鍵詞： 銅與濃（稀）硝酸反應(yīng); 微量化演示實(shí)驗(yàn); 智能手機(jī)

文章編號(hào)： 10056629（2020）06007203? 中圖分類號(hào)： G633.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

化學(xué)是實(shí)驗(yàn)與理論并重的自然科學(xué)。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過師生動(dòng)手操作，認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象與本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生掌握知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往存在實(shí)驗(yàn)裝置繁瑣、安裝時(shí)間長(zhǎng)，且現(xiàn)象不明顯、實(shí)驗(yàn)藥品用量多、廢棄物難以處理、有毒有害物質(zhì)直接排放、實(shí)驗(yàn)成功率低等問題。

銅和濃（稀）硝酸反應(yīng)是蘇教版高中《化學(xué)1》“硝酸的性質(zhì)”[1]中的重要內(nèi)容，教材中的實(shí)驗(yàn)裝置是用具支試管與分液漏斗組合，將產(chǎn)生的氣體通入倒置于充滿水的集氣瓶中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。水槽較重，具支試管與分液漏斗的固定和操作不夠方便，更不能手持裝置走到學(xué)生中間讓學(xué)生近距離觀察，而在講臺(tái)上演示時(shí)會(huì)使部分學(xué)生看得不夠清楚;將產(chǎn)生的氣體通入倒置于充滿水的集氣瓶，容易使生成的有毒氣體直接排放到空氣中污染環(huán)境，且實(shí)驗(yàn)試劑用量偏多。許多高中教師對(duì)銅和濃（稀）硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了很多研究和改進(jìn)，但依然存在許多問題沒有解決[2，3]。本文用醫(yī)用注射器、醫(yī)用三通旋塞等，把銅和濃（稀）硝酸反應(yīng)設(shè)計(jì)成微量化實(shí)驗(yàn)，用手機(jī)拍攝并結(jié)合“希沃授課助手”以直播的形式將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)時(shí)傳輸?shù)酱笃聊唬娔X）上，學(xué)生通過大屏幕（電腦）觀察，解決了實(shí)驗(yàn)試劑用量大，有毒、有害物質(zhì)逸散排放，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察等問題。該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置組裝簡(jiǎn)單，易操作，能用于固液、液液、氣液等反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 藥品和材料

濃硝酸（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、廢銅導(dǎo)線;鐵架臺(tái)（帶固定夾）、天平、輸液軟管、不同規(guī)格的注射器（1mL 1個(gè)，20mL 3個(gè)，150mL 1個(gè)）、醫(yī)用三通旋塞、智能手機(jī)、筆記本電腦（希沃授課一體機(jī)）、手機(jī)三角支架、VGA線

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和操作

按圖1所示連接醫(yī)用三通旋塞。1號(hào)接口與裝有1g打磨過的廢銅導(dǎo)線容積為20mL的注射器相接，活塞與底部留0.5cm間隙（注射器編號(hào)與對(duì)應(yīng)接口編號(hào)相同）;2號(hào)接口與裝有1mL濃硝酸容積為1mL的注射器相接;3號(hào)接口與容積為150mL的注射器相接，用于收集產(chǎn)生的氣體;4號(hào)接口與裝有水容積為20mL的注射器相接;5號(hào)口與輸液軟管相接，并將其插入4mol/L氫氧化鈉溶液中，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)空氣和水的用量可按需旋轉(zhuǎn)各旋塞補(bǔ)加。

使用VGA線將筆記本電腦與投影儀視頻接口連接起來，并設(shè)置投影儀的信號(hào)源為電腦，選擇合適的電腦屏幕分辨率以便輸出的畫面達(dá)到最佳效果，有條件也可以直接使用“希沃授課一體機(jī)”，直接進(jìn)入下一步操作。通過手機(jī)和電腦下載安裝最新版的“希沃授課助手”，將手機(jī)和筆記本電腦接入同一個(gè)無線局域網(wǎng)，或者電腦上運(yùn)行“希沃授課助手”。點(diǎn)擊“啟動(dòng)熱點(diǎn)”使筆記本電腦發(fā)射出一個(gè)WiFi信號(hào)，手機(jī)打開WLAN接入電腦發(fā)射出的WiFi，兩者連接建立數(shù)據(jù)通訊。將手機(jī)用手機(jī)三角支架固定在桌面上，運(yùn)行手機(jī)上的“希沃授課助手”，點(diǎn)擊“移動(dòng)展臺(tái)”菜單，選擇“直播”模式，點(diǎn)擊開始。調(diào)整清晰度、手機(jī)支架的高度以及與反應(yīng)裝置間的距離至手機(jī)（電腦）屏幕出現(xiàn)清晰的畫面為止。

旋轉(zhuǎn)旋塞A使1號(hào)和2號(hào)接口相通，將1mL濃硝酸注入裝有銅絲的注射器，迅速旋轉(zhuǎn)旋塞A和B使1號(hào)和3號(hào)接口相通，用3號(hào)注射器收集反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。同時(shí)把2號(hào)注射器替換為裝有一定量的空氣的注射器，待反應(yīng)進(jìn)行約30s后旋轉(zhuǎn)旋塞B和C，使3號(hào)和4號(hào)接口相通，向3號(hào)注射器注入約5mL水，輕輕搖動(dòng)裝置使注射器內(nèi)的氣體與水充分反應(yīng)，觀察現(xiàn)象。注射器內(nèi)顏色變?yōu)闊o色時(shí)注入一定量空氣氧化NO2與水反應(yīng)產(chǎn)生的NO氣體，重復(fù)注入空氣2～3次至注入空氣注射器內(nèi)顏色不再變化為止，確保NO全部氧化為NO2，且與水充分反應(yīng)。調(diào)整活塞將3號(hào)注射器內(nèi)溶液注入1號(hào)注射器，進(jìn)行驗(yàn)證稀硝酸與銅反應(yīng)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，用1號(hào)注射器收集產(chǎn)生的無色氣體。同時(shí)調(diào)整旋塞B和C將3號(hào)注射器內(nèi)剩余的氣體經(jīng)輸液軟管排出。約2min后旋轉(zhuǎn)旋塞A和B向3號(hào)注射器內(nèi)注入一定量的空氣，同時(shí)旋轉(zhuǎn)旋塞將1號(hào)注射器內(nèi)的氣體注入3號(hào)注射器觀察現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的活塞重復(fù)NO2與水反應(yīng)及注入空氣氧化NO的操作。做完實(shí)驗(yàn)從5號(hào)口吸入4mol/L NaOH溶液吸收殘留的氮氧化物，未反應(yīng)完的銅絲再次回收利用。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

該實(shí)驗(yàn)涉及的相關(guān)反應(yīng)為：

通過實(shí)驗(yàn)觀察可得： 向裝有打磨過的廢銅導(dǎo)線的注射器注入濃硝酸，立即產(chǎn)生大量紅棕色的氣體（反應(yīng)①），注射器活塞向外移動(dòng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，注射器活塞向外移動(dòng)的速度變慢，同時(shí)溶液變成了綠色。向收集氣體的注射器注入少量水，輕輕搖動(dòng)裝置可以觀察到： 收集氣體的注射器活塞緩慢向內(nèi)移動(dòng)，注射器內(nèi)紅棕色漸漸變淺最后變成無色（反應(yīng)③），說明NO2易與水反應(yīng);向注射器內(nèi)注入空氣后顏色又變?yōu)榧t棕色（反應(yīng)④），反復(fù)注入空氣過程中顏色一次比一次淺，直至最后注入空氣無明顯變化，說明NO容易被空氣中的O2氧化為NO2。向1號(hào)注射器注入NO2與水反應(yīng)的溶液，有無色的氣體產(chǎn)生（反應(yīng)②），此時(shí)注射器活塞向外移動(dòng)的速度相比銅與濃硝酸反應(yīng)要慢得多，溶液為淺藍(lán)色;向裝有NO的注射器注入一定量的空氣后，無色氣體變?yōu)榧t棕色。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作方便，更換試劑簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)銅與濃（稀）硝酸反應(yīng)微量實(shí)驗(yàn)的一體化，在密閉體系內(nèi)完成NO2和NO氣體的制備及性質(zhì)的檢驗(yàn)，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效控制。在實(shí)驗(yàn)過程中，整套裝置始終處于密封狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)過程無有毒有害氣體排出，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，便于觀察，成功率高，可在平行班級(jí)進(jìn)行多次演示。通過“無線投屏”的方式，將實(shí)驗(yàn)畫面放大，讓學(xué)生觀察到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程及氣泡產(chǎn)生的速率，溶液顏色的變化等現(xiàn)象也清晰可見。

用這套裝置還可以制取NO2并驗(yàn)證NO2和N2O4的平衡轉(zhuǎn)化受溫度、壓強(qiáng)的影響。學(xué)生可以觀察到NO2的制備過程，消除《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中雙鏈球中盛放的是否是NO2的疑問，并且證明了NO2和N2O4之間的平衡轉(zhuǎn)化確實(shí)受溫度、壓強(qiáng)的影響。

注意事項(xiàng)： 實(shí)驗(yàn)前要弄清楚醫(yī)用三通旋塞的旋塞所在位置與接口的相通關(guān)系;用于收集氣體的注射器容積要大，必要時(shí)可以用手輕輕拉著3號(hào)注射器活塞向外移，避免1號(hào)注射器活塞因注射器內(nèi)壓強(qiáng)過大造成有毒氣體泄漏;實(shí)驗(yàn)時(shí)濃硝酸量不能太多，銅絲須稍微過量。

3 結(jié)語

用注射器、醫(yī)用三通旋塞、輸液管等易得材料，只需通過簡(jiǎn)單的調(diào)整組裝就能用于固液、液液、氣液等反應(yīng)。如用稀鹽酸與大理石反應(yīng)制取CO2，用一個(gè)較大的注射器收集，將CO2分別注入裝有噴灑過石蕊試劑未干燥小花、噴灑過石蕊試劑干燥的小花，以及滴有酚酞試劑的堿性溶液就可以完成CO2性質(zhì)的部分實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)室教師可以借助“希沃授課助手”以直播的形式展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也可以手持實(shí)驗(yàn)裝置直接走到學(xué)生面前，讓學(xué)生近距離觀察現(xiàn)象;進(jìn)行固液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)只需在裝有兩種試劑的注射器間連接一個(gè)合適的“過濾器”就可通過注入和吸出液體試劑，控制反應(yīng)的開始與停止;也能用于電石與水反應(yīng)制取乙炔實(shí)驗(yàn)中，將乙炔氣體通入酸性高錳酸鉀溶液、溴的四氯化碳溶液可完成乙炔性質(zhì)的驗(yàn)證;在密閉體系內(nèi)用濃鹽酸和高錳酸鉀反應(yīng)制取少量氯氣并驗(yàn)證氯氣的性質(zhì);也可以在課前制取所需的氣體收集在注射器內(nèi)，方便課堂上直接使用。

智能手機(jī)拍攝結(jié)合“希沃授課助手”投屏到大屏幕（電腦）放大的方法實(shí)現(xiàn)了“小器材、少試劑、大現(xiàn)象”的演示效果，還可以用于具有危險(xiǎn)性的微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)的演示，如把手機(jī)與手機(jī)微距鏡頭簡(jiǎn)單的組合，通過“投屏”放大的方式可以演示金屬鈉從切開后在空氣中表面的變化到與水反應(yīng)過程的細(xì)節(jié)現(xiàn)象;也可以用于金屬鎂、鋅、鐵與鹽酸反應(yīng)現(xiàn)象的觀察，這樣不僅能觀察到反應(yīng)的劇烈程度（氣泡產(chǎn)生的速率），還能了解更為豐富、細(xì)致、直觀的信息。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)中合理地使用智能手機(jī)進(jìn)行教學(xué)能解決一些實(shí)驗(yàn)的安全問題，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，還能啟發(fā)學(xué)生作深入思考。在實(shí)踐中增強(qiáng)他們的安全意識(shí)，貫徹落實(shí)綠色化學(xué)的理念，逐步形成節(jié)約原料、節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境等觀念，樹立“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書？化學(xué)1（第6版）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2015： 100～103.

[2] 顏冬微， 吳雙桃， 劉藝等. 銅與濃、 稀硝酸反應(yīng)的微量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （2）： 63～65.

[3] 王玉芬. 在注射器中進(jìn)行銅和硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2013， （7）： 41～42.