二氧化氮制取實驗裝置和除氣操作的改進

張婉楓(中核四0四有限公司第三分公司，甘肅 蘭州 732850)

0 引言

氮氣作為空氣中占有比例最大的氣體，擁有眾多的氧化物，因此往往也會涉及到許多的復雜問題。二氧化氮呈現紅棕色，并且在二氧化氮氣體當中往往存在著一定量的四氧化二氮，并且彼此之間往往存在著平衡制約的關系，維持這種關系會具有顯著的顏色變化，并且正反應是一種放熱反應，隨著反應的進行氣體的體積會減小。因此二氧化氮與四氧化二氮二者之間的轉化因為溫度、壓強的變化會導致化學反應平衡呈現出顯著的顏色變化，參與實驗的學生可以顯著感受到氣體溫度、壓強的變化導致化學平衡出現移動。所以說在一般教材當中，二氧化氮制備實驗都會出現在化學平衡移動條件教學當中，而二氧化氮就是這一實驗當中的重要氣體。二氧化氮本身是一種有毒性、有害性氣體，并且在二氧化氮制備實驗當中，常常不可避免地會有一定量的二氧化氮出現在空氣當中。所以在制備二氧化氮實驗、平衡實驗結束以后，需要將余氣去除，如果這些氣體釋放出來就會對環境造成污染。為了最大程度上減少二氧化氮對環境造成的污染，教學實驗中將二氧化氮制備與平衡實驗作為重點研究課題。

1 二氧化氮制取實驗

1.1 常用制取裝置存在的一系列缺陷

在化學實驗教學過程中，往往使用銅、濃硝酸制備二氧化氮氣體。對于少量的二氧化氮氣體制備往往在試管當中進行。不過對于氣體平衡實驗而言，往往需要制備大量的氣體，因此需要在大容量燒瓶當中進行。需要將制備氣體的燒瓶和玻璃導管實現連接，隨后在燒瓶當中插入玻璃導管。制備二氧化氮實驗裝置如圖1所示。制備二氧化氮的過程中，需要將銅、濃硝酸進行充分混合，并且反應處于持續進行的狀態，同時導管當中排出氣體也是處于持續進行的狀態，由此導致排出氣體的過程和收集氣體的過程并沒有實現密切結合：

圖1 制備二氧化氮實驗裝置

(1)在集氣瓶更換過程中難免會將瓶中氣體釋放出來，如果更換集氣瓶數量多，釋放出的氣體也就越多。(2)收集氣體結束以后，燒瓶內部剩余的銅、濃硝酸之間還需要繼續產生反應，繼續產生二氧化氮，這些后來產生的二氧化氮就會釋放到空氣當中[1]。雖然將導管插入NaOH溶液當中，但是在氣體排出較快的條件下，還是會有很多氣泡從溶液當中的氣泡釋放出來對空氣造成污染。(3)生成物與對應的現象：氣體制備燒瓶內部，銅和硝酸反應生成硝酸銅、二氧化氮、一氧化氮，經過電離產生二氧化氮離子，與銅離子反應生成Cu(NO2)2，液體呈現綠色。其中加入大量的氫氧化鈉溶液以后，會很大程度上降低硝酸銅濃度，液體呈現綠色，主要是亞硝酸銅溶液的顏色[2]。通過倒吸使氫氧化鈉溶液進入到燒瓶內部，溶液當中形成Cu(OH)2、Cu(OH)2·Cu(NO3)2。當二氧化氮等氣體和已經進入燒瓶當中的下落氫氧化鈉溶液在運動過程中由于充分接觸而發生反應：

少量的水當中會形成大量的NaNO2沉淀，和銅離子發生反應，產生具有可溶性的Cu(NO2)2黃綠色固體。受到多種因素影響，在氫氧化鈉溶液當中會摻雜一定量的碳酸鈉，正因如此在酸性區域當中才會產生二氧化氮氣體，并且紅棕色消失。二氧化氮和氫氧化鈉溶液在實際反應過程中，產生的氣體會轉化成為液體或固體，從而氣壓下降，這樣才能保證倒吸可以持續進行。因為濃度過高，在倒吸過程中會產生競爭反應，濃度不同會形成不同的物質，部分物質因為不穩定性，會產生轉化現象。

1.2 去除燒瓶中的氣體

去除氣體的過程中，燒瓶需要和氣球之間使用T形管進行連接，隨后將T形管與玻璃導管實現連接，在氫氧化鈉溶液當中插入玻璃導管。隨后將K2關閉，將K1打開，使用熱毛巾捂住燒瓶，氣體在加熱條件下會出現膨脹，氣壓增加，此時氣體會進入到氣球當中。一段時間后，將K1關閉，拿掉熱毛巾，將K2打開，換用冷毛巾捂住燒瓶，氣體受冷就會收縮，氣壓下降，由此產生倒吸現象，氫氧化鈉溶液進入燒瓶中，此時再將K1打開。集氣瓶當中有氫氧化鈉溶液進入以后會和瓶內的氣體發生反應，產生多種氧化物，包括NaNO3、NaNO2、H2O，去除NO2、N2O4、NO，原本呈現紅棕色的氣體最終變為淺黃色的溶液。

2 實驗改進

2.1 在實際教學當中的應用

實驗經過改進以后，制取、去除二氧化氮的方法、內容、操作細節都會在實際教學活動中成為一種優質的教學資源，并且在教學過程中可以結合實際需求進行靈活的變動，包括適當的拓展與壓縮。氣體制備裝置改進以后，在倒吸的作用下，往往燒瓶中會呈現出多種多樣的現象，在一定程度上吸引學生的學習興趣，通過具有趣味性的方法掌握去除二氧化氮的方式，并且這在很大程度上可以加深學生的學習印象。關于二氧化氮制備實驗不僅可以在課堂上進行，在課外的化學活動小組、化學興趣小組同樣可以進行，這樣可以提升學生們學習化學的積極性。對于已經學習過關于二氧化氮知識的學生，這一實驗可以幫助學生鞏固知識，對于還沒有學習過二氧化氮知識的學生，可以激發其求知欲、探索欲、趣味性。并且在整個學習過程中，通過一個實驗涉及到了多方面的知識，包括化學式、化合價、化學平衡等等。在實驗過程中可以實現對這些方法、內容的歸納、分類，并且在實際教學過程中，還可以從多角度提升學生的化學核心素養。

2.2 推廣應用倒吸法

制備二氧化氮氣體的裝置，無論是否加熱，在有必要的條件下，使用這一套裝置與方法均可以產生倒吸現象，通過倒吸法可以將多種有毒氣體去除。在中學化學教學中，不僅是二氧化氮，包括二氧化硫、氯氣、鹽酸、氨氣均可以使用倒吸法進行去除。二氧化硫、氯氣、鹽酸等氣體可以使用氫氧化鈉進行去除，氨氣需要使用鹽酸溶液進行吸收。由于不同的氣體具有不同的性質，因此在制備氣體時往往也具有不同的特點。對于一些氣體制備反應，有時需要加熱，而有些氣體并不需要加熱，有些氣體在反應過程中放熱多，有些氣體則放熱少。有些氣體在特定的液體中具有相對較大的溶解度，而有些氣體在液體中具有較小的溶解度，而溶解度會在根本上決定倒吸的速度。在去除殘留氣體的過程中往往氣體需要一定的冷卻時間，冷卻完成后，才可以用手去觸碰燒瓶，通過氣球的舒張程度對氣壓大小進行判斷，以此來選擇正確的倒吸方法與時間。在去除氣體的過程中，氣球當中往往不能含有過多的氣體。

3 改進后實驗設計

結合以往的實驗數據分析，燒瓶內部二氧化氮氣體壓力、吸收劑的實際溫度、料填充度均是對吸收二氧化氮氣體產生影響的主要因素。鑒于此，需要在正交設計法實驗原則的基礎上對上述三因素進行分析，并在此基礎上探索吸收二氧化氮。

3.1 二氧化氮的產生

銅和濃硝酸之間發生劇烈的反應，反應釋放出大量的紅棕色二氧化氮氣體，反應式：

3.2 二氧化氮與水的反應

集氣管當中收集滿二氧化氮氣體以后，集氣管下口就會放出已經形成的二氧化氮，反應瓶當中用于液封的水會吸收二氧化氮。反應式：

3.3 一氧化氮與氧氣之間的反應

銅與濃硝酸劇烈反應停止以后，因為銅已經完全消耗完畢，因此反應停止，整個反應大約持續4 s時間，并且集氣管內部的水位迅速上升，同時紅棕色氣體不斷淡化。二氧化氮與水之間發生反應生成硝酸、一氧化氮。生成的一氧化氮在氧氣的作用下很容易被氧化，反應式：

3.4 集氣管水面上升

二氧化氮與水之間發生反應，由此集氣管內部的氣體體積減少，造成負壓，水被向上吸，水面最終停止在集氣管的2/3～3/4位置。

4 特點與用途

4.1 特點

在對實驗儀器進行清洗之前，需要將內管罩向上輕輕提起，脫離水面持續幾秒鐘，使空氣進入，這樣就可以將殘留在內部的一氧化氮被反應掉，氧氣含量大約為40 mL。結合反應理論，產生的一氧化氮會轉化為二氧化氮，此時需要消耗大約10 mL的氧氣，反應結束后，往往實驗器內部會剩余大量的氧氣，而一氧化氮幾乎沒有剩余，此時對實驗器進行沖洗可以確保安全性。

4.2 用途

因為二氧化氮氣體易溶于水，由此制備二氧化氮以及二氧化氮和水之間發生的反應可以實現在反應器內連續進行，改進后的實驗裝置可以很大程度上解決實驗進行的時間以及實驗試劑的使用量，并且確保實驗的環保。

5 結語

通過改進二氧化氮制備實驗，可以有效防止氣體制備過程中出現二氧化氮泄漏的情況。實驗進行的過程中，受到多種因素的影響，溶液會呈現出多種顏色的變化現象。對二氧化氮制備實驗改進以后可以有效提升二氧化氮氣體的吸收率，并且實驗過程中涉及到多項知識點，可以幫助學生進行預習、鞏固。