銅與硝酸反應實驗試劑微量化改進

曾茹蕓　藍麗微　張燕輝

摘要： 對高中化學三個版本教材中“HNO3的性質實驗”的實驗裝置進行評析與改進，將玻璃導管、醫療用品等用于組裝實驗裝置，能對比Cu與稀、濃HNO3反應現象的不同，且能完成NO、 NO2的多個性質實驗，簡單易操作。改進后的實驗可以減少試劑用量，具有微量化的特點。

關鍵詞： 銅與硝酸反應； 氮氧化物； 試劑微量化； 實驗改進

文章編號： 10056629（2023）11007204 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 課標與教材分析

銅與濃、稀硝酸反應作為“氮及其化合物”這一章節的重要實驗，輔助學生了解和掌握氮及其化合物的性質。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》［1］對氮及其化合物的內容要求是結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解氮及其重要化合物的主要性質；在學習活動中建議利用實驗及探究活動學習濃、稀硝酸的性質，氮氧化物的性質與轉化。

將三個版本教材中的銅與濃、稀硝酸反應實驗進行對比，如表1所示。在蘇教版、人教版高中化學教材中的銅與硝酸反應實驗，反應前未排盡具支試管中的空氣，可能會導致銅與稀硝酸反應生成的NO迅速被空氣中的氧氣氧化，學生不易觀察到無色的NO氣體與氧氣反應生成紅棕色氣體的現象。除此之外，蘇教版教材中的實驗使用銅片，無法控制銅與硝酸的反應速率；利用排水法收集銅與稀硝酸反應生成的NO，但銅與濃硝酸反應生成的NO2氣體也會與水反應生成NO，干擾實驗結果［2］；且裝置缺少尾氣吸收處理。在人教版教材中，該實驗在結束后，具支試管中剩余的氮氧化物無法進行綠色化處理，拆卸裝置時，極易逸散至空氣中。魯科版教材則編寫簡單，僅對氣體發生裝置和氮氧化物的吸收作了簡要的提示。

2 Cu與HNO3反應實驗改進文獻案例簡介

近些年有關銅與濃、稀硝酸反應的實驗改進主要集中在銅與濃、稀硝酸反應現象對比；排除空氣對銅與稀硝酸反應的影響；實驗裝置微型化與使用生活用品等［3］。銅與硝酸反應作為課堂演示實驗，其改進不僅要符合當下實驗改進的原則，更要保證改進實驗在化學實驗教學中的可行性。于永民老師等利用雙球干燥管、啟普發生器使裝置處于CO2的環境，實現在無氧條件下，銅絲與濃硝酸、稀硝酸的連續反應［4］；譚文生老師利用移液管、洗耳球在全封閉的條件下實現銅絲與濃、稀硝酸的可控反應，現象明顯、取材方便［5］；魏海老師自制雙注射器制造無氧環境，并實現有毒氣體零排放［6］。以上實驗改進方案對學生具有一定的啟示作用，但仍存在實驗裝置復雜、不易操作等問題。

此外，又發現某些利用注射器和銅片改進的實驗［7］，將注射器作為銅與濃硝酸反應的裝置，反應瞬間可產生大量的NO2，但壓強過大，可能會導致氣體沖出注射器；利用輸液袋與銅絲改進的實驗［8］，輸液袋收集氣體可起到緩沖作用，但二次實驗時發現輸液袋由透明變成乳白色，影響了學生對實驗現象的觀察。

3 實驗試劑微量化實驗改進思路

對三個版本教材實驗存在的不足進行思考和改進，利用玻璃導管、注射器等改進銅與濃硝酸、稀硝酸反應裝置，在氣體顏色的轉變上，為NO向NO2轉化提供證據支持，體現微量化實驗的改進思路。

微量化實驗的研究，是建立在上世紀末提出的微型實驗基礎之上的［9］。微型實驗中的儀器、裝置過小往往有其致命的弱點，即實驗裝置與現象的可見度太小、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。而微量化實驗則克服了微型實驗的這些弊端，其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明顯。即微量化實驗在保證試劑用量少、污染少、省時間、易操作的同時，仍使用常規儀器、裝置，仍能達到常規演示實驗的可見度［10］。基于此功能和特征，在中學化學實驗中研究和推廣微量化實驗就十分必要了。

在微量化實驗中，可以利用一些更生活化、更環保的實驗儀器和手段，如空礦泉水瓶、注射器、濾紙、火柴等，將原本較復雜、較耗試劑、較污染環境的實驗簡化成微量的、易操作的、對環境較友好的、演示的可見度不受影響（甚至更好）的實驗方案［11］。

4 實驗部分

4.1 實驗用品

導管（直角導管、直導管）、橡膠管、止水夾、注射器（20mL，分別編號為A、 B）、西林瓶、圓底燒瓶、銅絲（提前用砂紙打磨）、濃硝酸、稀硝酸（V濃硝酸∶V水=1∶1）、飽和NaOH溶液

4.2 實驗裝置

實驗裝置見圖1、圖2。

4.3 實驗步驟

4.3.1 銅與稀硝酸反應

用膠頭滴管吸取4mL稀HNO3，滴加到直角導管中；注射器A吸取1mL空氣，注射器B吸取10mL飽和NaOH溶液，如圖1所示，組裝實驗裝置。關閉止水夾2，調整銅絲的位置，使銅絲與稀HNO3接觸，反應開始。向上拉動銅絲，離開稀HNO3液面，反應停止。隨即拉動注射器A的芯桿，使NO與O2發生反應。觀察到實驗現象后，轉動裝置使注射器B在上端并打開止水夾2，拉動注射器B的芯桿吸收直角導管與注射器A中的NO和NO2。

4.3.2 銅與濃硝酸反應

類似地，用膠頭滴管吸取2mL濃HNO3，滴加到直角導管中，注射器B吸取10mL飽和NaOH溶液，如圖1所示，組裝實驗裝置。關閉止水夾2，調整銅絲的位置，使銅絲與濃HNO3接觸，反應開始。向上拉動銅絲，離開濃HNO3液面，反應停止。觀察到實驗現象后，關閉止水夾1，取出注射器A，向其中注入一定量H2O，完成NO2與H2O的反應實驗。隨即轉動裝置使注射器B在上端并打開止水夾2，拉動注射器B的芯桿吸收直角導管中的NO2。

4.3.3 收集NO2氣體

如圖2所示，用注射器吸取2mL濃HNO3，滴加入西林瓶中，兩支玻璃導管穿過西林瓶雙孔塞，分別用來收集反應生成的NO2氣體與固定銅絲，便于上下移動銅絲，隨時調整反應速率。圓底燒瓶口的雙孔塞，分別用來排盡圓底燒瓶內的空氣與連接西林瓶收集NO2。當觀察到圓底燒瓶內充滿紅棕色氣體，證明氣體收集完成。之后可通過導管向西林瓶滴加飽和NaOH溶液進行尾氣吸收。

4.4 實驗現象與解釋

4.4.1 銅與稀硝酸反應

Cu與稀HNO3反應生成Cu（NO3）2與NO，溶液逐漸由無色變為藍色，且有無色氣泡冒出，無色的NO氣體進入裝有少量空氣的注射器A后，被空氣中的氧氣氧化，轉化為紅棕色的NO2氣體。反應的方程式如下：

3Cu+8HNO3（稀）3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

2NO+O22NO2

4.4.2 銅與濃硝酸反應

Cu與濃HNO3反應生成Cu（NO3）2與NO2，溶液由無色變為綠色，其原因為藍色的Cu（NO3）2溶液與紅棕色的NO2氣體混合使直角導管中的溶液由無色逐漸變為綠色。反應生成的紅棕色NO2氣體增大直角導管內的壓強，氣體慢慢進入注射器A，當注射器A中約有3mL NO2時，關閉止水夾1，往注射器A注入一定量H2O，NO2與H2O反應生成HNO3和NO，注射器A中氣體顏色由紅棕色變為無色。反應的方程式如下：

Cu＋4HNO3（濃）Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

3NO2+H2O2HNO3+NO

2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O

4.4.3 收集NO2氣體

Cu與濃HNO3反應生成Cu（NO3）2與NO2，一段時間后，西林瓶充滿了紅棕色的NO2氣體，溶液由無色變為綠色。利用向上排空氣法收集氣體，使圓底燒瓶內充滿紅棕色的NO2氣體，隨即向西林瓶中加入飽和NaOH溶液進行尾氣吸收。

4.5 注意事項與實驗說明

反應前，銅絲要提前用砂紙打磨，除去表面的氧化膜；銅與稀HNO3反應時，注射器A中裝入少量空氣（1～3mL為宜）；進行銅與濃HNO3反應時，緩慢上下移動銅絲，以免反應過于劇烈。

銅與稀、濃HNO3反應的改進實驗重點在于讓學生通過實驗了解兩個反應的實驗現象不同，產物不同，以及稀、濃HNO3的性質；通過銅與稀HNO3的反應為NO向NO2轉化提供實驗證據支持；收集NO2氣體實驗，為后續進一步學習NO2的性質及噴泉實驗做準備。

4.6 改進后實驗優點

（1） 銅絲代替銅片，可以隨時停止反應，且未反應的銅絲經過砂紙打磨，可以重復使用。

（2） 化學試劑用量很少，且解決了原教材尾氣吸收不充分，造成NO、 NO2污染等問題。

（3） 學生可以清晰地觀察到溶液、氣體顏色的變化，有助于學習稀、濃HNO3的性質，同時為NO向NO2的轉化提供事實證據。

（4） 實驗裝置簡便、易于攜帶，便于教師在課堂中演示。

5 課堂教學效果反饋

將本改進實驗運用到課堂教學實踐中，及時記錄課堂教學情況。通過課后訪談收集授課教師與學生對改進實驗的意見，分析歸納銅與稀、濃HNO3改進實驗的創新性及在教學實踐中的可行性。

從師生訪談結果來看，該微量化改進實驗簡化了教師課前的準備工作，解決了教材實驗的不足，提高了實驗操作效率及課堂演示實驗的成功率；同時通過分組實驗探究，激發了學生對化學的學習興趣，深化了對知識的理解，起到了啟發引導的作用，得到了師生們的肯定。相信微量化實驗的應用會提升到更高的水平，服務于教學，為一線化學教師提供可行的實驗方案。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 15～17.

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［3］徐嘉彬， 李佳， 王后雄. 銅與硝酸反應實驗改進文獻綜述［J］. 教育與裝備研究， 2020， 36（7）： 35～39.

［4］于永民， 鄒正良， 李勝榮. 銅與濃、稀硝酸反應實驗裝置的創新設計［J］. 化學教育， 2015， 36（1）： 65～66.

［5］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.

［6］魏海， 李德前. “雙注射器組合裝置”的制作與應用——以銅與硝酸反應的系列實驗為例［J］. 化學教學， 2020， （11）： 69～71.

［7］劉彩虹. 人教版高中化學教材實驗創新與實踐研究［D］. 贛州： 贛南師范大學碩士學位論文， 2020.

［8］鐘曉茹. 基于核心素養的中學化學實驗創新研究與實踐［D］. 漳州： 閩南師范大學碩士學位論文， 2022.

［9］王世朋， 王程杰. 中學化學實驗的微量化研究［J］. 教學儀器與實驗， 2009， （2）： 32～34.

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

［11］姚亮發， 林師龍， 鄭柳萍等. 例談中學化學教材實驗的微量化設計［J］. 化學教學， 2020， （12）： 64～66.

*2022年福建省本科高校教育教學研究項目“國家戰略需求導向下化學教育碩士融合生態文明和人文科學素養人才培養研究”（FBJG20220126）；2019年福建省線下一流本科課程建設項目“結構化學”（閩教高〔2019〕23號）的研究成果。