硝酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充及其一體化改進(jìn)

楊小琳 何平

摘要：為了完善硝酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)和更方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在硝酸與銅反應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用H型試管設(shè)計(jì)可普遍適用的“四區(qū)”反應(yīng)裝置，探究濃硝酸的分解、稀硝酸與活潑金屬的反應(yīng)原理。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)明顯，可實(shí)現(xiàn)包括硝酸的強(qiáng)氧化性、不穩(wěn)定性等多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的一體化，且試劑微量、操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)可控、教學(xué)增效。

關(guān)鍵詞：硝酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)；試劑微量化；實(shí)驗(yàn)一體化

文章編號(hào)：10056629（2023）12006803

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

硝酸具有不穩(wěn)定性、強(qiáng)氧化性、腐蝕性和酸性，學(xué)生容易通過(guò)類比硫酸性質(zhì)學(xué)習(xí)硝酸的腐蝕性和酸性，但對(duì)其不穩(wěn)定性和強(qiáng)氧化性難有全面直觀的認(rèn)識(shí)，且隨著硝酸濃度的變化，其性質(zhì)呈現(xiàn)較大的差異，因此硝酸的強(qiáng)氧化性是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。人教版高中化學(xué)教材通過(guò)演示硝酸與不活潑金屬（銅）的反應(yīng)呈現(xiàn)其強(qiáng)氧化性。教材實(shí)驗(yàn)的演示裝置見圖1，向兩支具支試管中分別加入2mL濃硝酸和稀硝酸，通過(guò)抽拉銅絲控制反應(yīng)發(fā)生，用氫氧化鈉溶液進(jìn)行尾氣處理，該實(shí)驗(yàn)存在幾個(gè)明顯的不足之處：（1）需要兩套相同裝置，且稀硝酸的制取需要用濃硝酸進(jìn)行稀釋；（2）反應(yīng)產(chǎn)生的有毒氣體通過(guò)導(dǎo)管后被氫氧化鈉溶液吸收時(shí)壓強(qiáng)減小，會(huì)出現(xiàn)倒吸情況；（3）未能解釋銅與濃硝酸反應(yīng)后溶液呈深綠色的原因；（4）沒(méi)有對(duì)銅與稀硝酸反應(yīng)生成的無(wú)色氣體進(jìn)行驗(yàn)證，且一氧化氮是不成鹽氧化物不能被氫氧化鈉溶液直接吸收，會(huì)釋放到空氣中，對(duì)環(huán)境造成污染。此外，教材中沒(méi)有濃硝酸不穩(wěn)定性的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生理解起來(lái)較為抽象。基于此，我們?cè)诟倪M(jìn)教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了濃硝酸受熱分解及稀硝酸與活潑金屬（鐵）的反應(yīng)，并對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行驗(yàn)證。

2 相關(guān)文獻(xiàn)評(píng)析

為了解硝酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展與現(xiàn)狀，我們查閱了相關(guān)的文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)對(duì)銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的研究較多，且主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，如馬東老師^［1］設(shè)計(jì)的新型密閉裝置“三通玻璃管”，利用壓強(qiáng)差把水吸入小玻璃瓶中生成稀硝酸，可集銅與濃、稀硝酸反應(yīng)和氮氧化物轉(zhuǎn)化等多個(gè)實(shí)驗(yàn)于一體，且試劑微量化、產(chǎn)物綠色化，但美中不足在于該裝置不能很好地控制反應(yīng)的發(fā)生與停止；施雄飛老師^［2］用倒轉(zhuǎn)輸液袋的方式使銅絲與硝酸分離，從而使反應(yīng)停止，但為了觀察到明顯現(xiàn)象，硝酸用量較多；王瑾等^［3］利用U形管進(jìn)行改進(jìn)，將生成的二氧化氮?dú)怏w通過(guò)橡膠管進(jìn)入另一側(cè)加水生成稀硝酸，從而對(duì)比觀察銅和濃、稀硝酸的反應(yīng)，現(xiàn)象明顯，藥品用量少，但不足之處在于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要借助針筒和止水夾調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的壓強(qiáng)，操作繁瑣；還有一些教師則是針對(duì)其中一種氮氧化物的制備和性質(zhì)檢驗(yàn)進(jìn)行微型化、定量化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與改進(jìn)^［4］。

綜上所述，以上實(shí)驗(yàn)新方案均使筆者受益良多，但仍有需作改進(jìn)的空間：（1）未深入探究硝酸的強(qiáng)氧化性：稀硝酸與活潑金屬反應(yīng)時(shí)是否生成氫氣？變價(jià)金屬與硝酸反應(yīng)時(shí)會(huì)被氧化為哪種價(jià)態(tài)？在濃硝酸中滴加紫色石蕊溶液后是否一直呈紅色？若無(wú)實(shí)驗(yàn)加以輔助理解，學(xué)生通過(guò)稀硫酸的性質(zhì)類比推理，容易造成認(rèn)知上的錯(cuò)誤。（2）濃硝酸見光或受熱分解產(chǎn)生二氧化氮是重要性質(zhì)，然而在眾多方案中沒(méi)有涉及濃硝酸的不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。（3）在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案中，或多或少都存在些許不足，不能很好地在滿足多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化的同時(shí)，還能兼顧到試劑微量化、操作簡(jiǎn)便化、反應(yīng)可控化和教學(xué)增效等優(yōu)點(diǎn)?；诖?，我們利用H型試管設(shè)計(jì)了可普遍適用的“四區(qū)”（投料區(qū)、反應(yīng)區(qū)、對(duì)照區(qū)、收集區(qū)）反應(yīng)裝置，再次對(duì)硝酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)作了創(chuàng)新改進(jìn)，進(jìn)一步完善硝酸的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也有利于學(xué)生分組活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生以發(fā)展的眼光看待認(rèn)知深化的過(guò)程，促進(jìn)批判性思維的形成，培養(yǎng)宏觀辨識(shí)與微觀探析、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

儀器：18mm×180mm H型試管1個(gè)（中間橫管18mm×50mm）、翻蓋塞1個(gè)、氣球1個(gè)、注射器4只（帶針尖）、鐵架臺(tái)1個(gè)、膠頭滴管2支、剪刀1把、酒精燈1個(gè)藥品：濃硝酸（68%）、銅片、鐵片、干燥劑（無(wú)水CaCl₂）、紫色石蕊溶液、紫甘藍(lán)浸出液、氫氧化鈉溶液（20%）、硫氰化鉀溶液（1mol/L）、蒸餾水

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將H型試管固定在鐵架臺(tái)上，在左側(cè)試管中加入2mL濃硝酸，右側(cè)試管中放入鐵片和2～3滴紫甘藍(lán)浸出液。將銅片剪成2cm×3cm后折疊成三棱柱型，用針尖在銅柱上穿一個(gè)小孔，并用線繩綁住，放置橫管左側(cè)處，用氣球?qū)⒕€繩壓住以固定銅柱。在針筒A中加入3mL蒸餾水。

（2）在左側(cè)試管中滴加2～3滴紫色石蕊溶液和1顆干燥劑，蓋上翻蓋塞后，用酒精燈加熱左側(cè)試管。

（3）取下氣球，將銅柱放置左側(cè)試管中距離濃硝酸1cm處，右側(cè)試管上端連接氣球固定線繩。將H型試管向右傾斜，使銅柱與濃硝酸接觸反應(yīng)，當(dāng)右側(cè)試管充滿氣體后，將試管放正使反應(yīng)停止。

（4）捏癟氣球，將試管向右傾斜一定角度，用注射器1沿試管壁和橫管向右側(cè)試管緩慢滴加蒸餾水，使其與右側(cè)試管中的氣體充分接觸。反應(yīng)一段時(shí)間后，用注射器2向右側(cè)試管中滴加硫氰化鉀溶液，用注射器3吸取氣球內(nèi)部的氣體后吸入適量空氣。

（5）用注射器4向右側(cè)試管中注入適量氫氧化鈉溶液，使反應(yīng)停止。

（6）在左側(cè)試管中加入少量水稀釋，使銅柱與稀硝酸接觸反應(yīng)。

（7）尾氣處理。用注射器1向H型試管中注入空氣，再加氫氧化鈉溶液，重復(fù)該操作數(shù)次，直至試管中的氣體不再變?yōu)榧t色。

3.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1）濃硝酸遇紫色石蕊溶液變?yōu)闇\紅色后很快退去。濃硝酸的漂白作用主要體現(xiàn)其強(qiáng)氧化性，且溫度越高退色速度越快^［5］。加熱濃硝酸時(shí)有紅棕色氣體生成（反應(yīng)的方程式為：4HNO₃△4NO₂↑+O₂↑+2H₂O）。濃硝酸分解實(shí)驗(yàn)要加少量干燥劑，因?yàn)槭惺蹪庀跛岬臐舛戎挥?8%，加熱會(huì)使溶液沸騰產(chǎn)生硝酸蒸氣，分解反應(yīng)較難發(fā)生。而“發(fā)煙硝酸”很不穩(wěn)定，在加熱條件下極易分解，因此用無(wú)水CaCl₂提高硝酸的濃度。

（2）銅與濃硝酸反應(yīng)生成大量紅棕色氣體，銅柱表面附著藍(lán)色物質(zhì)，溶液變?yōu)樯罹G色［反應(yīng)的方程式為：4HNO₃（濃）+Cu====Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O］。反應(yīng)生成的硝酸銅溶液中溶有大量的二氧化氮?dú)怏w，因此溶液呈深綠色^［6］。

（3）隨后向右側(cè)試管緩慢加水，可觀察到紅棕色氣體消失，溶液變?yōu)殚偌t色，鐵片上有無(wú)色氣泡生成，加硫氰化鉀溶液后變?yōu)檠t色［反應(yīng)的方程式依次為：3NO₂+H₂O====2HNO₃+NO；4HNO₃（稀）+Fe====Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O；Fe³⁺+3SCN^-====Fe（SCN）₃］。用紫甘藍(lán)浸出液檢驗(yàn)稀硝酸的生成，是因?yàn)槠涓缓ㄇ嗨?，花青素遇酸變紅、遇堿變藍(lán)，且變色范圍比紫色石蕊溶液大，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，是優(yōu)良的酸堿指示劑。

（4）注射器3中無(wú)色氣體變?yōu)榧t棕色（反應(yīng)的方程式為：2NO+O₂====2NO₂）。

（5）左側(cè)試管的溶液稀釋后，從深綠色變?yōu)闇\藍(lán)色，銅片上有無(wú)色氣泡生成［反應(yīng)的方程式為：3NO₂+H₂O====2HNO₃+NO；8HNO₃（稀）+3Cu====3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O］。在加水稀釋的過(guò)程中消耗了溶液中的二氧化氮，轉(zhuǎn)化為無(wú)色的稀硝酸，因此對(duì)硝酸銅顏色的觀察不造成干擾，溶液恢復(fù)為淺藍(lán)色。

（6）左側(cè)試管中生成藍(lán)色沉淀，右側(cè)試管中生成紅褐色沉淀［反應(yīng)的方程式分別為：Cu²⁺+2OH^-====Cu（OH）₂↓；Fe³⁺+3OH^-====Fe（OH）₃↓］。

3.5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）濃硝酸具有強(qiáng)腐蝕性和揮發(fā)性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要帶橡膠手套小心操作，注意通風(fēng)處理。

（2）銅柱尾端需折疊一定角度，才能更好地將銅柱放入橫管左側(cè)；濃硝酸分解實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察到有紅棕色氣體產(chǎn)生即停止加熱，防止其對(duì)銅與濃硝酸的反應(yīng)現(xiàn)象造成干擾。

（3）為使銅柱表面附著藍(lán)色物質(zhì)從而驗(yàn)證銅離子的生成，需將銅片折疊成棱柱的形狀，使其一側(cè)與濃硝酸反應(yīng)，銅離子附著在未反應(yīng)的另一側(cè)銅柱上。

（4）向右側(cè)試管加水時(shí)要少量且緩慢操作，使水與二氧化氮充分接觸，從而提高生成的稀硝酸濃度；鐵與稀硝酸反應(yīng)速率較慢，可用酒精燈短時(shí)間加熱以保證合適的反應(yīng)速率，以免溶液沸騰溢出，操作不安全。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）裝置一體化。該裝置集硝酸與不活潑金屬（Cu）和活潑金屬（Fe）的反應(yīng)、氮氧化物的制備、檢驗(yàn)、轉(zhuǎn)化和尾氣處理、濃硝酸受熱分解等多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)于一體，較全面地呈現(xiàn)了包括硝酸的強(qiáng)氧化性和不穩(wěn)定性等性質(zhì)。

（2）試劑微量化。濃硝酸有強(qiáng)腐蝕性，在保證實(shí)驗(yàn)安全和節(jié)約的原則下，本改進(jìn)方案僅用2mL濃硝酸即可完成上述所有實(shí)驗(yàn)。

（3）反應(yīng)可控。設(shè)計(jì)新的固液反應(yīng)模型，通過(guò)傾斜和正放試管使固體與溶液接觸和分離，從而控制反應(yīng)的發(fā)生與停止。

（4）操作簡(jiǎn)便。利用H型試管設(shè)計(jì)可普遍適用的“四區(qū)”反應(yīng)裝置。該裝置原理簡(jiǎn)單、實(shí)操性強(qiáng)，借助注射器加入所需試劑就可完成實(shí)驗(yàn)，可用于氣體制備及其性質(zhì)檢驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如探究濃硫酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)等，為教師課堂演示或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)提供了便利性。

（5）教學(xué)增效。一線教師可借助該實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物的一般方法，培養(yǎng)學(xué)生基于物質(zhì)的分類、價(jià)類二維觀、宏微符三重表征多維度的實(shí)驗(yàn)探究能力。

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