銅與濃、稀硝酸反應實驗的改進

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題提出

銅與硝酸反應的實驗在人教版、蘇教版、魯科版教材中均有涉及，但是幾個版本教材中的實驗裝置都存在一些不足之處。如銅與濃硝酸反應裝置中穿銅絲的橡膠塞孔如果開得太大， NO₂ 容易泄露，孔太小銅絲與橡膠塞摩擦力大，上下移動困難，且此裝置也無法處理銅與稀硝酸反應的尾氣（NO與NaOH溶液不反應）；又如實驗設計雖可以完成濃、稀硝酸與銅的反應，但無法控制反應速率，濃硝酸一旦加入，反應會迅速發生，無法控制使反應停止，且無尾氣處理裝置，產生的 NO₂ 容易從蘸有NaOH溶液的棉花團中逸出，造成污染。

現有教材實驗因裝置的開放性及尾氣處理不足等問題，削弱了教學效果。所以有必要通過改進實驗為學生提供綠色安全的探究性平臺，推動化學實驗教學從“驗證式”向“探究式\"轉型，以契合新課程改革的核心目標。

2 相關文獻簡評

查閱近五年文獻發現銅與濃、稀硝酸反應實驗的改進多集中在一體化設計方面。通過定制的特殊儀器或使用常見儀器再輔以醫用器械等完成數個相關實驗，取得了一定的效果。

2.1 定制特殊儀器

葉永謙運用主體附加組合法，用經過改進的帶有玻璃漏槽、支管的分液漏斗、帶支管的硼硅酸鹽圓底燒瓶等儀器組合成新的演示裝置，取得了良好實驗效果[1]。

賀紫檸采用定制的玻璃儀器、翻口塞和注射器等實驗器材對該反應的裝置進行重新設計。改進后的實驗裝置反應可控、操作簡單、現象明顯[2]。

但是一般學校定制專用儀器比較困難，推廣施行有一定難度。

2.2常用儀器為主醫用儀器為輔

劉亞莉使用具支試管、注射器等儀器將銅與硝酸反應、氮氧化物間的轉化實驗整合在一套密閉裝置中進行，通過用磁鐵調控繞有銅絲的攪拌子移動來控制反應的發生與停止[3]。此方法具有一定的代表性，可以有效避免有毒氣體泄漏。

羅敏利用具支U型管、三通閥、注射器等儀器設計簡易的實驗裝置[4]，注射器作為反應容器具有密封性好、可儲存氣體等特點。

上述改進實驗用一套裝置完成銅與濃、稀硝酸反應及后續的數個反應，實驗過程操作步驟較多；部分實驗使用氣球作為儲氣、尾氣收集裝置，氣密性較難控制，容易出現漏氣；因銅與濃硝酸反應速率極快，所以通過移動銅絲來控制反應的發生與停止，往往同時又有數步操作而導致實驗時手忙腳亂；用注射器作為反應容器時，過快的反應速率有可能使氮氧化合物迅速逸出注射器而發生危險。為此本文通過逆向思維重新思考現有實驗中的問題，設計一套相對容易控制的實驗裝置，完成銅與濃、稀硝酸的一體化反應。

3裝置改進思路

文獻中的設計大多是通過移動銅絲來控制其與硝酸的接觸來達到控制反應的目的。我們反向設計通過注射器活塞的移動在封閉的長頸漏斗中產生負壓，將長頸漏斗下端試管中的濃硝酸由下向上抽到長頸漏斗的漏斗中，與放置其中的銅片接觸，引發反應。當反應發生時，封閉體系內產生的 NO₂ 又將濃硝酸壓回到下部容器，脫離與銅的接觸使反應自動停止。因為銅與濃硝酸接觸時間較短，所以產生的 NO₂ 基本上只能充滿長頸漏斗，氣體量的控制極為簡便。大號注射器作為氣體收集、處理裝置，有效避免了氣球收集氣體時容器壓力過大而造成氣體的泄漏。依靠此裝置可完成銅與濃硝酸、銅與稀硝酸及其還原產物檢驗、尾氣處理、裝置中廢氣處理等一系列反應。

4實驗裝置及實驗步驟

4.1 實驗用品

注射器（規格 50mL ！ 100mL 裝置圖中標定為A和D）、橡膠管、止水夾、具支試管（大號）、棉花、打孔膠塞 .100mL 燒杯、長頸漏斗（根據具支試管長度截短下部長頸）;銅片 ?8mol/L 濃硝酸、蒸餾水 、8mol/L NaOH溶液。

4.2實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

圖1銅與濃、稀硝酸反應改進裝置示意圖

檢查裝置氣密性：A中吸入 50mL 氣體，關閉止水夾2打開止水夾1，緩慢推動A活塞，D活塞向外移動，最終A中氣體消失后D中氣體體積為 50mL ，說明氣密性良好；也可以使用逆向檢測，A中吸入 50mL 氣體調整止水夾后拉動D活塞，最終D氣體體積為 50mL ，而A中無氣體，也能說明氣密性良好。

4.3實驗步驟及現象

4.3.1銅與濃硝酸反應

在具支試管中注入 10mL 濃硝酸，E中放入五片銅片，D中放置浸有NaOH溶液的棉花球，其活塞位置處于約 15mL 刻度處（拉動A活塞時可以順利使硝酸上吸），B中盛放 40% 蒸餾水，并沒過導管。準備工作完成后，向外拉A處活塞產生負壓，將C中濃硝酸吸入長頸漏斗的漏斗中。當濃硝酸與銅片接觸時，發生 Cu+ 4HNO₃ （濃 Γ）-Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O ，立即會有紅棕色氣體產生，氣體充滿E，并將濃硝酸迅速壓回C中，C中濃硝酸此刻呈草綠色。待觀察實驗現象后，關閉止水夾1、打開止水夾2，推動A處活塞將之前吸入的空氣推入B中，再向外拉A處活塞，將 10mL 蒸餾水吸入A中，關閉止水夾2、打開止水夾1，將A中蒸餾水壓入E中發生 中紅棕色氣體消失，同時壓入的水進入C中使濃硝酸變為稀硝酸。

4.3.2 銅與稀硝酸反應

關閉止水夾2、打開止水夾1向外拉A處活塞（E中的NO被吸入A注射器），A注射器中產生負壓將C中稀硝酸抽至放置銅片的長頸漏斗的漏斗中并將其充滿，銅與稀硝酸接觸引發反應。銅與稀硝酸反應速率較慢（熱蒸餾水是為了適當加快反應速率，但如果溫度太高會產生 NO₂ ），銅片上產生無色氣泡，發生 3Cu+ 8HNO₃ （稀 ）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O ，隨后氣體將稀硝酸壓回C中，反應隨即停止。裝置中氣體均為無色，觀察完成后，打開止水夾2、關閉止水夾1，取出B中導管，使其暴露在空氣之中，拉A處活塞使約 10mL 空氣進入A中，A中氣體立即變為紅棕色，發生 2NO+ （2號 0₂==2N0₂ 。

為稀硝酸時加水量較大，會超過容器的容積，如果采用少量 14.3mol/L 濃硝酸，則會出現濃硝酸無法充分上吸。

4.5 改進后的優點

（1）通過由注射器制造的負壓分別將濃硝酸、稀硝酸由下向上抽起與銅片接觸反應產生相應的氣體，又分別將濃、稀硝酸壓離使反應物自動脫離接觸，控制了反應的發生與停止，避免了過多氮氧化物的產生。

（2）反應裝置突破了原有的思維定勢，有利于學生的發散思維、邏輯思維的發展。（3）可通過一套裝置完成數個連續反應且裝置制作簡便、原理清晰、實驗現象明顯、重現性好。

4.3.3 裝置中廢氣處理

關閉止水夾2、打開止水夾1，外拉D注射器活塞至A中氣體消失再拆除A注射器，繼續外拉D注射器活塞將殘留氣體及空氣吸人D中靜置一段時間，容器內發生 2NO₂+2NaOH=NaNO₃+NaNO₂+H₂O_c （204號

4.4注意事項

（1）銅片大小應適宜，既不能從長頸漏斗導管處落下，也不能太大導致上吸的濃硝酸與其不能充分接觸。

（2）銅與濃硝酸反應時拉動A注射器產生負壓向長頸漏斗中抽濃硝酸時速度要快，濃硝酸一旦與銅接觸反應很快，速度太慢就會造成上層銅片還未與濃硝酸充分接觸，硝酸就已經被壓回C中，會導致E中紅棕色不明顯。

（3）采用 8mol/L 而不使用 14.3mol/L 濃硝酸（ 65% ）的原因為： ① 采用 14.3mol/L 濃硝酸與銅反應太過劇烈，實驗時與銅接觸即迅速產生 NO₂ 氣體，無法使濃硝酸與銅充分接觸。 ② 將 14.3mol/L 濃硝酸稀釋

5結語

在化學實驗探究中，如果注意到問題的本質，一些按照常規難以克服的問題，通過逆向思維的方法—改變物質接觸時移動的物質、操作順序也許就能優化設計方案、簡化裝置、減少操作步驟，在一定程度上解決遇到的問題。本案實驗中的逆向操作有利于培養學生的辯證唯物主義思想以及邏輯思維能力，提高遇到實際問題時的應變能力。

參考文獻：

［1］葉永謙，吳新建，張賢金．組合法在化學實驗創新中的運用—銅與硝酸反應的實驗［J]．化學教育（中英文），2024，45（9）：78～82.

［2］賀紫檸，李忠恒．銅與濃硝酸反應實驗裝置的新設計[J].化學教學，2023，（8）：67～69，76.

［3］劉亞莉，吳霞，劉茜等．銅與濃、稀硝酸反應實驗簡易裝置的設計[J]．化學教學，2023，（11）：68～71.

[4」羅敏，劉茜，楊麗君.用泡沫銅與濃、稀硝酸反應的實驗改進[J].化學教學，2024，（4）：77～79.