再谈铜与硝酸反应实验的改进和问题探讨

雷利彬

一、教材实验

现行人民教育出版社化学室编著的《化学》第二册(2007年1月第2版)第14页[实验1-7]：在两支试管中各放入一小块铜片，分别加入少量浓硝酸和稀硝酸,立即用带导管的胶塞塞住试管口，并将导管通入另一盛有NaOH溶液的试管（如下图）。观察发生的现象。反应片刻后，将加入稀硝酸的试管上的胶塞取下，使空气进入试管，观察发生的现象。

方法评价:①浓硝酸与铜片的反应剧烈现象明显，红棕色气体能充满两支试管，尽管用了NaOH溶液吸收产生的NO₂，但由于反应快，产生的NO₂量多，导致NaOH溶液吸收NO₂不完全，对环境尤其是教室里的空气污染大，不符合“绿色化学”理念。②稀硝酸与铜片的反应相对缓慢，产生的气体量少且NO易被试管中的氧气氧化而呈红棕色，导致学生混淆浓、稀硝酸与铜的反应现象和反应产物。同时该方法产生的NO、NO₂对环境一样会造成污染，也不符合“绿色化学”理念。③教材上对浓硝酸与铜反应的溶液呈绿色，稀硝酸与铜反应的溶液呈蓝色，没有做任何解释。

二、实验改进探讨

铜与硝酸反应实验改进的目的：①防止铜与浓硝酸反应产生的NO₂污染空气，方便学生观察密闭容器中红棕色的NO₂气体，同时探讨浓硝酸与铜反应后的溶液呈绿色的原因，实验节约药品，操作简便且安全。②防止铜与稀硝酸产生的无色NO气体接触空气而被氧化，利用后续实验充分证明NO易与O₂反应生成红棕色的NO₂，且充分说明铜与稀硝酸反应产生的气体确实是无色的NO，而不是H2，也不是NO₂。实验节约药品，操作简便且安全，对环境友好，符合“绿色化学”理念。

针对上述实验改进目的，许多同行都提出了自己的改进方法。诸如U型管法(下图A)，试管延伸法(下图B)，简易启普发生器法(下图C)，塑料矿泉水瓶法(下图D)，CO₂排空气法(下图E)，注射器充袋法(下图F)，注射器法(下图G)和除去氧气法(下图H)等等。但每一种方法都存在一些美中不足的地方，要么硝酸用量大，废弃溶液多，浪费药品且污染环境;要么改进不彻底，存在安全隐患;要么仍没有对浓硝酸与铜反应后的溶液呈绿色的原因进行探讨;要么现象仍不明显，反应废液不易回收等等。

三、实验改进方法——注射器法

反应用品:两个50mL的小烧杯，两个20mL的注射器，试管，试管夹，酒精灯，气球。

实验药品:4片铜片（铜片大小以面积计:每片为7mm×10mm），7.5mol/L的稀硝酸（质量分数为38%左右或体积比为1:1，现用现配），14.6mol/L浓硝酸（质量分数为65-68%）。

实验步骤：

1.铜与稀硝酸反应

①在一支干燥洁净的注射器中放入两片铜片，安上活塞杆并反复推拉(提醒学生观察注射器中空气为无色)，最后推到底（示意学生排尽空气），在一个50mL的小烧杯中倒入10mL的 7.5mol/L的稀硝酸。

②用注射器一次将稀硝酸吸尽（注意不能吸入空气），把注射器放在小烧杯中（见上图I），观察发生的现象。

③待反应结束后，提起注射器，推动注射器的活塞杆，将注射器中的溶液排入小烧杯中（如果注射器中没有溶液则不用此步操作），让学生观察注射器中气体的颜色。

④小心拉动注射器活塞杆，吸入稍过量的空气，让学生再观察注射器中气体的颜色。

⑤余气处理可采用书中方法。

2.铜与浓硝酸反应

①在另一支干燥洁净的注射器中放入两片铜片，安上活塞杆并反复推拉(提醒学生观察注射器中空气为无色)，在一个50mL的小烧杯中倒入10mL的14.6mol/L的浓硝酸。

②用注射器一次将浓硝酸吸尽（注意不能吸入空气），把注射器放在小烧杯中，观察发生的现象。

③待反应结束后，取浓硝酸与铜反应生成的绿色溶液于试管中，并在试管口套一个气球，在酒精灯上加热试管，观察发生的现象。

④余气处理可采用书中方法。

注意：提醒学生对比观察两支注射器中的反应激烈程度，溶液的颜色以及气体产物的颜色。

实验现象：反应开始后，两支注射器中都有气泡产生。但可以明显看到:

①加浓硝酸的注射器中反应剧烈，溶液呈绿色，产生红棕色的气体；还可看到红棕色的气体迅速增多，绿色溶液被排回到小烧杯中，当溶液被排尽后，注射器中充满了红棕色的气体。加热试管中反应后的溶液，可看到试管中充满了红棕色的气体，试管中的溶液由绿色逐渐变浅，最后变成蓝色。

②加稀硝酸的注射器中反应相对缓慢，溶液呈蓝色，产生的气体呈无色，注射器中的蓝色溶液被排到小烧杯中，当反应结束后，注射器中充满了无色的气体;当拉动注射器活塞杆吸入一定量空气后，立即看到气体由无色变成红棕色。

四、实验改进说明及问题探讨

①如用稀硝酸的浓度为7.5mol/L，体积为10mL，则只需两片铜片(铜片大小以面积计:每片为7mm×10mm，切记!下同)，产生的气体就可以将注射器中的溶液大部分排回小烧杯。如果稀硝酸的浓度太小，则反应速率慢，耽误时间;如果铜片取太多，则会增大反应的接触面，加快反应速率，使反应不易控制，导致溶液很快被排出注射器，不利于学生观察反应过程，同时也容易使产生的气体扩散到空气中，引起环境污染。

②所用浓硝酸的浓度要大于14.6mol/L，体积为10mL，此时仅需二片铜片，反应现象明显，利于学生观察反应的过程、产生的气体颜色和生成溶液的颜色。如果铜片取得太多，由于反应接触面大，反应剧烈，产生的NO₂气体不但会将溶液迅速排回小烧杯，并且可能导致NO₂也部分扩散到空气中，造成环境污染，这就没有达到实验改进的目的，也不符合“绿色化学”的要求。

③反应过程中，观察到浓硝酸与铜反应生成的溶液呈绿色，而稀硝酸与铜反应生成的溶液呈蓝色。可迁移对比:浓硝酸本身呈无色，因溶有硝酸分解产生的NO₂而呈黄色。稀硝酸与铜反应生成的溶液颜色是铜离子的水溶液颜色——呈蓝色;浓硝酸与铜反应除生成铜离子外，同时产生的气体是NO₂，NO₂又溶解在铜离子的蓝色溶液中，从而使浓硝酸与铜反应生成的溶液呈绿色。当加热所得的绿色溶液，让NO₂挥发离开溶液，可看到溶液逐渐变为蓝色，试管中充满了红棕色的气体。

④实验后的废气和废液的处理:可将废液倒入一定量的氢氧化钠溶液中，并将注射器中的气体排入此溶液，最后流水冲洗注射器的内外壁、活塞杆和小烧杯，以减少对环境的污染。

⑤不论是做浓硝酸与铜的反应，还是做稀硝酸与铜的反应，整个反应过程一定要将注射器放入到小烧杯中，让学生观察现象。因为注射器的注射筒与活塞杆之间的摩擦力较大，反应过程中产生的气体不能推动活塞杆，溶液只能从从注射器的前端排出。在反应过程中如果将注射器拿离小烧杯，很可能导致反应溶液被产生的气体排出，洒到地板上、学生身体上及学习用具上，发生安全事故等不良后果。（责任编辑：张华伟）