铜与硝酸反应及NOx性质实验的创新设计

甘肃省兰州市教育科学研究所(730046) 吴正帅

甘肃省兰州市第六十三中学(730060) 郝海龙

化学实验在中学化学教学中占有很重要的地位，化学教学需要借助实验来帮助学生加深对知识的理解。铜与硝酸反应实验以及氮氧化物性质是高中化学教学的重要内容。现行人教版必修教材设置了铜与硝酸反应的内容，但没有设置铜与硝酸反应的实验，而是设置了二氧化氮溶于水的实验探究。在实际教学中，笔者认为有必要将铜与硝酸反应实验及NOx性质实验进行改进、设计、整合。将铜与硝酸反应、NO难溶于水的性质、NO与O2的反应、氮氧化物性质实验、尾气处理等内容集成于相对密闭的系统中进行。这样一来,可以激发学生的学习兴趣，突破教学难点，有利于知识的系统化建构，更好地落实课程理念，培养学生的创新精神和实验探究能力，凸显化学实验在落实化学科学素养方面的作用。

1 实验药品和仪器

硝酸、铜片或螺旋状的铜丝、30%的氢氧化钠溶液、U型管、球型干燥管、烧杯、洗气瓶、止水夹、带导管的三孔胶皮塞、带导管的单孔胶皮塞、导管、橡皮管、洗耳球。

2 实验装置与实验方法

(1)为了减少稀硝酸使用量，可在U型管中加入适量CCl4打底(CCl4容易回收)。将4.8 mol/ L稀硝酸加入U型管左端至其一半高度左右，右端加入少量蒸馏水，保证U型管一端下倾时，底部仍留有稀硝酸。将事先组装好的带有导管、止水夹②及夹有与U型管高度一半长的铜片或螺旋状铜丝的胶塞塞于U型管左端；将带有导管、止水夹①、不带铜片或螺旋状铜丝的胶塞塞于U型管右端。

(2)将小口端带有乳胶管的球型干燥管大口端插入盛有30%氢氧化钠溶液的烧杯中。使乳胶管的另一端与三孔洗气瓶的左孔连接，并夹上止水夹④；三孔洗气瓶的右孔上的导管与U型管左管连接；三孔洗气瓶的中孔上的带有乳胶管的导管夹上止水夹③。U型管可以置于烧杯中。实验装置图如图1所示。

图1 实验装置图

(3)向左重复倾斜U型管，排除左端管内空气，可以看到铜片或螺旋状铜丝与稀硝酸反应产生气泡，此时可以打开U型管右端胶塞上的止水夹①，以调节导管中气压与外界气压平衡，否则，随着气体的产生会冲走胶塞，发生危险。

反应原理如下：

(4)随着反应的继续进行，U型管左端生成的无色一氧化氮气体会聚集在U型管左端上部，并逐渐使铜片或铜丝与稀硝酸分开，此时可以观察一氧化氮气体的颜色为无色气体。

(5)打开止水夹②，用洗耳球从止水夹①中缓慢鼓入空气，U型管左端生成的无色一氧化氮气体会经过止水夹②排入三孔洗气瓶中，等排气完毕后，重新夹上止水夹②，反应又开始发生。若要使反应停止，则夹好止水夹①，使U型管向右重复倾斜，则稀硝酸液流入右端，使铜片或螺旋状铜丝与稀硝酸分离，反应即可停止。

(6)一氧化氮进入三孔洗气瓶后，颜色变为红棕色，即生成了二氧化氮气体。

反应原理如下：

若要排去三孔洗气瓶中的氮氧化物，可以打开止水夹③和④，从止水夹③中以洗耳球鼓入空气，则三孔洗气瓶中的氮氧化物会经过止水夹④、干燥管被烧杯中氢氧化钠溶液吸收。排气结束后，夹上止水夹③和④，以便重复再用。

反应原理如下：

3 说明事项

(1)实验时要保证装置气密性良好，不能漏气。

(2)通过反复倾斜U型管，保证U型管左端空气全部排出。

(3)硝酸浓度过大反应时会生成二氧化氮气体，硝酸浓度过小反应速率较慢。通过实验探究硝酸的物质的量浓度界限，得出硝酸的物质的量浓度界限为4.8 mol/ L。当硝酸的物质的量浓度大于4.8 mol/ L时，与铜反应就会产生红棕色二氧化氮气体，而当硝酸的物质的量浓度低于或等于4.8 mol/L时，与铜反应就会产生无色一氧化氮气体。本实验宜采用的硝酸浓度为4.8 mol/ L。

(4)使用洗耳球鼓气时，应慢慢捏动，以防止稀硝酸压入三孔洗气瓶中，同时也避免了氮的氧化物被碱液吸收不彻底而溢于环境之中造成污染。

4 实验优点

(1)装置简单适用，可以随时控制反应的发生和停止，且可以重复多次使用，实现了实验的可控性，同时可以避免溶液的倒吸。

(2)实验操作简便，可操作性强，现象明显，能明显观察到NO难溶于水且被空气中的氧气氧化生成NO2，实验现象与理论吻合。同时实现实验相对定性和定量的研究，以节约药品。

(3)该实验将铜与硝酸反应实验、氮氧化物性质实验、氮氧化物与水或氢氧化钠溶液反应的实验、尾气处理操作进行了集成设计。在密闭系统中，连续完成了系列实验，避免了NO、NO2等有害气体扩散入环境中，对实验者和环境无危害，体现了绿色化学的思想。

(4)实验中采用的稀硝酸浓度为4.8 mol/ L，反应时间合理，实验现象鲜明，教学效果明显(反应50 s后开始产生大量无色气泡，生成红棕色气体，反应5 min后，溶液呈现明显的蓝色)。

(5)实验设计新颖，具有一定的趣味性，容易激发学生学习化学的兴趣；实验设计科学，容易培养学生严谨的科学态度。