铜与浓硝酸反应实验装置的新设计

贺紫柠　李忠恒

摘要： 通过分析现行不同版本的教材及相关文献中铜与浓硝酸反应的实验，针对其存在的问题，提出新的实验设计方案。采用定制的玻璃仪器、注射器和翻口塞等常见的实验器材对该反应的装置进行重新设计。改进后的实验装置不仅具有反应可控、操作简单、现象明显等特点，还解决了装置中残留有毒气体而导致的污染问题，体现了环境友好的设计理念。

关键词： 铜与浓硝酸的反应； 污染问题； 实验改进； 氧化还原反应

文章编号： 10056629（2023）08006704中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 教材实验分析

铜与浓硝酸的反应是高中化学教材里学生必须要掌握的重要内容，其产物之间的转化有利于学生了解氮氧化物的性质。笔者通过比较不同版本的高中化学教材中铜与浓硝酸反应的实验装置，针对当前高中对于该反应的实验教学，分析其存在的优势和缺点。

1.1 人教版（2019年版）教材

图1是人教版（2019年版）教材中的实验装置［1］。该实验装置易于组装，操作简单，通过抽取铜丝可随时实现反应的停止和发生，但同时也存在以下缺陷：

（1） 铜和浓硝酸反应剧烈，生成NO2的速率很快，可能导致部分NO2来不及被吸收就逸散到空气中，造成污染，且装置内部也会残留NO2，拆除装置时仍然会污染环境。

（2） 由于无防倒吸装置，溶液可能会倒吸进入试管中，导致实验失败。

1.2 鲁科版（2019年版）教材

图2是鲁科版（2019年版）教材中实验装置［2］。该方案仅用一支试管作为实验仪器，易于操作，现象明显，但该装置的缺点也非常显而易见：

（1） 该装置先后放入铜片与浓硝酸，使其直接接触发生反应，且不能随时控制，造成实验药品的浪费。

（2） 没有尾气处理的实验装置，致使NO2逸散到空气中，造成环境污染。

1.3 苏教版（2020年版）教材

图3是苏教版（2020年版）教材中实验装置［3］。该装置利用实验室常见器材进行组装，操作简单，且在实验过程中利用排水法收集气体，从而防止有毒气体的逸散，但也存在以下不足：

（1） 缺少防倒吸装置，水槽中的水容易倒流至试管中从而导致实验失败。

（2） 未对该反应生成的硝酸及无色的NO气体进行说明和性质检验。

2 对已有改进实验的述评

现有的教材实验虽然完成了铜与浓硝酸的反应，并且具有操作简单、现象明显等优点，但也存在药品用量大、未检验产物相关性质及易造成环境污染等问题。针对这些问题，出现了不少的改进实验，现就以下三类实验方案进行分析。

方案一：图4所示的实验装置沿用了人教版教材中控制铜丝的方式实现反应的随时发生或停止，并通过多个带有止水夹的橡胶管连接各部分装置，利用蒸馏水以及从K4口吸入空气以检验生成的气体的性质［4］。但整个装置较为复杂，药品用量较大，且装置内部会残留大量的NO2气体，拆卸装置时造成有毒气体的泄露，从而污染环境。

方案二：图5所示的实验装置在完全密闭的条件下进行实验，具有操作简单、现象明显、能有效处理尾气和废液、防止有毒气体逸出造成环境污染的优点［5］。但该实验仅仅是生成气体和处理尾气与废液的简单实验，未能验证生成物NO2的性质，功能比较单一。

方案三：图6所示的实验装置，通过注射器改变装置内压强，从而控制反应的停止与发生，不仅操作简便，能够检验NO2的性质，还能进一步完成铜与稀硝酸反应的实验［6］。但该实验同时也存在装置较复杂、易残留大量有毒气体拆卸时气体泄漏造成污染问题。

3 铜与浓硝酸反应实验装置的新设计

在分析铜与浓硝酸反应实验装置的基础上，笔者提出了新的想法，以定制的玻璃仪器为实验载体，通过上下拉动铜丝以控制反应的发生或停止。采用注射器滴入加有石蕊溶液的蒸馏水，对生成的NO2气体进行性质检验，使用气球平衡气压。在实验结束后，用注射器注入氧气使生成的NO气体全部转化为NO2，然后利用氢氧化钠溶液进行尾气处理和废液处理。利用定制的玻璃仪器、注射器、翻口塞、气球等实验器材，设计了一种反应可控、操作简单、现象明显的实验装置，同时具有药品用量小、较环保等特点，有利于教师在课堂上引导学生自己动手进行实验，发展学生的综合能力，落实学生化学学科核心素养的培养。

3.1 仪器与药品

仪器：铁架台（带铁夹）、定制玻璃仪器、气球、5mL注射器（若干）、20mL注射器、翻口塞

药品：市售浓硝酸（65%）、铜丝（直径约1mm、长约25cm）、紫色石蕊溶液、蒸馏水、饱和氢氧化钠溶液、氧气

3.2 定制玻璃仪器和实验装置

定制如图7所示的玻璃仪器。左边的试管命名为“试管1”，右边的试管命名为“试管2”，从左往右的支管口和试管口分别命名为“支管口1”“试管口1”“试管口2”“支管口2”。“试管1”和“试管2”總长均为80mm，其中试管口长为30mm，内径为19mm；“支管口1”和“支管口2”长为30mm，内径为14mm，装置总长为148mm（忽略玻璃仪器的厚度）。利用上述玻璃仪器和其他仪器搭建的实验装置如图7所示。

3.3 实验涉及的主要化学反应

3.4 实验操作步骤及现象

（1） 按图7所示连接好实验装置，用注射器注入适量浓硝酸于试管1中，然后用装载铜丝的翻口塞堵住试管口1，铜丝下端呈螺旋状。使用封口膜封住四个管口，用注射器插入支管口2，抽取管内空气，发现气球变瘪并且开始内缩，若松开注射器，则注射器自动回缩，证明装置气密性良好。

（2） 向下推动铜丝，使铜丝浸入到浓硝酸溶液中，铜丝与浓硝酸溶液剧烈反应，溶液迅速变为绿色，同时产生大量红棕色气体NO2。NO2气体迅速充满整个玻璃仪器，气球膨胀，此时抽拉铜丝，使铜丝与浓硝酸溶液分离，停止反应。

（3） 用注射器抽取3mL滴入紫色石蕊溶液的蒸馏水，从试管口2逐滴滴入玻璃仪器中，观察到气球逐渐变瘪，试管2中的红棕色逐渐变浅退为无色，滴入试管2中的紫色石蕊溶液变为红色。

（4） 利用注射器将提前制备好的氧气从支管口2中注入试管2中，试管内的红棕色瞬间加深，说明先前NO2与水反应不仅仅是生成了酸，还生成了NO气体，而根据元素化合价升降代数和为零的原理可知生成的酸必然是HNO3。

（5） 向玻璃仪器中注入过量的氧气，使无色NO气体全部转为红棕色NO2，再分别向试管1和试管2中注入适量的饱和氢氧化钠溶液，观察到红棕色气体消失，试管1中的绿色溶液变为蓝色并出现蓝色沉淀，试管2中的红色石蕊溶液重新变为紫色，则说明已完成了尾气吸收和废液处理。

3.5 新实验装置的优点

新实验装置的优点如下：

（1） 组装简单，便于操作。实验主体装置为相互连接的带支管的试管型玻璃仪器，可以反复使用，也可以应用到铜与稀硝酸的实验中，验证生成的NO气体。整个装置不仅适用教师在课堂上演示实验，也适用于学生分组实验，提高学生的动手能力。

（2） 现象明显，利于观察。一方面，用注射器滴入紫色石蕊溶液，可清晰地观察到仪器内气体颜色逐渐变浅的动态过程，以及石蕊溶液紫色变为红色的具有强烈反差的实验现象。另一方面，利用注射器向装置中注入氧气，观察到有红棕色气体产生，不仅可以验证NO2与水反应有NO生成，该反应为氧化还原反应，还能在实验结束后注入过量氧气，将装置内所有的NO气体全部转化为NO2气体，便于进行尾气处理。

（3） 平衡氣压，保证安全。气球的使用不仅可以起到平衡气压的作用，也可暂时存储生成的NO2气体，有利于后续反应观察到明显的实验现象。

（4） 密闭环境，防止泄漏。向密闭环境中注入饱和氢氧化钠溶液进行尾气吸收和废液处理，有效地避免了有毒气体的泄漏，从而解决了空气污染问题，还能在这个过程中观察到红棕色消失、生成蓝色沉淀、石蕊溶液变色等实验现象，有利于控制加入的饱和氢氧化钠溶液的量，避免浪费，充分利用实验现象引发学生进一步的思考。

参考文献：

［1］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学必修第二册（2019年版）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 15.

［2］王磊主编. 普通高中教科书·化学必修第一册（2019年版）［M］. 济南： 山东科学技术出版社， 2019： 119.

［3］王祖浩主编. 普通高中教科书·化学必修第二册（2020年版）［M］. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2020： 41～42.

［4］杨香涛， 阮方来. 铜与浓、稀硝酸反应实验的整合设计［J］. 化学教学， 2019， （10）： 70～72.

［5］李润. 铜与浓、稀硝酸反应的改进实验［J］. 化学教育（中英文）， 2018， 39（7）： 63～65.

［6］颜冬微， 吴双桃， 刘艺， 黄沔铷. 铜与浓、稀硝酸反应的微量实验设计［J］. 化学教学， 2017， （2）： 63～65.

*西华师范大学四川省教育发展研究中心2019年课题“新课标背景下高中化学实验教学创新探究”（项目编号：CJF19090）研究成果之一。