曹愛娟

摘要：為了彌補(bǔ)教材實(shí)驗(yàn)的不足，利用三頸瓶、干燥管、一次性注射器等儀器或用品，設(shè)計(jì)了濃硝酸與碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，反應(yīng)產(chǎn)牛的氣體可以被驗(yàn)證且全部被吸收，既避免了氣體產(chǎn)物對(duì)教學(xué)環(huán)境的污染，又能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：濃硝酸與碳反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005 - 6629（2015）5 - 0072 - 03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

現(xiàn)行高中化學(xué)教材[1]“硝酸”一節(jié)在介紹硝酸的氧化性時(shí)，針對(duì)濃、稀硝酸與金屬銅反應(yīng)設(shè)計(jì)了課堂演示實(shí)驗(yàn)，效果很好，通過實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，以及對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，深受學(xué)生的歡迎。但在介紹硝酸與非金屬反應(yīng)，特別是濃硝酸與碳的反應(yīng)時(shí)，教材中只給出了相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式[2]，沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法加以驗(yàn)證，因而缺乏說服力，不利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，無助于學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握。因此，筆者認(rèn)為在教學(xué)中應(yīng)該增加濃硝酸與碳反應(yīng)課堂演示實(shí)驗(yàn)。然而，做好該實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵不外乎有以下三點(diǎn)：其一，必須是熾熱的碳與熱的濃硝酸反應(yīng)；其二，驗(yàn)證反應(yīng)有二氧化碳?xì)怏w生成（二氧化氮的特征顏色是紅棕色氣體，通過觀察便知）；其三，設(shè)法消除濃硝酸加熱揮發(fā)出的酸蒸氣和反應(yīng)所產(chǎn)生的二氧化氮有毒氣體對(duì)教學(xué)環(huán)境的污染。近些年來，盡管一些教師對(duì)濃硝酸與碳的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)，但有的比較麻煩，需要將濃硝酸內(nèi)的水分吸收掉[3]；有的沒有考慮到加熱濃硝酸時(shí)揮發(fā)出的硝酸蒸氣和瞬間產(chǎn)生二氧化氮有毒氣體對(duì)教學(xué)環(huán)境的污染[4]；還有的儀器復(fù)雜難于制作和組裝[5]。為此，我們對(duì)該反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，解決了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不佳和環(huán)境污染等諸多問題，從而提高了教學(xué)效果?，F(xiàn)將實(shí)驗(yàn)方法介紹如下。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和用品

三頸瓶（250mL）1只；一次性注射器（20mL）2只；注射器針頭（獸醫(yī)用）1根；單球干燥管1支；1、2號(hào)橡膠塞各1個(gè)；2、3號(hào)單孔橡膠塞各1個(gè)；鋼針1根；玻璃棒（15cm，略細(xì)，可插入玻璃管）1根；玻璃管（1Ocm，略粗）l根；酒精燈、酒精噴燈各1盞；鐵架臺(tái)、鐵夾各1個(gè)；橡膠管（5cm）1段；小燒杯（50mL）2只；鋼絲鉗1把；火柴1盒

濃硝酸（69%）；木炭（烤羊肉串專用木炭）；堿石灰（顆粒狀）；新制備的澄清石灰水；蒸餾水；10%氫氧化鈉溶液；凡士林

2 儀器的加工與組裝

2.1 玻璃棒的加工

取1根鋼針，用鉗子剪斷；用酒精噴燈將玻璃棒的一端加熱，使其變軟，然后將帶尖的一段鋼針（長(zhǎng)2cm）尖端朝外鑲嵌在玻璃棒內(nèi)（如圖1所示）。

2.2 橡膠塞的組裝

取3號(hào)單孔橡膠塞，在孔內(nèi)裝入lOcm長(zhǎng)的玻璃管后，在橡膠塞大頭端的玻璃管上裝上5cm長(zhǎng)的一段乳膠管；在嵌有鋼針的玻璃棒上涂上凡士林，然后從橡膠塞小頭端的玻璃管內(nèi)穿人（如圖2所示）。

2.3 組裝干燥管

取1個(gè)干燥管，在其細(xì)管上安裝一個(gè)2號(hào)單孔橡膠塞，在干燥管內(nèi)加入用蒸餾水潤濕的堿石灰顆粒（如圖3所示）。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

4 實(shí)驗(yàn)方法及其現(xiàn)象

將裝置固定在鐵架臺(tái)上。

4.1 注入濃硝酸

取下帶有玻璃棒的橡膠塞，向三頸瓶?jī)?nèi)加入1.5～2mL的濃硝酸。

4.2 加熱木炭

取1塊木炭（要求直徑比玻璃管內(nèi)徑大），扎在玻璃棒的鋼針上后，用酒精燈的外焰加熱木炭（如圖5所示），當(dāng)木炭被點(diǎn)燃后，迅速將帶有玻璃棒的橡膠塞緊緊塞在三頸瓶的中間瓶口上（如圖4所示）。此時(shí)，要求木炭距濃硝酸液面2cm左右。

4.3 加熱濃硝酸

用酒精燈的外焰加熱三頸瓶?jī)?nèi)的濃硝酸2～3s，當(dāng)觀察到三頸瓶?jī)?nèi)有白色的硝酸蒸氣時(shí)，撤離酒精燈。

4.4 上提玻璃棒

迅速上提玻璃棒，使熾熱的木炭掉人熱的濃硝酸中（此時(shí)，鋼針縮進(jìn)到玻璃管內(nèi)，如圖6所示），可觀察到木炭在濃硝酸中劇烈燃燒「C+4HN03（濃）=C02↑+4N02↑+2H20」，生成紅棕色氣體，說明有二氧化氮?dú)怏w生成。

4.5 二氧化碳的檢驗(yàn)

取1支一次性注射器（20mL），吸人2mL的蒸餾水，然后將注射器的針頭插入到左側(cè)橡膠塞內(nèi)（如圖7所示）。拉動(dòng)注射器的活塞吸取三頸瓶?jī)?nèi)的氣體18mL，取下注射器，在注射器的針頭上扎上一個(gè)l號(hào)橡膠塞后，振蕩注射器，使注射器管內(nèi)的二氧化氮?dú)怏w全部被水吸收掉（ 3N02+H2O=2HN03+NO）。取下針頭上的橡膠塞，將注射器管內(nèi)的液體全部排入到一只空的小燒杯內(nèi)。接著再將注射器管內(nèi)的氣體全部排入到盛有20mL澄清石灰水的小燒杯中（如圖8所示），可觀察到澄清的石灰水變渾「C02+Ca（OH）2=CaC03↓+H20」，由此說明碳與濃硝酸反應(yīng)除生成二氧化氮?dú)怏w以外，還生成了二氧化碳?xì)怏w。

5 有害物質(zhì)的處理

待三頸瓶冷卻后，用一次性注射器吸取20mL的氫氧化鈉溶液，通過左側(cè)橡膠塞注入到三頸瓶?jī)?nèi)，反復(fù)振蕩，使瓶?jī)?nèi)的有害氣體和剩余的濃硝酸全部被吸收掉。

6 幾點(diǎn)說明

6.1 反應(yīng)器使用三頸瓶的原因 使用容積較大的三頸瓶作為反應(yīng)器，可以保證容器內(nèi)有充足的空氣，使炭塊在反應(yīng)前始終處于燃燒或熾熱狀態(tài)；利用三頸瓶的一個(gè)瓶頸加入反應(yīng)物（熾熱的炭），一個(gè)瓶頸消除污染，調(diào)節(jié)壓強(qiáng)，一個(gè)瓶頸吸取反應(yīng)后的氣體用作檢驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可見度大，便于學(xué)生觀察。

6.2 實(shí)驗(yàn)成功關(guān)鍵

通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，濃硝酸與炭容易發(fā)生反應(yīng)的關(guān)鍵是熱的濃硝酸（出現(xiàn)硝酸蒸氣）和熾熱或燃燒的炭，倘若二者中有一個(gè)溫度不夠，則會(huì)造成實(shí)驗(yàn)失敗。所以，為了保障炭塊在反應(yīng)前始終處于燃燒或熾熱狀態(tài)，濃硝酸用量不能太大，一般1.5～2mL最為合適，在3～5s內(nèi)，濃硝酸完全可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的溫度。

6.3 鋼針不會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)

由于玻璃棒上鑲嵌的鋼針很短，在實(shí)驗(yàn)過程中，先是被炭塊包裹，隨后是縮進(jìn)到玻璃管內(nèi)，不會(huì)被腐蝕，也不會(huì)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)造成干擾。

6.4 蒸餾水的作用

由于二氧化氮和二氧化碳在水中的溶解度不同，所以用蒸餾水吸收掉了二氧化氮?dú)怏w（其與水反應(yīng)生成的無色一氧化氮?dú)怏w對(duì)二氧化碳的檢驗(yàn)無干擾），而保留了大部分的二氧化碳?xì)怏w（二氧化氮在水中的溶解度遠(yuǎn)大于二氧化碳在水中的溶解度）。

參考文獻(xiàn)：

[1][2]課程教材研究所化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書·化學(xué)（必修加選修）（第二冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2003：16，17

[3]楊玉麟.碳與濃硝酸反應(yīng)的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)教育，2001，22（11）：8

[4]賈紹明.碳與濃硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].新課程研究（基礎(chǔ)教育），2008，（5）：38

[5]齊俊林.碳在濃硝酸里燃燒實(shí)驗(yàn)的新辦法[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，1994，（6）：35