甘肅省蘭州市教育科學(xué)研究所(730046) 吳正帥

甘肅省蘭州市第六十三中學(xué)(730060) 郝海龍

化學(xué)實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中占有很重要的地位，化學(xué)教學(xué)需要借助實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解。銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)以及氮氧化物性質(zhì)是高中化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容?，F(xiàn)行人教版必修教材設(shè)置了銅與硝酸反應(yīng)的內(nèi)容，但沒有設(shè)置銅與硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，而是設(shè)置了二氧化氮溶于水的實(shí)驗(yàn)探究。在實(shí)際教學(xué)中，筆者認(rèn)為有必要將銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)及NOx性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)、設(shè)計(jì)、整合。將銅與硝酸反應(yīng)、NO難溶于水的性質(zhì)、NO與O2的反應(yīng)、氮氧化物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、尾氣處理等內(nèi)容集成于相對(duì)密閉的系統(tǒng)中進(jìn)行。這樣一來,可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，突破教學(xué)難點(diǎn)，有利于知識(shí)的系統(tǒng)化建構(gòu)，更好地落實(shí)課程理念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)驗(yàn)探究能力，凸顯化學(xué)實(shí)驗(yàn)在落實(shí)化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)方面的作用。

1 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

硝酸、銅片或螺旋狀的銅絲、30%的氫氧化鈉溶液、U型管、球型干燥管、燒杯、洗氣瓶、止水夾、帶導(dǎo)管的三孔膠皮塞、帶導(dǎo)管的單孔膠皮塞、導(dǎo)管、橡皮管、洗耳球。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

(1)為了減少稀硝酸使用量，可在U型管中加入適量CCl4打底(CCl4容易回收)。將4.8 mol/ L稀硝酸加入U(xiǎn)型管左端至其一半高度左右，右端加入少量蒸餾水，保證U型管一端下傾時(shí)，底部仍留有稀硝酸。將事先組裝好的帶有導(dǎo)管、止水夾②及夾有與U型管高度一半長(zhǎng)的銅片或螺旋狀銅絲的膠塞塞于U型管左端；將帶有導(dǎo)管、止水夾①、不帶銅片或螺旋狀銅絲的膠塞塞于U型管右端。

(2)將小口端帶有乳膠管的球型干燥管大口端插入盛有30%氫氧化鈉溶液的燒杯中。使乳膠管的另一端與三孔洗氣瓶的左孔連接，并夾上止水夾④；三孔洗氣瓶的右孔上的導(dǎo)管與U型管左管連接；三孔洗氣瓶的中孔上的帶有乳膠管的導(dǎo)管夾上止水夾③。U型管可以置于燒杯中。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(3)向左重復(fù)傾斜U型管，排除左端管內(nèi)空氣，可以看到銅片或螺旋狀銅絲與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，此時(shí)可以打開U型管右端膠塞上的止水夾①，以調(diào)節(jié)導(dǎo)管中氣壓與外界氣壓平衡，否則，隨著氣體的產(chǎn)生會(huì)沖走膠塞，發(fā)生危險(xiǎn)。

反應(yīng)原理如下：

(4)隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，U型管左端生成的無色一氧化氮?dú)怏w會(huì)聚集在U型管左端上部，并逐漸使銅片或銅絲與稀硝酸分開，此時(shí)可以觀察一氧化氮?dú)怏w的顏色為無色氣體。

(5)打開止水夾②，用洗耳球從止水夾①中緩慢鼓入空氣，U型管左端生成的無色一氧化氮?dú)怏w會(huì)經(jīng)過止水夾②排入三孔洗氣瓶中，等排氣完畢后，重新夾上止水夾②，反應(yīng)又開始發(fā)生。若要使反應(yīng)停止，則夾好止水夾①，使U型管向右重復(fù)傾斜，則稀硝酸液流入右端，使銅片或螺旋狀銅絲與稀硝酸分離，反應(yīng)即可停止。

(6)一氧化氮進(jìn)入三孔洗氣瓶后，顏色變?yōu)榧t棕色，即生成了二氧化氮?dú)怏w。

反應(yīng)原理如下：

若要排去三孔洗氣瓶中的氮氧化物，可以打開止水夾③和④，從止水夾③中以洗耳球鼓入空氣，則三孔洗氣瓶中的氮氧化物會(huì)經(jīng)過止水夾④、干燥管被燒杯中氫氧化鈉溶液吸收。排氣結(jié)束后，夾上止水夾③和④，以便重復(fù)再用。

反應(yīng)原理如下：

3 說明事項(xiàng)

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)要保證裝置氣密性良好，不能漏氣。

(2)通過反復(fù)傾斜U型管，保證U型管左端空氣全部排出。

(3)硝酸濃度過大反應(yīng)時(shí)會(huì)生成二氧化氮?dú)怏w，硝酸濃度過小反應(yīng)速率較慢。通過實(shí)驗(yàn)探究硝酸的物質(zhì)的量濃度界限，得出硝酸的物質(zhì)的量濃度界限為4.8 mol/ L。當(dāng)硝酸的物質(zhì)的量濃度大于4.8 mol/ L時(shí)，與銅反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生紅棕色二氧化氮?dú)怏w，而當(dāng)硝酸的物質(zhì)的量濃度低于或等于4.8 mol/L時(shí)，與銅反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生無色一氧化氮?dú)怏w。本實(shí)驗(yàn)宜采用的硝酸濃度為4.8 mol/ L。

(4)使用洗耳球鼓氣時(shí)，應(yīng)慢慢捏動(dòng)，以防止稀硝酸壓入三孔洗氣瓶中，同時(shí)也避免了氮的氧化物被堿液吸收不徹底而溢于環(huán)境之中造成污染。

4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)裝置簡(jiǎn)單適用，可以隨時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生和停止，且可以重復(fù)多次使用，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的可控性，同時(shí)可以避免溶液的倒吸。

(2)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，可操作性強(qiáng)，現(xiàn)象明顯，能明顯觀察到NO難溶于水且被空氣中的氧氣氧化生成NO2，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論吻合。同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)相對(duì)定性和定量的研究，以節(jié)約藥品。

(3)該實(shí)驗(yàn)將銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)、氮氧化物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、氮氧化物與水或氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、尾氣處理操作進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)。在密閉系統(tǒng)中，連續(xù)完成了系列實(shí)驗(yàn)，避免了NO、NO2等有害氣體擴(kuò)散入環(huán)境中，對(duì)實(shí)驗(yàn)者和環(huán)境無危害，體現(xiàn)了綠色化學(xué)的思想。

(4)實(shí)驗(yàn)中采用的稀硝酸濃度為4.8 mol/ L，反應(yīng)時(shí)間合理，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象鮮明，教學(xué)效果明顯(反應(yīng)50 s后開始產(chǎn)生大量無色氣泡，生成紅棕色氣體，反應(yīng)5 min后，溶液呈現(xiàn)明顯的藍(lán)色)。

(5)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新穎，具有一定的趣味性，容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)科學(xué)，容易培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。