摘要： 用銅與濃硝酸反應(yīng)制取二氧化氮，用兩個(gè)塑料瓶充當(dāng)集氣瓶同時(shí)進(jìn)行向上、向下排空氣法收集二氧化氮。實(shí)驗(yàn)直觀呈現(xiàn)了向上、向下排空氣法收集二氧化氮時(shí)新進(jìn)入瓶中的有色氣體與原瓶中空氣之間的互動過程。通過及時(shí)終止二氧化氮的產(chǎn)生，及時(shí)用氫氧化鈉溶液吸收二氧化氮等方法，可使實(shí)驗(yàn)全程無污染。

關(guān)鍵詞： 排空氣法; 收集氣體; 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；二氧化氮

文章編號： 1005-6629（2024）07-0071-04 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

初中化學(xué)教材實(shí)驗(yàn)中用排空氣法收集的氫氣、氧氣和二氧化碳都是無色的，實(shí)驗(yàn)過程中無法觀察到這些氣體進(jìn)入集氣瓶后與空氣之間的互動情況。由于沒有“眼見為實(shí)”的直觀證據(jù)，加上“排空氣法收集氣體時(shí)氣體是快速進(jìn)入集氣瓶的，進(jìn)入瓶中的氣體分子做無規(guī)則運(yùn)動”，于是引發(fā)了人們對“排空氣法收集氣體時(shí)，輕的氣體在上，重的氣體在下，兩種氣體不易混合”的懷疑，甚至認(rèn)為“向上、向下排空氣收集氣體時(shí)，所收集的氣體都會與空氣快速混合，向上、向下排空氣法收集氣體沒有太大差異”。為了回應(yīng)這種質(zhì)疑，有必要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)排空氣法收集氣體過程中，被收集的氣體與原集氣瓶中空氣之間互動的真實(shí)情景，以消除人們的疑惑。

2 已有的相關(guān)研究簡述

查閱知網(wǎng)有關(guān)排空氣法收集氣體的論文，發(fā)現(xiàn)只有周信軍［1］比較了向上、向下排空氣法收集氣體時(shí)瓶內(nèi)氣體的動態(tài)過程及所收集氣體的純度差異，該文提出的方案是用圖1所示裝置收集二氧化碳，根據(jù)圖1-a裝置中的濕潤石蕊試紙由下而上逐漸變紅，證明向上排空氣法收集二氧化碳時(shí)空氣被自下而上有序排出集氣瓶，而圖1-b裝置中濕潤石蕊試紙一起快速變紅，證明向下排空氣法收集二氧化碳時(shí)空氣與二氧化碳快速混合。作者還用圖2所示方法，分別將兩支用向上、向下排空氣法收集二氧化碳的試管倒立于盛足量NaOH溶液的燒杯中，通過比較兩試管內(nèi)剩余氣體量的多少得出向上、向下排空氣法收集所得二氧化碳?xì)怏w的純度差異。該方案的圖1實(shí)驗(yàn)通過濕潤藍(lán)色石蕊試紙顏色變化情況示蹤向上、向下排空氣法收集氣體時(shí)，所收集氣體在瓶內(nèi)的流動情況，實(shí)驗(yàn)方案雖然可行，但實(shí)驗(yàn)所觀察到的只是局部的、間接的現(xiàn)象，完整的、真實(shí)的現(xiàn)象只能靠推理和想象來補(bǔ)全，同時(shí)該方案還存在不便遠(yuǎn)距離觀察的不足。圖2實(shí)驗(yàn)則存在如何確保進(jìn)入兩試管的二氧化碳?xì)怏w量相等，以及將試管倒立于NaOH溶液中時(shí)的實(shí)驗(yàn)操作安全問題。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 裝置的組成

3.1.1 制氣裝置

（1） 氣體的選擇：為使排空氣法收集氣體的過程可視化，氣體的選擇必須符合3個(gè)條件，一是有顏色且顏色隨濃度變化明顯，二是密度與空氣相差較大，三是氣體容易制得。依據(jù)上述條件進(jìn)行篩選，筆者選定了二氧化氮作為實(shí)驗(yàn)氣體。

（2） 氣體的制取：用銅與濃硝酸反應(yīng)制取二氧化氮，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Cu＋4HNO3（濃）Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O。實(shí)驗(yàn)所用的硝酸濃度、用量必須足夠大，避免生成NO而造成實(shí)驗(yàn)失敗。如圖3所示，用特制試管［2］作反應(yīng)容器，將銅置于特制試管底部（墊上一層玻璃球，以便固液分離終止反應(yīng)），通過上口接單向閥［3］的分液漏斗加入濃硝酸。待實(shí)驗(yàn)所需氣體量夠時(shí)，打開特制試管下支管活塞K1，關(guān)閉上支管活塞K2，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體將試管內(nèi)液體排入盛水的燒杯中，固液分離終止氣體的產(chǎn)生。

3.1.2 集氣裝置

（1） 設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)：如圖4所示，用向上、向下排空氣法同時(shí)收集二氧化氮?dú)怏w。為使進(jìn)入塑料瓶A、 B的氣體量相等，一是選用Y形管使氣體“兵分兩路”，且控制Y形管到塑料瓶A、 B進(jìn)氣端的距離相等；二是使塑料瓶A、 B出氣端到安全瓶的距離相等，且將塑料瓶A、 B出氣端連在同一安全瓶上以控制兩個(gè)出氣端的氣壓相等。

（2） 集氣瓶的選擇：塑料瓶A、 B的直徑、高度必須相同，且必須足夠大、足夠高，這樣新進(jìn)入的氣體與原瓶內(nèi)空氣之間互動過程的差異才能充分彰顯。選擇用兩個(gè)500mL的礦泉水瓶作為集氣瓶，不僅能滿足實(shí)驗(yàn)要求，還兼具便宜易得、輕便好固定的優(yōu)點(diǎn)。

（3） 加固集氣裝置：受重力作用，瓶口朝下的塑料瓶塞易脫落，可將乳膠管從進(jìn)氣、出氣的兩玻璃管之間穿過，拉緊后用卡箍鎖緊。

3.1.3 有害氣體處理裝置

（1） 產(chǎn)氣端的除殘氣裝置：如圖3所示，用“兩用氣筒”［4］依次將水、空氣打入特制試管中，除去特制試管中殘留的NO2氣體，反應(yīng)的化學(xué)方程式為4NO2+O2+2H2O＝4HNO3。

（2） 集氣瓶的加堿液裝置：如圖5所示，用點(diǎn)膠瓶（裝膠水的瓶子，彈性好，可網(wǎng)購）往塑料瓶A、 B中加入NaOH溶液除去NO2氣體，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NO2＋2NaOH＝NaNO2＋NaNO3＋H2O。

（3） 安全瓶及尾氣處理裝置：如圖6所示，給500mL廣口瓶配上3孔塞，其中兩個(gè)孔分別與塑料瓶A、 B的出氣端相連，第3個(gè)孔與插入NaOH溶液中的導(dǎo)管相連。當(dāng)在塑料瓶A或B的導(dǎo)管端加入堿液時(shí)（另一端夾緊），反應(yīng)引起的負(fù)壓會將燒杯中的NaOH溶液吸入安全瓶中將NO2氣體除去。

3.2 裝置的使用

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示（固定裝置略），該裝置的使用方法和實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的現(xiàn)象如下：

（1） 檢查裝置的氣密性：關(guān)閉K1、 K3、 K4，打開K2，用“兩用氣筒”打入空氣，觀察到燒杯中的導(dǎo)管口有大量氣體冒出，說明裝置氣密性良好。

（2） 啟動反應(yīng)收集氣體：往特制試管中加入濃硝酸，試管內(nèi)產(chǎn)生大量深紅棕色氣體，氣體迅速向右流動，深紅棕色氣體噴涌而入同時(shí)到達(dá)兩個(gè)集氣瓶，進(jìn)入塑料瓶B底部的深紅棕色氣體快速墜落到下方的無色氣體中彌漫開來，很快整個(gè)集氣瓶內(nèi)的氣體都變成淺紅棕色；而進(jìn)入塑料瓶A底部的深紅棕色氣體卻沉積在瓶底，與上方的無色氣體有明顯的分界，深紅棕色氣體向上緩慢移動。

（3） 終止反應(yīng)停止通氣：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯時(shí)，打開K1、關(guān)閉K2，特制試管內(nèi)液體排出反應(yīng)終止。

（4） 除去裝置內(nèi)的NO2：①將塑料瓶B倒轉(zhuǎn)正放，將兩個(gè)盛有NaOH溶液的點(diǎn)膠瓶分別與K3、 K4的端口相連，打開K3、 K4，將NaOH溶液擠壓入塑料瓶A、 B中。關(guān)閉K3、 K4，右端燒杯中的NaOH溶液倒流入安全瓶中，振蕩塑料瓶A、 B和安全瓶，瓶中氣體的紅棕色逐漸退去；②關(guān)閉K1、打開K2，用“兩用氣筒”往特制試管中先打入水至水面接近特制試管的上支管（壓縮有害氣體空間，便于將其完全除去），再打入空氣，直至裝置內(nèi)氣體的紅棕色完全消失。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

向上排空氣法收集的NO2不易與空氣混合所得氣體較純、向下排空氣法收集的NO2易與空氣混合所得氣體不純的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，證實(shí)了“排空氣法收集氣體時(shí)，輕的氣體在上重的氣體在下，兩種氣體不易混合”這一原理的可靠性。從而可得出，用排空氣法收集氣體時(shí)，為收集到比較純的氣體，應(yīng)將輕的氣體送至上方（向下排空氣法收集），重的氣體送至下方（向上排空氣法收集）。

3.4 幾點(diǎn)說明

（1） 有害氣體在裝置末端快速排出時(shí)往往無法被完全吸收，裝置內(nèi)除氣效果要優(yōu)于裝置末端的吸收處理，本實(shí)驗(yàn)當(dāng)有少量NO2氣體進(jìn)入安全瓶時(shí)即能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模藭r(shí)終止NO2氣體的產(chǎn)生，進(jìn)入尾氣處理裝置的NO2氣體非常少能確保其完全吸收。

（2） 用打入空氣來排出容器內(nèi)有害氣體的效果是不好的，因此本實(shí)驗(yàn)處理有害氣體時(shí)，容器內(nèi)的氣體通過加入試劑進(jìn)行反應(yīng)除去，導(dǎo)氣管中的氣體則通過打入空氣將其排入吸收液中吸收。

（3） 實(shí)驗(yàn)表明在收集了NO2的塑料瓶中加入堿液后，塑料瓶會被腐蝕得比較嚴(yán)重，瓶壁會泛白故只能使用一次（礦泉水瓶便宜易得影響不大），當(dāng)然也可用玻璃瓶代替塑料瓶。

（4） 本實(shí)驗(yàn)屬于用高中化學(xué)知識解決初中化學(xué)的實(shí)驗(yàn)問題，故應(yīng)用于初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，重點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生觀察比較向上、向下排空氣法收集NO2實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異，以幫助學(xué)生理解排空氣法收集氣體的實(shí)驗(yàn)原理。該實(shí)驗(yàn)的制氣反應(yīng)、消除有害氣體的原理等都屬于高中知識可不必涉及，以避免偏離教學(xué)主題和加重學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)語

高中化學(xué)新課標(biāo)指出“化學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，創(chuàng)設(shè)生動活潑的教學(xué)情境，幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識和技能，啟迪學(xué)生的科學(xué)思維，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀”［5］。科學(xué)教人求真，本實(shí)驗(yàn)看似研究了一個(gè)“不是問題的問題”，實(shí)則釋疑了一個(gè)化學(xué)學(xué)科的“基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)問題”，讓學(xué)生頭腦中的化學(xué)大廈建立在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的堅(jiān)實(shí)地基之上而非懸浮于似是而非的想象之中。本實(shí)驗(yàn)的育人功能表現(xiàn)在：鮮活的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，通過挖掘?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象背后的原因有助于知識的理解，實(shí)驗(yàn)中涉及的對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、單一變量控制、有害氣體無害化處理等，對促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能掌握、啟迪科學(xué)思維、訓(xùn)練科學(xué)方法、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀等大有裨益。

參考文獻(xiàn)：

［1］周信軍. 探究排氣法收集氣體的兩個(gè)問題［J］. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)， 2011， （1）： 22.

［2］曹桂禎， 龔孟增， 許奕欣. 有害氣體實(shí)驗(yàn)通用防污染裝置的改進(jìn)優(yōu)化［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2023， （3）： 76～79.

［3］曹桂禎， 葉秋香. “全景式”噴泉裝置的再優(yōu)化［J］. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2022， （10）： 54～55.

［4］曹桂禎， 鄭順來. 單向閥和自制氣筒在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2023， （1）： 62～66.

［5］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 72.

（廈門市第六批基礎(chǔ)教育課程改革課題“提升實(shí)驗(yàn)探究能力的化學(xué)課堂教學(xué)模式研究”（課題編號：Z677）的研究成果之一。）