铜与浓、稀硝酸一体化喷泉实验的创新设计

摘要

采用圆底烧瓶、注射器等仪器对高中化学课本中的铜与硝酸反应进行创新改进，能够直观地观察到二氧化氮与一氧化氮之间的转化，具有实验装置简单、反应一体化、颇具趣味性、产物循环利用和有毒气体零排放的优点。

Graphical abstract

关键词

铜 / 浓硝酸 / 稀硝酸 / 喷泉实验 / 创新设计

铜与浓、稀硝酸的反应是高中化学中一个重要的演示实验。通过实验操作，学生更容易理解硝酸的强氧化性。目前，教材实验存在一些问题：实验采用的浓硝酸具有强腐蚀性，反应所产生的是有毒氮氧化物气体，不仅污染环境，也会对人体产生一定的危害。为贯彻新课标提倡的化学实验要绿色化、生活化、探究化的理念^［1］，笔者改进该实验仪器，以期达到有毒气体零排放的目标。

1 教材、文献实验方案分析

1.1 教材实验分析

现行鲁科版教材实验装置^［2］如图1所示，该实验存在的问题有：①缺少尾气处理装置，会产生有毒气体，污染环境；②在实验时，不能够观察到氮氧化物之间的转化；③实验不能激起学生的学习兴趣。

现行苏教版教材实验装置如图2所示，该实验存在的问题有：①实验采用排水法，无法收集到二氧化氮；②实验过程不可控；③实验产生的有毒气体无法及时处理。

现行人教版教材实验装置^［3］如图3所示，该实验存在的问题有：①没有设计防倒吸装置，会引发危险；②反应装置中存在空气，铜与浓、稀硝酸反应都会产生红棕色气体，会让学生产生误解；③通过反应，师生不能直观地看到对比实验的效果。

综上得出现行的三版教材都存在一致性问题：①尾气不能得到很好处理；②无法对比实验，不能直观观察到实验中氮氧化物之间的转化；③反应未能做到产物的循环利用；④反应现象没有激发学生的学习兴趣。

1.2 文献实验分析

针对教材实验的不足，众多化学教学工作者进行了多角度的实验改进，主要有以下4种。

（1） 方案一：如图4所示装置^［4］，注射器、U形管、内套管组合成简单的启普发生器原理的装置，通过注射器的拉伸与压缩可控制反应的停止与进行，操作简便。但是，仍存在不足：①U形管内产生的二氧化氮不能完全进入A管中被反应；②在拉伸注射器时，若未控制好力度，则不能将浓硝酸与铜分离，使反应停止。

（2） 方案二：如图5所示装置^［5］，“全封闭”无须更换浓、稀硝酸。利用三通玻璃管实现浓、稀硝酸的转化，即可直观对比铜与浓、稀硝酸反应现象的差异。但是，装置仍存在不足：①将装有浓硝酸的10 mL针管的针头插入两个瓶塞时，操作较为困难；②若操作导致小玻璃瓶进水，就会使之后加入的浓硝酸被稀释。

（3） 方案三：如图6所示装置^［6］，铜与浓硝酸和稀硝酸的两个反应在同一支U形管中进行，现象形成对比。但是仍存在不足：①不能有效控制反应的发生与结束；②U形管右侧反应所产生的一氧化氮不能及时处理。

（4） 方案四：如图7所示装置^［7］，解决了二氧化氮和一氧化氮气体的制备及部分性质的检验，实现了实验的有效控制。但是仍存在不足：①整套装置复杂，不易操作； ②铜丝与橡胶塞之间若存在空隙，就会有二氧化氮泄漏。

2 创新设计实验方案

2.1 实验仪器与药品

（1） 实验仪器：圆底烧瓶、两孔橡胶塞、玻璃导管、乳胶管、止水夹、注射器（20 mL）、两个烧杯（250 mL）、铁架台（带铁夹）。

（2） 药品：铜丝、浓硝酸、氢氧化钠溶液、蒸馏水。

2.2 实验原理

\mathrm{4}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}(\mathrm{浓硝}\mathrm{酸})+\mathrm{C}\mathrm{u}=\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\uparrow +\mathrm{C}\mathrm{u}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}{)}_{\mathrm{2}}+\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O};

\mathrm{3}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}=\mathrm{N}\mathrm{O}\uparrow +\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}；

\mathrm{8}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}(\mathrm{稀硝}\mathrm{酸})+\mathrm{3}\mathrm{C}\mathrm{u}=\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{O}\uparrow +\mathrm{3}\mathrm{C}\mathrm{u}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}{)}_{\mathrm{2}}+\mathrm{4}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}；

\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}=\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\uparrow；

\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}=\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

2.3 实验操作

（1） 安装好装置（图8），检查气密性后开始实验。

（2） 用铜丝缠绕烧瓶里的玻璃导管，将其靠近瓶塞的位置，再将烧瓶倒置于铁架台上；打开止水夹，用注射器取5 mL浓硝酸并插入烧瓶塞中，即可向烧瓶内注射浓硝酸；注射完毕后将导管另一头置于装有氢氧化钠烧杯中，直至红棕色气体蔓延至烧瓶，即可将氢氧化钠换为250 mL的纯净水，并关闭止水夹（图9）。

（3） 待红棕色气体充满烧瓶，再次打开止水夹，拉动注射器，形成气压差，遂使纯净水上升至导管形成喷泉，并将注射器内的溶液注入烧瓶中（图10）。

（4） 关闭止水夹，铜丝开始与稀硝酸反应，等待6 min左右，将烧瓶回正，取下注射器，吸入20 mL空气并将其注入烧瓶中，观察空气注入后的现象，并与之前进行对比。

（5） 用注射器吸取氢氧化钠溶液并将其注入烧瓶内，进行尾气处理。

2.4 实验现象

（1） 倒置烧瓶，利用注射器向烧瓶内注入浓硝酸，则伸入氢氧化钠溶液中的玻璃导管口有气泡冒出，同时烧瓶中有红棕色气体NO₂产生。

（2） 关闭止水夹，铜与浓硝酸反应产生红棕色的NO₂且充满烧瓶，此时烧瓶颈部液体变为绿色。

（3） 再次打开止水夹，拉动注射器，烧瓶内形成喷泉，红棕色气体NO₂变为无色的NO，溶液变成蓝色，烧瓶颈部铜丝表面持续产生无色气泡NO。

（4） 先后取下烧瓶、注射器，利用注射器吸入20 mL空气并将空气注入烧瓶，则烧瓶内气体由无色的NO变为红棕色的NO₂。

（5） 向烧瓶中注入氢氧化钠溶液，随即烧瓶内产生蓝色沉淀，红棕色气体NO₂变为无色气体NO。

3 创新设计实验的优点及创新点

（1） 装置简单，取材容易，制作简单，操作方便，现象明显，能够适应教学，易于演示。

（2） 反应一体化。将铜与浓、稀硝酸实验置于同一实验装置中连续完成，且能直观地观察到NO₂与NO之间的转化。

（3） 增加趣味性。该实验设计要素之一就是喷泉，能够吸引学生的学习兴趣，提高学生的参与度。

（4） 产物循环利用。反应所产生的二氧化氮用水吸收后，生成的稀硝酸可以继续与铜反应。

（5） 绿色化。反应所产生的气体全部在整个实验装置内，反应后经尾气处理，不会污染环境。

4 结语

经过精心优化后的实验方案，成功地实现了实验装置的简化，确保了产物的有效循环利用，并且达成了有毒气体零排放的环保标准。在此基础上，巧妙引入喷泉设计元素，这一创新不仅极大地提升了实验的观赏性和吸引力，更在无形中激发了学生对化学学习的浓厚兴趣与热情。更为重要的是，该方案为化学教学方法的持续革新与进步注入了新的活力与动力。

参考文献

[1] 代黎娜.“铜与浓硝酸反应的创新实验”在教学中的应用［J］.中学化学教学参考，2021（04）：45-46.

[2] 王磊，陈光巨，普通高中课程标准实验教科书化学·必修 1［M］.济南：山东科学技术出版社，2007.

[3] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书化学·必修2［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[4] 颜冬微，吴双桃，刘艺，等.铜与浓、稀硝酸反应的微量实验设计［J］.化学教学，2017（02）：63-65.

[5] 马东，张贤金.硝酸性质实验的一体化设计［J］.化学教学， 2017（07）：60-63.

[6] 郭旭莹，罗正飞，潘慧.铜与浓、稀硝酸反应实验装置的探究［J］.中学化学教学参考，2019（16）：53.

[7] 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.