利用“液体开关”原理改进铜与稀硝酸反应

摘要

铜与稀硝酸反应是高中化学的重要实验之一，考虑到NO与空气中O₂极易反应，若实验装置中含有较多空气（O₂），则不易观察到NO的生成，演示效果较差。现行鲁科版、人教版教材中都安排有铜与稀硝酸反应的实验并提供相应的实验装置图，但均未考虑装置的无氧环境，必然存在实验现象不明显等问题。为解决问题，利用“液体开关”原理对实验进行改进，在确保装置封闭无氧的同时，能随时关停反应，减少有害气体的生成，便于观察实验现象，操作方便，效果较好。

Graphical abstract

关键词

液体开关 / 铜 / 稀硝酸 / NO

铜与稀硝酸反应是高中化学的重要实验之一，受到了师生的普遍关注。图1为鲁科版教材中的实验装置：在试管中放入一小块铜片，加入少量的稀硝酸（4 mol/L），观察发生的现象^［1］。

图2为人教版教材中的实验装置：在橡胶塞侧面挖一个凹槽，并嵌入下端卷成螺旋状的铜丝；向具支试管中加入2 mL稀硝酸，用橡胶塞塞住试管口，使铜丝与硝酸接触，观察并比较实验现象；向上拉铜丝，终止反应^［2］。

在具体的实验过程中发现，以上两个装置受试管内存在空气（O₂）的影响，实验时无法明显地观察到NO的生成，造成学生对该实验现象存在疑惑。同时，在利用上述装置开展实验教学时，存在药品用量较大、反应后试管中仍残留大量有害气体等问题。基于此，根据相关物质的性质，结合“液体开关”的原理，对该实验进行以下改进并取得较好效果。

1 “液体开关”原理

所谓“液体开关”，就是利用互不相溶的两种液体因密度不同而自然分层的现象，采取翻转容器的方式使固体反应物与反应水溶液接触、隔离，从而达到控制反应开始和关停的装置。“液体开关”原理示意图如图3所示。需要注意的是，在添加液体前，需要将固体反应物固定在容器的一端。

2 改进实验

（1） 剪一段3 cm长的细铜丝，将其一端折出弯钩并固定在针头与针筒的连接处，其另一端可绕成螺旋状，但要注意不能影响针头、针筒的通畅。

（2） 先用针头向注射器中抽入3 mL棕黄色的菜籽油，排出空气，再向其中抽入3 mL 稀硝酸；将针头扎进橡胶塞密封，这时密度较高的稀硝酸会与铜丝接触而发生反应，同时生成气体和蓝色物质。

（3） 待收集到一定量气体后，倒置注射器，针头朝上；此时，因菜籽油密度低会在上层，故铜丝与稀硝酸脱离接触，导致“液体开关”关闭而使反应停止，如图5所示。

（4） 利用针头向注射器中抽入空气，观察到反应得到的无色气体变成红棕色。

（5） 实验结束后，将注射器中的气体排入装有少量NaOH溶液的废液袋中，即可吸收尾气，达到气体“零”排放的效果。

3 结语

基于“液体开关”原理，该装置能做到：在密闭容器中随时关停反应，操作方便；在整个过程中，氮的氧化物被密封，不与外界空气接触，便于观察实验现象；实验药品用量少，污染性气体的生成量小，既适合教师演示实验，也适合学生实验，便于推广应用；可重复使用，即只需要把气体排入废液袋后，再次倒置装置，“液体开关”重启，反应继续发生。

参考文献

[1] 北京师范大学国家基础教育课程标准实验教材总编委会组.普通高中教科书化学必修1［M］.济南：山东科学技术出版社，2019.

[2] 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.普通高中教科书化学必修1［M］.北京：人民教育出版社，2019.

基金资助

教育部新时代中小学名师名校长培养计划（2022—2025）程波名师工作室、安徽省教育装备研究课题“高中化学实验教学的实施路径研究”(ZB23197)

安徽省教育科学研究项目“基于核心素养发展的高中化学跨学科主题学习实践研究”，编号：JK24112