“铜与硝酸反应”实验装置的新设计

摘要

针对铜与硝酸反应可控性差、有毒气体外逸和氧气干扰等问题，设计以注射器、输液袋和医用三通阀为主要元件的简易实验装置。从实践看，该装置具有操作可控、绿色安全和现象明显的效果，可用于课堂演示、学生分组实验及其他有毒有害气体的制备与检验等实验。

Graphical abstract

关键词

铜 / 硝酸 / 反应装置 / 实验改进

化学是一门以实验为基础的学科，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对“氮及其重要化合物”一节的要求为：结合应用实例或通过实验探究了解其性质^［1］。“铜与硝酸反应”实验是学生体会硝酸强氧化性，探究氮氧化合物相互转换的重要实验，但硝酸与铜的反应存在较大安全风险和污染隐患，不便于开展演示实验与学生分组实验。为了满足绿色、安全、可控的实验要求，笔者新设计了实验装置。

1 教材实验分析

对比鲁科版^［2］、人教版^［3］、苏教版^［4］三版高中化学教材“铜与硝酸反应”的实验（表1）发现，三版教材的实验虽然操作简单，但存在反应不易调控、一氧化氮易被氧化影响观察、气体产物不便收集与探究、拆卸装置时有害气体易泄漏等诸多不容忽视的问题。

2 相关实验改进述评

为解决教材实验存在的问题，诸多学者和一线教师都提出了“铜与硝酸反应”实验的改进方案，其实验创新点主要集中在绿色化、一体化、微型化和生活化等方面。例如：李润^［5］在完全密闭的条件下进行实验，借助压强差使固液分离，即可停止反应，实验操作简单，过程绿色安全；李德前等^［6］对实验进行一体化设计，集一氧化氮的制取、检验与氧化等多个实验于一体，装置功能集成，实验富有趣味性；靳艳艳^［7］、孙月桥等^［8］利用中药袋、注射器等生活中常见物品设计实验装置，不仅材料易得、操作便捷，还有利于引导学生将化学知识联系生活实际。

3 实验改进思路

为了实现“铜与硝酸反应”实验可控、操作简单，笔者借助常见医疗器具设计了新的实验装置。医用注射器耐酸耐腐蚀、密封性好，是良好的反应装置；医用输液袋密闭性好，能自由膨胀收缩，是良好的储气装置；医用鲁尔三通阀能与多种医疗器具相配，旋转阀门能灵活控制不同方向气体或液体流向，是良好的连接元件。

因此，笔者以注射器、输液袋为主体，通过三通阀互相连接，形成了一套“铜与硝酸反应”的简易装置。更换盛装不同浓度硝酸的注射器，分别实现铜与浓、稀硝酸的化学反应。输液袋用于收集气体，便于检验氮氧化合物的性质，并明确其转换过程。

4 实验改进

4.1 实验用品

（1） 实验仪器：医用注射器、袋式输液器、医用鲁尔三通阀、铁架台、电子天平、烧杯、玻璃棒、胶头滴管。

（2） 实验药品：浓硝酸、稀硝酸（4 mol/L）、细铜丝、氧气、蒸馏水、NaOH溶液、紫色石蕊溶液。

4.2 实验装置

如图2所示，将注射器B与三通阀接口b连接并固定，另取一只注射器插入三通阀接口a，将两只注射器竖直固定于铁架台上；剪下袋式输液器的输液袋，取下两只轮式夹分别固定于输液袋软管上，将输液器下端的接头尾端接入输液袋上方管口，再将接头旋入三通阀接口c。

4.3 涉及的主要反应

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4.4 实验步骤

（1） 检查装置气密性。

旋转三通阀使a、b接口两通，推拉注射器A活塞，若注射器B的活塞随之移动，证明发生装置气密性良好；旋转阀门至a、c接口两通，关闭轮式夹②，拉动注射器A活塞抽空输液袋内空气，若输液袋保持真空不漏气，则证明收集装置气密性良好。

（2） 铜与稀硝酸反应。

①用注射器A抽空输液袋内空气，旋转三通阀门关闭c接口，将适量铜丝缠绕成扁平状放置于注射器B内，压紧活塞排出空气。

②用注射器A吸取10 mL稀硝酸，将其注入注射器B，关闭三通阀；随即，稀硝酸与铜丝接触并开始反应，铜丝表面出现气泡，溶液变成蓝色，液面上方出现无色气体，注射器B活塞下移；旋转三通阀控制阀使b、c接口相通，输液袋缓慢膨胀（图3-a），收集适量气体后旋转阀门打开a、b通路，将注射器B内液体全部推回注射器A，反应停止。

③用注射器向输液袋加药口内注入适量氧气，袋内无色气体迅速变成红棕色（图3-b）；反应结束后，将NaOH溶液注入袋内进行尾气处理。

（3） 铜与浓硝酸反应。

①更换新的注射器A与输液袋，抽空输液袋内空气，旋转三通阀门关闭c接口，连通a、b接口。

②用注射器A吸取2 mL浓硝酸并注入注射器B内，关闭三通阀；随即，浓硝酸与铜丝接触后迅速反应，铜丝表面出现大量气泡，溶液变为蓝色，液面上方出现红棕色气体，注射器活塞后移；调整三通阀门使b、c接口相通，红棕色气体逐渐充满输液袋，收集适量气体后旋转阀门打开a、b通路，将液体全部推回注射器A，反应停止。

③向输液袋加药口内注入适量紫色石蕊溶液，振荡；石蕊溶液变成红色，红棕色气体逐渐消失，输液袋收缩部分体积，向袋中注入适量氧气，袋内无色气体再次变成红棕色；反应结束后，将NaOH溶液注入袋内进行尾气处理。

4.5 实验说明

（1） 实验前需要将细铜丝缠绕成扁平状薄片，确保其紧贴活塞与针筒壁，以便排尽注射器B内的空气。若铜丝随意堆叠造成体积过大，则不利于注射器B的活塞压缩与现象观察。

（2） 反应停止后，关闭输液袋两只轮式夹隔绝空气，旋松外圆锥接头可取下输液袋。在实际教学中，收集了气体的输液袋可以分配给学生使用，也可以暂储气体供教师换班演示。实验时，既可在输液袋内定性检验气体性质，也可抽取气体在注射器内定量检验性质。

5 创新点

（1） 装置简单，现象明显。

该装置是由两支注射器与输液袋连接而成，密封性好，操作简单，反应可控。注射器针筒无色透明，能清晰观察气体产生、溶液颜色变化等现象；输液袋质地柔软有弹性，收集气体或检验性质时输液袋的体积会相应膨胀或收缩，现象直观，富有趣味性。

（2） 功能多样，通用性强。

该装置灵活且用途广泛，兼具制气、验气、储气等多种功能，并可随意拆卸和更换元件以满足实验需求。替换试剂后，可应用于SO₂、NH₃、Cl₂等气体的制备与性质检验。例如，把注射器A、B内试剂分别替换成浓硫酸与亚硫酸钠，并在输液袋内注入品红溶液或高锰酸钾溶液，可用于制取SO₂并检验其性质。

基于Python开发的单摆运动数字化实验工具，有效突破了传统实验教学受实验环境与操作影响、数据精度低和过程不可控等问题，能够为学生构建直观稳定、交互性强的实验环境，显著加深了对单摆运动规律的理解。但当前工具仍存在三方面局限：物理模型理想化程度较高，未纳入空气阻力、摆线质量等实际因素，可能导致模拟与实测数据偏差；功能设计虽侧重呈现基础规律，但可能导致学生依赖技术去探究复杂的物理现象，而弱化了自身的本质思考；数字化实验形式在动手能力培养方面存在固有局限。未来研究将着力建立多参数可调的精细化物理模型，开发涵盖基础到高阶实验的功能模块，构建“虚实融合”的实验教学体系。数字模拟与传统实验的协同实施，既保留真实操作体验，又发挥数字化技术的高精度、可重复优势，注重学生物理思维的引导、核心素养的深化，从而为物理实验教学的数字化转型提供范式参考。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 王磊.普通高中教科书化学必修第一册［M］.济南：山东科学技术出版社，2019.

[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.普通高中教科书化学必修第二册［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[4] 王祖浩.普通高中教科书化学必修第二册［M］.南京：江苏凤凰教育出版社，2019.

[5] 李润.铜与浓、稀硝酸反应的改进实验［J］.化学教育（中英文），2018，39（07）：63-65.

[6] 李德前，魏海，张羿.“铜与稀硝酸反应”一体化实验设计［J］.化学教学，2020（09）：70-72.

[7] 靳艳艳.利用自制仪器改进硝酸与铜反应实验［J］.实验教学与仪器，2023，40（01）：57-58.

[8] 孙月桥，韩林延，白玥明，等.铜与硝酸反应的绿色化、生活化、一体化改进［J］.实验教学与仪器，2023，40（12）：46-47. （上接第69页）

[9] 结语