铜与浓硝酸微型化实验设计

摘要

教材中铜与浓硝酸反应的演示实验，通常存在药品用量大、反应过程中易有大量氮氧化物气体逸出等问题，不仅污染教学环境、影响师生健康，也背离绿色化学及学生科学素养发展的教育理念。为此，针对原实验的不足，可设计一套微型化、环保型的实验装置。该装置既能有效实现教学目标、提升教学效果，还能通过仪器组合与功能创新，引导学生突破对实验装置的固有认知，培养学生的环保意识与创新能力。

Graphical abstract

关键词

铜与浓硝酸反应 / 微型化 / 简易化 / 实验设计

课标指出，“以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验对于全面提高学生的科学素养有着极为重要的作用”。化学实验能有效激发学生的学习兴趣，其中随堂演示作为一种重要的师生互动教学形式，可以引领学生从接触化学、到接受化学、再到理解化学。为了达到良好的教学效果，课堂演示实验应具备器材简单、操作便捷、现象明显且能在有限时间内呈现的特点。这样不仅能充分调动学生的感官参与，加深对化学现象的直观印象，更能提升其学习兴趣，促进学科素养的发展。

1 提出问题

“铜与硝酸反应”是现行苏教版高中化学必修第二册专题七第二单元的知识。该部分内容是落实“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学精神与创新意识”等化学核心素养的重要素材之一。课本上的实验装置（图1）的缺点是，不仅硝酸的用量大，而且会产生大量的有害物质，给教学环境和师生的身心健康造成影响。当然，这也为师生开展创造性探究提供了契机。文献调研显示，涉及铜与浓硝酸实验的改进多达100篇，但绝大多数为满足环保要求而将装置设计得过于复杂，既不利于课堂演示，更难以开展学生分组实验，因而无法有效落实化学核心素养的培养目标。

二氧化氮是一种有色、有刺激性气味的气体。在描述其性质时，曾有学生提问：“您怎么知道它有刺激性呢？”这一问恰恰点出了当前教学中的一个普遍困境：正因为教师常回避某些操作困难或存在安全风险的实验，才导致学生失去了通过直接感知建立认知的机会，从而对最基本的性质描述产生怀疑。为使学生能接触化学、认识化学，进而接受化学，让化学课堂真正充满“化学味”^［1］，笔者设计了两则微型化、可操作的铜与浓硝酸反应实验，以供教学参考。

2 实验设计

2.1 设计方案1

实验用品：胶头滴管、小试管、小烧杯、铜丝、浓硝酸、氢氧化钠溶液、蒸馏水。

实验步骤及现象：

（1） 拨出胶头滴管上方的胶头，将铜丝绕成螺旋状后放入滴管中，装上胶头，如图2所示。

（2） 用胶头滴管吸取少量浓硝酸至接触到铜丝部分，将胶头滴管从浓硝酸中提出，悬于装有氢氧化钠的小试管上方，立刻观察到有红棕色气体产生。

（3） 二氧化氮气体逐渐变多，必然会将下方浓硝酸挤压出来，等到有极少量二氧化氮气体逸出时（方便学生辨别二氧化氮气味），将胶头滴管立刻插入水中，此时胶头滴管中的液面上升，上方的红棕色气体逐渐消失。

2.2 设计方案2

实验用品：直角导管、烧杯、小试管、浓硝酸、铜丝、氢氧化钠溶液、蒸馏水、洗耳球。

实验操作和现象：

（1） 将铜丝一端顺着直角导管内孔穿入，将直角导管作为反应仪器^［2］，铜丝在短管外侧缠绕数圈以防脱落。

（2） 将长端导管插入装有浓硝酸的小烧杯中，直至铜丝与液体接触，如图3所示，可以观察到直角导管内有大量红棕色气体产生。

（3） 待直角导管中充满红棕色气体后，大拇指堵住导管一端，提出导管，将其插入氢氧化钠溶液中，轻挤洗耳球，使二氧化氮充分被吸收。

上述两个改进实验的优点有：简化实验操作，变繁为简，所需仪器简单、实验现象明显、安全性高，且反应可随时中止。改进后的实验既适合教师课堂演示，也便于开展学生分组实验，有助于培养学生的实验思维与创新能力，很好地达到了预期的教学效果。

3 结语

实验设计不需要盲目追求“高大上”，也并非必须依赖计算机辅助软件。立足学校实际、符合学情特点的改进，就是最好的改进。要提升学生的实验能力与科学思维，不仅需要学校、社会的大力支持，也需要一线化学教育工作者增强意识——必须重视实验、善于实验、勤于实验。同时，教师应广泛查阅资料，善于思考，善于变通，持续优化实验方案，最大限度满足学生的实验需求，从而切实提升学生的学科核心素养。

参考文献

[1] 保志明.让化学课堂更有“化学味”［J］.中学化学教学参考，2013（03）：1.

[2] 甘磊，李德前，张羿，等.借助直角玻璃管开发化学实验的尝试［J］.化学教学，2021（08）：68-71.