铜与浓稀硝酸反应的微型一体化实验改进

摘要

针对高中化学教材中“铜与稀硝酸、浓硝酸反应”实验的不足（如反应前空气未排尽、现象不明显等），进行系统改进：采用泡沫铜替代铜片以增大接触面积；结合注射器与三通阀实现试剂定量控制与体系封闭；用紫色石蕊溶液证明二氧化氮与水发生了反应；增设安全瓶与尾气吸收装置，构建了一套微型化、一体化的实验装置。该装置将气体制备、性质检验与尾气吸收融为一体。实验表明，改进后现象明显、操作简便，在节省药品的同时也更加绿色环保。

Graphical abstract

关键词

铜与浓稀硝酸反应 / 微型一体化 / 实验改进

铜与浓稀硝酸反应在《普通高中化学课程标准（2017年版2025年修订）》中属于主题2：常见的无机物及其应用^［1］。对应内容要求是结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解氮及其重要化合物的主要性质。在学习活动建议中，要求安排浓稀硝酸的性质以及氮氧化物的性质与转化的实验与探究活动。可以看出，该实验不仅有助于学生认识物质性质，而且有利于培养其证据推理与模型认知、科学探究与创新意识等学科核心素养。

1 不同教材的对比

分析不同版本教材中铜与硝酸反应实验：人教版在氮氧化物处理和安全性方面有所欠缺；苏教版在控制反应速率和尾气处理方面存在不足；鲁科版则在实验操作的详细性和教学效果的呈现上较为简略。3个版本均有以下不足之处：反应前未排尽装置内空气，难以控制反应速率，药品用量大，容易倒吸，以及难以清晰观察到铜与稀硝酸反应生成NO气体、NO₂与水反应生成硝酸等关键现象。因此，有必要对现有实验进行改进，以确保学生能够充分观察和理解反应现象，并进行有效的尾气处理。

2 铜与浓稀硝酸反应实验的改进

2.1 改进思路

受已有文献启发，笔者提出以下关键改进思路^［2-4］。

（1） 采用注射器和三通阀构建封闭式反应体系，能有效排除空气干扰，可实现微型化、一体化的效果。

（2） 使用多孔泡沫铜替代传统铜片，增大接触面积，加快反应速率，体积小，更容易压缩排尽装置内的空气。

（3） 用紫色石蕊溶液证明NO₂与水发生了反应。

（4） 引入安全瓶和尾气吸收装置，有效控制反应速率，吸收反应后产生的有害气体，避免对环境造成污染。

2.2 实验原理

（1） 铜与浓稀硝酸反应。

3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O；

Cu+4HNO₃（浓）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O。

（2） 一氧化氮不溶于水，在常温下易与氧气反应。

2NO+O₂=2NO₂。

（3） 二氧化氮与水反应。

3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO。

（4） 二氧化氮与四氧化二氮转化的可逆反应。

2NO₂⇌N₂O₄。

（5） 二氧化氮与氢氧化钠反应，一氧化氮、二氧化氮与氢氧化钠反应。

2NO₂+2NaOH=NaNO₂+NaNO₃+H₂O；

NO+NO₂+2NaOH=2NaNO₂+H₂O。

2.3 实验用品

（1） 实验药品：泡沫铜、2 mol/L稀硝酸、浓硝酸、NaOH溶液、紫色石蕊溶液

（2） 实验仪器：烧杯、20 mL注射器4支、50 mL注射器、三通阀4个。

2.4 实验装置

实验装置如图1所示。

2.5 实验步骤及实验现象

实验一：铜与稀硝酸反应。

（1） 组装装置。先将泡沫铜放入注射器B，并将活塞推至最高处；用注射器A吸取2 mL稀硝酸；用注射器C吸取空气；用注射器D吸取10 mL紫色石蕊溶液；用注射器E吸取10 mL NaOH，连接并组装好装置。

（2） 调整三通阀K₁，将注射器A中的稀硝酸注入注射器B中，待反应后，推动注射器B的活塞，将生成的气体排入注射器A中，观察产生气体的颜色。实验现象：溶液由无色变成蓝色，注射器活塞缓慢下移，生成的气体是无色的，但过了一段时间后，夹杂着一点红棕色气体。

（3） NO转化为NO₂。调整三通阀K₁、K₂，将注射器C中的空气注入注射器A中，观察现象。实验现象：注射器A中的气体由无色变为红棕色。

（4） NO₂转化为NO。调整三通阀K₁、K₂、K₃，将注射器A中的部分气体注入注射器D中，观察现象。实验现象：气体由红棕色变为无色，紫色石蕊溶液变红。

（5） 废气、废液的处理。调整三通阀K₁、K₂、K₃、K₄，将其中的液体和气体全部排入注射器E中。

实验二：铜与浓硝酸反应。

（1） 组装装置。先将泡沫铜放入注射器B，并将活塞推至最高处；用注射器A吸取2 mL浓硝酸；用注射器D吸取10 mL紫色石蕊溶液；用注射器E吸取10 mL NaOH，连接并组装好装置。

（2） 调整三通阀K₁，将注射器A中的浓硝酸注入B中，待反应后，推动注射器B的活塞，将生成的气体排入注射器A中，观察产生气体的颜色。调整三通阀，将注射器B中的浓硝酸推入注射器C中，停止反应。实验现象：溶液由无色变为蓝色，产生红棕色气体。

（3） NO₂转化为N₂O₄。调整三通阀K₁，迅速推动注射器A活塞挤压二氧化氮，观察现象。实验现象：气体的颜色先变深，后又逐渐变浅。

（4） NO₂转化为NO。调整三通阀K₁、K₂、K₃，将注射器A中的部分气体注入注射器D中，观察现象。实验现象：气体由红棕色变为无色，紫色石蕊溶液变红。

（5） 废气、废液的处理。调整三通阀K₁、K₂、K₃、K₄，将其中的液体和气体全部排入注射器E中。

2.6 实验改进创新点

（1） 装置简约，操作方便。使用注射器和三通阀搭建简单的实验装置，实验效果明显，易于观察。

（2） 绿色环保。实验微型化，节约药品。一体化封闭装置能够有效避免有害气体的逸出，实验安全性高。

（3） 反应可控。利用注射器充当“安全瓶”，使铜片与硝酸分离，有效控制反应的发生和停止。

3 实验反思与建议

（1） 反应生成的气体起初无色，随后无色气体中夹杂着一点点红棕色，可能原因是注射器B中放入泡沫铜时注射器活塞不能完全推到底部，导致装置中存在少量空气，将少部分NO氧化为NO₂，建议可以在实验前利用稀有气体（如氩气）排尽注射器内的空气。

（2） 在处理尾气时发现20 mL的注射器不能完全吸收尾气，建议使用大容量的注射器。

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2025年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2025．

[2] 徐嘉彬，李佳，王后雄.铜与硝酸反应实验改进文献综述［J］.教育与装备研究，2020，36（07）：35-39.

[3] 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.

[4] 季勇福，周伟华，张晓菊.铜与稀硝酸反应实验的创新设计［J］.实验教学与仪器，2023，40（05）：62-63.

基金资助

江西省学位与研究生教育教学改革研究项目“基于项目式学习的全日制化学教育硕士实践创新 能力培养研究”(JXYJG-2024-116)

江西省高校教改重点项目“科教融汇、产教融合理念下化学实验教学体系改革与创新”(JXJG-24-14-2)

赣南师范大学“协同提质计划”教师教育高质量发展研究专项课题，编号：师大教字〔2024〕17号