再談銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和問題探討

雷利彬

一、教材實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行人民教育出版社化學(xué)室編著的《化學(xué)》第二冊(2007年1月第2版)第14頁[實(shí)驗(yàn)1-7]：在兩支試管中各放入一小塊銅片，分別加入少量濃硝酸和稀硝酸,立即用帶導(dǎo)管的膠塞塞住試管口，并將導(dǎo)管通入另一盛有NaOH溶液的試管（如下圖）。觀察發(fā)生的現(xiàn)象。反應(yīng)片刻后，將加入稀硝酸的試管上的膠塞取下，使空氣進(jìn)入試管，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。

方法評(píng)價(jià):①濃硝酸與銅片的反應(yīng)劇烈現(xiàn)象明顯，紅棕色氣體能充滿兩支試管，盡管用了NaOH溶液吸收產(chǎn)生的NO₂，但由于反應(yīng)快，產(chǎn)生的NO₂量多，導(dǎo)致NaOH溶液吸收NO₂不完全，對(duì)環(huán)境尤其是教室里的空氣污染大，不符合“綠色化學(xué)”理念。②稀硝酸與銅片的反應(yīng)相對(duì)緩慢，產(chǎn)生的氣體量少且NO易被試管中的氧氣氧化而呈紅棕色，導(dǎo)致學(xué)生混淆濃、稀硝酸與銅的反應(yīng)現(xiàn)象和反應(yīng)產(chǎn)物。同時(shí)該方法產(chǎn)生的NO、NO₂對(duì)環(huán)境一樣會(huì)造成污染，也不符合“綠色化學(xué)”理念。③教材上對(duì)濃硝酸與銅反應(yīng)的溶液呈綠色，稀硝酸與銅反應(yīng)的溶液呈藍(lán)色，沒有做任何解釋。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)探討

銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的目的：①防止銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的NO₂污染空氣，方便學(xué)生觀察密閉容器中紅棕色的NO₂氣體，同時(shí)探討濃硝酸與銅反應(yīng)后的溶液呈綠色的原因，實(shí)驗(yàn)節(jié)約藥品，操作簡便且安全。②防止銅與稀硝酸產(chǎn)生的無色NO氣體接觸空氣而被氧化，利用后續(xù)實(shí)驗(yàn)充分證明NO易與O₂反應(yīng)生成紅棕色的NO₂，且充分說明銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的氣體確實(shí)是無色的NO，而不是H2，也不是NO₂。實(shí)驗(yàn)節(jié)約藥品，操作簡便且安全，對(duì)環(huán)境友好，符合“綠色化學(xué)”理念。

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)改進(jìn)目的，許多同行都提出了自己的改進(jìn)方法。諸如U型管法(下圖A)，試管延伸法(下圖B)，簡易啟普發(fā)生器法(下圖C)，塑料礦泉水瓶法(下圖D)，CO₂排空氣法(下圖E)，注射器充袋法(下圖F)，注射器法(下圖G)和除去氧氣法(下圖H)等等。但每一種方法都存在一些美中不足的地方，要么硝酸用量大，廢棄溶液多，浪費(fèi)藥品且污染環(huán)境;要么改進(jìn)不徹底，存在安全隱患;要么仍沒有對(duì)濃硝酸與銅反應(yīng)后的溶液呈綠色的原因進(jìn)行探討;要么現(xiàn)象仍不明顯，反應(yīng)廢液不易回收等等。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法——注射器法

反應(yīng)用品:兩個(gè)50mL的小燒杯，兩個(gè)20mL的注射器，試管，試管夾，酒精燈，氣球。

實(shí)驗(yàn)藥品:4片銅片（銅片大小以面積計(jì):每片為7mm×10mm），7.5mol/L的稀硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%左右或體積比為1:1，現(xiàn)用現(xiàn)配），14.6mol/L濃硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65-68%）。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.銅與稀硝酸反應(yīng)

①在一支干燥潔凈的注射器中放入兩片銅片，安上活塞桿并反復(fù)推拉(提醒學(xué)生觀察注射器中空氣為無色)，最后推到底（示意學(xué)生排盡空氣），在一個(gè)50mL的小燒杯中倒入10mL的 7.5mol/L的稀硝酸。

②用注射器一次將稀硝酸吸盡（注意不能吸入空氣），把注射器放在小燒杯中（見上圖I），觀察發(fā)生的現(xiàn)象。

③待反應(yīng)結(jié)束后，提起注射器，推動(dòng)注射器的活塞桿，將注射器中的溶液排入小燒杯中（如果注射器中沒有溶液則不用此步操作），讓學(xué)生觀察注射器中氣體的顏色。

④小心拉動(dòng)注射器活塞桿，吸入稍過量的空氣，讓學(xué)生再觀察注射器中氣體的顏色。

⑤余氣處理可采用書中方法。

2.銅與濃硝酸反應(yīng)

①在另一支干燥潔凈的注射器中放入兩片銅片，安上活塞桿并反復(fù)推拉(提醒學(xué)生觀察注射器中空氣為無色)，在一個(gè)50mL的小燒杯中倒入10mL的14.6mol/L的濃硝酸。

②用注射器一次將濃硝酸吸盡（注意不能吸入空氣），把注射器放在小燒杯中，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。

③待反應(yīng)結(jié)束后，取濃硝酸與銅反應(yīng)生成的綠色溶液于試管中，并在試管口套一個(gè)氣球，在酒精燈上加熱試管，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。

④余氣處理可采用書中方法。

注意：提醒學(xué)生對(duì)比觀察兩支注射器中的反應(yīng)激烈程度，溶液的顏色以及氣體產(chǎn)物的顏色。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：反應(yīng)開始后，兩支注射器中都有氣泡產(chǎn)生。但可以明顯看到:

①加濃硝酸的注射器中反應(yīng)劇烈，溶液呈綠色，產(chǎn)生紅棕色的氣體；還可看到紅棕色的氣體迅速增多，綠色溶液被排回到小燒杯中，當(dāng)溶液被排盡后，注射器中充滿了紅棕色的氣體。加熱試管中反應(yīng)后的溶液，可看到試管中充滿了紅棕色的氣體，試管中的溶液由綠色逐漸變淺，最后變成藍(lán)色。

②加稀硝酸的注射器中反應(yīng)相對(duì)緩慢，溶液呈藍(lán)色，產(chǎn)生的氣體呈無色，注射器中的藍(lán)色溶液被排到小燒杯中，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，注射器中充滿了無色的氣體;當(dāng)拉動(dòng)注射器活塞桿吸入一定量空氣后，立即看到氣體由無色變成紅棕色。

四、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)說明及問題探討

①如用稀硝酸的濃度為7.5mol/L，體積為10mL，則只需兩片銅片(銅片大小以面積計(jì):每片為7mm×10mm，切記!下同)，產(chǎn)生的氣體就可以將注射器中的溶液大部分排回小燒杯。如果稀硝酸的濃度太小，則反應(yīng)速率慢，耽誤時(shí)間;如果銅片取太多，則會(huì)增大反應(yīng)的接觸面，加快反應(yīng)速率，使反應(yīng)不易控制，導(dǎo)致溶液很快被排出注射器，不利于學(xué)生觀察反應(yīng)過程，同時(shí)也容易使產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散到空氣中，引起環(huán)境污染。

②所用濃硝酸的濃度要大于14.6mol/L，體積為10mL，此時(shí)僅需二片銅片，反應(yīng)現(xiàn)象明顯，利于學(xué)生觀察反應(yīng)的過程、產(chǎn)生的氣體顏色和生成溶液的顏色。如果銅片取得太多，由于反應(yīng)接觸面大，反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生的NO₂氣體不但會(huì)將溶液迅速排回小燒杯，并且可能導(dǎo)致NO₂也部分?jǐn)U散到空氣中，造成環(huán)境污染，這就沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的目的，也不符合“綠色化學(xué)”的要求。

③反應(yīng)過程中，觀察到濃硝酸與銅反應(yīng)生成的溶液呈綠色，而稀硝酸與銅反應(yīng)生成的溶液呈藍(lán)色?？蛇w移對(duì)比:濃硝酸本身呈無色，因溶有硝酸分解產(chǎn)生的NO₂而呈黃色。稀硝酸與銅反應(yīng)生成的溶液顏色是銅離子的水溶液顏色——呈藍(lán)色;濃硝酸與銅反應(yīng)除生成銅離子外，同時(shí)產(chǎn)生的氣體是NO₂，NO₂又溶解在銅離子的藍(lán)色溶液中，從而使?jié)庀跛崤c銅反應(yīng)生成的溶液呈綠色。當(dāng)加熱所得的綠色溶液，讓NO₂揮發(fā)離開溶液，可看到溶液逐漸變?yōu)樗{(lán)色，試管中充滿了紅棕色的氣體。

④實(shí)驗(yàn)后的廢氣和廢液的處理:可將廢液倒入一定量的氫氧化鈉溶液中，并將注射器中的氣體排入此溶液，最后流水沖洗注射器的內(nèi)外壁、活塞桿和小燒杯，以減少對(duì)環(huán)境的污染。

⑤不論是做濃硝酸與銅的反應(yīng)，還是做稀硝酸與銅的反應(yīng)，整個(gè)反應(yīng)過程一定要將注射器放入到小燒杯中，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象。因?yàn)樽⑸淦鞯淖⑸渫才c活塞桿之間的摩擦力較大，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體不能推動(dòng)活塞桿，溶液只能從從注射器的前端排出。在反應(yīng)過程中如果將注射器拿離小燒杯，很可能導(dǎo)致反應(yīng)溶液被產(chǎn)生的氣體排出，灑到地板上、學(xué)生身體上及學(xué)習(xí)用具上，發(fā)生安全事故等不良后果。（責(zé)任編輯：張華偉）