注射器在氮的氧化物轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

劉放

通過對現(xiàn)行普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書中的《化學(xué)1》（人教版）進(jìn)行分析，教材只是提出硝酸能夠與銅發(fā)生反應(yīng)，給出了反應(yīng)方程式，并未涉及利用濃稀硝酸制備一氧化氮與二氧化氮的實(shí)驗(yàn)，另外，一氧化氮與二氧化氮之間相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)沒有也呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置，只是在科學(xué)探究欄目提出如何盡可能提高二氧化氮被水吸收轉(zhuǎn)化率的問題。利用這一空缺，廣大教師可以開動腦筋，根據(jù)課堂教學(xué)知識設(shè)置實(shí)驗(yàn)方案，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探究問題的能力。

關(guān)于利用銅與濃稀硝酸制備氮的氧化物以及氮的氧化物之間相互轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)，一直是中學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中比較難做的實(shí)驗(yàn)之一。其問題有：

1.污染大，尾氣處理不方便

實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的一氧化氮與二氧化氮均為大氣污染物，即使在實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)櫥中進(jìn)行，一旦大量產(chǎn)生，勢必對實(shí)驗(yàn)者造成一定毒害，如果是全班同學(xué)同時(shí)進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，危險(xiǎn)性更大。

2.難控制，反應(yīng)現(xiàn)象不明顯。

一氧化氮與二氧化氮之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)相當(dāng)迅速，尤其是一氧化氮，只要一接觸空氣就會變成紅棕色氣體，如果實(shí)驗(yàn)裝置中混有少量的空氣，將導(dǎo)致不易觀察到無色的一氧化氮?dú)怏w。

3.不精確，很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象量化

根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算可知三體積的二氧化氮與水反應(yīng)后轉(zhuǎn)化成一體積的一氧化氮，以及二氧化氮與氧氣按照體積比四比一通入水中可完全轉(zhuǎn)化為硝酸。上述的理論如何在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，這也是一直以來比較難實(shí)現(xiàn)的問題。

然而，有一種常見但不常規(guī)的儀器，可以解決上述各大問題，那就是注射器。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)的常規(guī)儀器中并沒有注射器，但是由于注射器具有密閉性、可控性、可測性等獨(dú)特的優(yōu)勢，在近年來，不少教師將其應(yīng)用與化學(xué)課堂演示實(shí)驗(yàn)以及學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中。筆者與課題組的其他成員，在互聯(lián)網(wǎng)和化學(xué)報(bào)刊雜志上查閱了關(guān)于氮的氧化物轉(zhuǎn)化的各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一致認(rèn)為大多數(shù)的改進(jìn)都比較復(fù)雜，不太適合做課堂教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生的分組探究實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過大家的反復(fù)實(shí)踐，多次研討，結(jié)合廣大化學(xué)教育工作者的教學(xué)研究成果，以及本課題組成員自己的教學(xué)實(shí)踐，提出了以下兩組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)一：一氧化氮與二氧化氮相互轉(zhuǎn)化的粗略觀察

實(shí)驗(yàn)材料：帶針頭的注射器、燒杯

實(shí)驗(yàn)藥品：濃硝酸、銅片、濃氫氧化鈉溶液、蒸餾水

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）在注射器中放入一小塊銅片，將注射器活塞推倒底部以排盡空氣；

（2）將注射器針頭插入稀硝酸中，吸入少量濃硝酸；

（3）反應(yīng)開始后，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以清楚地看到注射器中有紅棕色氣體產(chǎn)生；

（4）將注射器針頭插入蒸餾水水中，吸入適量蒸餾水，輕輕振蕩，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，可以看到注射器內(nèi)氣體紅棕色消失；

（5）將注射器活塞往外拉，吸入適量空氣，引導(dǎo)學(xué)生觀察，應(yīng)該可以看到注射器內(nèi)無色氣體重新變?yōu)榧t棕色；

（6）現(xiàn)象觀察完畢，將注射器中的溶液與氣體緩緩排入盛有濃氫氧化鈉溶液的燒杯中。

實(shí)驗(yàn)后反思：

1.優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)操作簡單方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯；藥品用量少，儀器拆裝方便，符合微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)要求；生成的氮的氧化物污染物容易處理。

2.不足：雖然能夠方便地幫助學(xué)生清楚地觀察到一氧化氮與二氧化氮之間的相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，但是無法準(zhǔn)確地測量出兩者之間轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)二：使二氧化氮完全溶于水的定量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料：帶針頭的注射器、帶橡膠塞的試管

實(shí)驗(yàn)藥品：二氧化氮、氧氣、蒸餾水

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）用排空氣法法收集滿一試管二氧化氮?dú)怏w；用排水法收集滿一試管氧氣；

（2）用一注射器甲吸入適量水，將注射器的針孔插入裝滿二氧化氮?dú)怏w的大試管的橡膠塞，隨著水的流入，引導(dǎo)學(xué)生觀察到試管中的紅棕色氣體逐漸變成無色，試管中有無色液體生成，可以根據(jù)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象探究出二氧化氮與水反應(yīng)的現(xiàn)象以及氣體體積的變化；

（3）用另一注射器乙將試管中的氧氣吸入，并且控制氧氣的體積為二氧化氮的體積的四分之一；

（4）將大試管倒置，同時(shí)用注射器乙將氧氣注入，引導(dǎo)學(xué)生觀察到大試管上方無色氣體重新變?yōu)榧t棕色。不停振蕩試管，可以觀察到紅棕色氣體逐漸變?yōu)闊o色，同時(shí)試管中幾乎充滿無色液體；

（5）抽取少量大試管中反應(yīng)后的液體，可以進(jìn)行硝酸性質(zhì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)后反思：

1、優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)象明顯，并且可以獲得比較精確的數(shù)據(jù)關(guān)系。同時(shí)還可以通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果引發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步思考與討論。將收集到的氧氣與二氧化氮按一比四體積比通入水中，可以看見生成的無色溶液是“幾乎”充滿而不是“完全”充滿大試管。似乎留有“遺憾”，但正是這種“遺憾”可以引導(dǎo)學(xué)生思考，為什么會出現(xiàn)這樣的情況？通過分析討論，其原因有二：一、排空氣法收集氣體會有少量的氣體雜質(zhì)；二、為了使氮的氧化物盡可能轉(zhuǎn)化成硝酸，通入的氧氣過量。

2、不足：與實(shí)驗(yàn)一相比，該實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作比較繁瑣，在操作上的要求也比較高。

通過上述兩組實(shí)驗(yàn)的比較分析，筆者認(rèn)為在課堂教學(xué)中可以將兩組實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合充分利用，實(shí)驗(yàn)一可以安排為學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)，通過這樣的簡單安全又不失趣味性的小實(shí)驗(yàn)，將學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情調(diào)動起來。在合適的時(shí)間提出科學(xué)探究問題“如何盡可能地使二氧化氮被水充分吸收”，再由教師將實(shí)驗(yàn)二作為演示實(shí)驗(yàn)展示給學(xué)生，讓學(xué)生積極參與思維活動，實(shí)現(xiàn)三維教學(xué)目標(biāo)，體現(xiàn)課改的基本要求。