硝酸受熱分解實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易化改進(jìn)

房壽高

摘要：對(duì)文獻(xiàn)中硝酸蒸氣受熱分解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比對(duì)并且分析了其各自的不足，受此啟發(fā)，對(duì)濃硝酸受熱分解實(shí)驗(yàn)作了簡(jiǎn)易化改進(jìn)探究。結(jié)果只需1滴濃硝酸就能得到理想的實(shí)驗(yàn)效果，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，顯著節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品用量和減少對(duì)環(huán)境的污染。

關(guān)鍵詞：硝酸受熱分解；簡(jiǎn)易化改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)研究

文章編號(hào)：1005–6629（2015）3–0051–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

人教版《必修1》和蘇教版《必修1》都介紹了濃硝酸的熱不穩(wěn)定性，即“濃硝酸受熱產(chǎn)生紅棕色的二氧化氮?dú)怏w”，但兩本教材都沒(méi)有提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)。正如劉懷樂(lè)老師所說(shuō)，濃硝酸的熱分解沒(méi)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)支撐，教師難免在課堂上出現(xiàn)窘態(tài)。濃硝酸受熱分解實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裼煤?jiǎn)易的操作進(jìn)行演示？筆者進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 濃硝酸受熱分解的已有研究

關(guān)于濃硝酸能否分解，劉懷樂(lè)老師做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：試管里注入幾毫升濃硝酸，加熱煮沸，觀察不到有紅棕色氣體產(chǎn)生[1]。趙中華、伍舉培也做了實(shí)驗(yàn)[2]：在試管中加入1mL濃硝酸，在酒精燈上直接加熱（管口被蘸有濃氫氧化鈉溶液的棉花團(tuán)輕輕堵?。?，最后發(fā)現(xiàn)試管中沒(méi)有明顯變化。鑒于兩位老師都沒(méi)有提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，于是筆者做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：在一支潔凈而干燥的試管中加入1mL新開瓶的濃硝酸，加熱25秒鐘左右濃硝酸開始沸騰（室溫為24℃），發(fā)現(xiàn)如果在酒精燈火焰上繼續(xù)加熱容易爆沸沖出。筆者嘗試了在三層鐵絲網(wǎng)上加熱，發(fā)現(xiàn)濃硝酸還是容易爆沸沖出。經(jīng)過(guò)多次嘗試，筆者發(fā)現(xiàn)加入一小塊黃豆般大小的碎瓷片后可以持續(xù)加熱，而濃硝酸不會(huì)爆沸沖出，如果用水銀溫度計(jì)測(cè)量其溫度，發(fā)現(xiàn)溫度能持續(xù)維持在122℃左右，沒(méi)有看到紅棕色氣體產(chǎn)生。繼續(xù)加熱，大概3分鐘左右，濃硝酸基本能全部蒸發(fā)掉，整個(gè)過(guò)程始終沒(méi)有紅棕色氣體產(chǎn)生。為什么沒(méi)有紅棕色氣體產(chǎn)生？因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中所用的濃硝酸溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～68%，很接近硝酸恒沸液（69.2%），加熱煮沸時(shí)僅僅把它變成了硝酸蒸氣，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到硝酸熱分解的溫度，所以觀察不到硝酸分解[3]。

是否濃硝酸的濃度不夠高呢？筆者向試管（內(nèi)徑1.6cm，長(zhǎng)度15cm）中加入了2藥匙（該藥匙正好能伸入試管中）左右的硫酸鈉固體，然后加入了2滴管的濃硝酸，塞好橡皮塞充分振蕩，靜置。用傾析法取上層清液，加入幾小片碎瓷片，加熱，觀察現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)只要試管底部還有濃硝酸時(shí)就沒(méi)有紅棕色氣體產(chǎn)生，但在濃硝酸接近恰好被蒸干的時(shí)候試管中上部出現(xiàn)了紅棕色氣體。筆者猜想，可能是硝酸蒸氣受熱分解產(chǎn)生了紅棕色的二氧化氮?dú)怏w。

2 硝酸蒸氣受熱分解的已有實(shí)驗(yàn)與不足

在液態(tài)濃硝酸能否分解的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，筆者有一次在濃硝酸接近被蒸干時(shí)，為了防止管壁的冷凝硝酸流到試管底部使試管炸裂，用燈焰對(duì)試管中部進(jìn)行了加熱，奇怪的現(xiàn)象發(fā)生了：試管中上部出現(xiàn)了少量紅棕色氣體。后來(lái)經(jīng)過(guò)查閱資料，發(fā)現(xiàn)對(duì)硝酸蒸氣受熱分解已經(jīng)有了一些實(shí)驗(yàn)研究。例如，劉懷樂(lè)老師就采用了如圖1的實(shí)驗(yàn)方法使硝酸蒸氣受熱分解。筆者也做了類似實(shí)驗(yàn)。先制取少量玻璃粉：在研缽里放入一些碎玻璃，然后用罩有硬紙板的研杵將玻璃研碎（罩硬紙板目的是防止碎玻璃屑飛濺）。把研磨好的玻璃粉加少許于試管底部，然后給試管底部加熱。向灼熱的玻璃粉上滴加濃硝酸，發(fā)現(xiàn)一滴加濃硝酸，試管底部炸裂了。筆者再嘗試石英砂：在試管底部加入兩小藥匙石英砂，然后在酒精燈外焰上加熱兩分鐘左右，滴入1～2滴濃硝酸，發(fā)現(xiàn)很快見到紅棕色氣體產(chǎn)生。如果試管里的石英砂較少，常常會(huì)出現(xiàn)試管炸裂現(xiàn)象。

筆者在某日（29℃）的上午做了五氧化二磷的實(shí)驗(yàn)，在潔凈而干燥的試管底部鋪一層五氧化二磷，然后滴幾滴新開瓶的濃硝酸，很快出現(xiàn)紅棕色氣體，且試管壁發(fā)燙。測(cè)量溫度，發(fā)現(xiàn)溫度很快上升到90℃左右。由于五氧化二磷有很強(qiáng)的吸水性，直接“奪走”硝酸中的“水”，使硝酸變成二氧化氮?dú)怏w。

齊俊林、趙立國(guó)兩位老師采用圖2的裝置利用電爐絲進(jìn)行加熱使硝酸蒸氣分解[4]。該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的不足之處在于：裝置較復(fù)雜，不適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)或個(gè)別實(shí)驗(yàn)。筆者以為：為什么不用酒精燈給試管中部加熱，而用電爐絲加熱？使用酒精燈應(yīng)該比使用電爐絲更方便快捷！

經(jīng)過(guò)查閱資料得知，齊俊林、趙立國(guó)兩位老師曾于1996年用圖3的裝置演示過(guò)硝酸蒸氣受熱分解的實(shí)驗(yàn)[5]。其實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：將儀器及藥品按裝置圖裝好后，用酒精燈加熱距硝酸液面1.5～2.0厘米處，片刻，濃硝酸液面上方就出現(xiàn)紅棕色的二氧化氮?dú)怏w。接著將余燼的松木條插入干燥管內(nèi)，可觀察到帶有余燼的木條立即復(fù)燃。

筆者重做了此實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：如果不停地給濃硝酸加熱，則中部的紅棕色氣體很少，球形干燥管里紅棕色氣體很多，帶余燼的松木條很快熄滅。所以，每次實(shí)驗(yàn)，最好先給濃硝酸加熱至微沸，然后撤走此處的酒精燈，再用酒精燈對(duì)準(zhǔn)中部位置加熱，片刻，可以看到有紅棕色的氣體產(chǎn)生，但并沒(méi)有出現(xiàn)“帶余燼的松木條復(fù)燃”現(xiàn)象。

俞建鋒老師對(duì)濃硝酸受熱分解實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步作了改進(jìn)[6]，見圖4。正如俞老師所說(shuō)，長(zhǎng)導(dǎo)管的作用有兩個(gè)，其一，減少硝酸的揮發(fā)，增大試管內(nèi)硝酸蒸氣的濃度，縮短加熱硝酸分解所需要的時(shí)間；其二，冷凝回流硝酸蒸氣。

但通過(guò)對(duì)比圖2、圖3和圖4，可以看出3個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)基本差不多，都是通過(guò)加熱濃硝酸產(chǎn)生硝酸蒸氣，然后再對(duì)硝酸蒸氣加熱使其分解。稍有不同之處在于加熱或增大硝酸蒸氣濃度的方式。另外這些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)雖都能明顯地看到紅棕色氣體的產(chǎn)生，不足之處在于不僅需要消耗一定量的濃硝酸，而且產(chǎn)生的污染性氣體也較多。

由圖2、圖3和圖4知，這3個(gè)實(shí)驗(yàn)都是利用濃硝酸產(chǎn)生硝酸蒸氣，再對(duì)硝酸蒸氣進(jìn)行加熱促使其分解。筆者設(shè)想，如果濃硝酸的量很少，這樣一受熱很容易產(chǎn)生硝酸蒸氣，然后再對(duì)產(chǎn)生的硝酸蒸氣進(jìn)行加熱，也應(yīng)該會(huì)得到二氧化氮?dú)怏w。于是筆者進(jìn)行了下面的實(shí)驗(yàn)探究。

3 氣態(tài)濃硝酸受熱分解實(shí)驗(yàn)的最簡(jiǎn)易化操作

在一支干燥的試管中加入1滴濃硝酸，最好能滴在試管底部，不要滴在試管壁上（下面蒸發(fā)時(shí)能輕易判斷是否完全蒸發(fā)），試管口塞一團(tuán)棉花，然后加熱。當(dāng)試管底部的一滴硝酸全部蒸發(fā)后（大概需15秒左右），此時(shí)將燈焰加熱試管中上部，15秒之后在白紙的映襯下可以看到有紅棕色氣體產(chǎn)生，繼續(xù)加熱紅棕色更加明顯。

優(yōu)點(diǎn)：不僅所需儀器簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，而且節(jié)約藥品，只需1滴濃硝酸；由于用量少，產(chǎn)生的污染也少，對(duì)環(huán)境的污染微乎其微；實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需時(shí)間短，在課堂上適合每個(gè)學(xué)生動(dòng)手操作。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的幾點(diǎn)感想

“1滴濃硝酸能演示濃硝酸的受熱分解實(shí)驗(yàn)嗎？”很多教師可能持否定態(tài)度。首先，要肯或敢于動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。其實(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)很簡(jiǎn)單，只要?jiǎng)邮肿鲆蛔鼍湍苤澜Y(jié)果，但很少有教師去親身實(shí)踐。俗話說(shuō)，百聞不如一見，一見不如實(shí)踐。

其次，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)時(shí)也要關(guān)注實(shí)驗(yàn)的物質(zhì)體系。宋心琦教授認(rèn)為實(shí)驗(yàn)體系有三個(gè)要素[5]：作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)體系；適當(dāng)?shù)膬x器裝置和必要的安全措施；合理的實(shí)驗(yàn)步驟和規(guī)范的操作技術(shù)。這三個(gè)要素的重要性是不等同的，是遞減的。宋教授還認(rèn)為，在現(xiàn)在的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中人們過(guò)多地把注意力放在了第二、三兩個(gè)方面，化學(xué)體系的選擇反而被忽視了。所以，從反應(yīng)的物質(zhì)體系入手進(jìn)行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，也應(yīng)該成為實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的一個(gè)重要思路。

最后，還要懂得一些創(chuàng)新技法。如“SCAMPER”法，其中“S”代表“代替”（substitute）；“C”代表“綜合”（combine）；“A”代表“改良”（adapt）；“M”既可以代表“修改”（modify），又可以表示“放大”（magnify）或“縮小”（minify）；“P”代表“挪作他用”（puttootheruses）；“E”代表“消除”（eliminate）；“R”代表“重新排列”（rearrange）或“逆向”（reverse）。

參考文獻(xiàn)：

[1][3]劉懷樂(lè).“硝酸”教學(xué)的幾點(diǎn)參考[J].化學(xué)教學(xué)，2011，（2）：73.

[2]趙中華，伍舉培.硝酸不穩(wěn)定性的探究實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（10）：20.

[4]齊俊林，趙立國(guó).介紹一種濃硝酸受熱分解演示裝置[J].化學(xué)教學(xué)，2010，（4）：13.

[5]齊俊林，趙立國(guó).濃硝酸受熱分解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，1996，（2）：10.

[6]俞建鋒.硝酸熱分解演示實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易做法[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（5）：55～56.