“銅鋁-濃硝酸原電池裝置”的新設(shè)計(jì)

王雪瑞+劉松偉

摘要：銅鋁-濃硝酸原電池是揭示原電池實(shí)質(zhì)的重要案例，但由于實(shí)驗(yàn)存在污染問(wèn)題，因此課堂上大多采用只分析原理，不做實(shí)驗(yàn)的“紙上談兵”方式。為解決實(shí)驗(yàn)中NO2的污染問(wèn)題，對(duì)原電池的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，操作簡(jiǎn)單可控，安全環(huán)保。

關(guān)鍵詞：原電池；濃硝酸；氣體污染；實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）4–0055–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

銅鋁-濃硝酸原電池中反應(yīng)復(fù)雜，正、負(fù)極隨反應(yīng)進(jìn)行可以發(fā)生轉(zhuǎn)變，作為典型的實(shí)驗(yàn)案例，既關(guān)聯(lián)了重要物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，又揭示了原電池的反應(yīng)實(shí)質(zhì)，有利于學(xué)生深刻理解原電池與氧化還原反應(yīng)的內(nèi)在關(guān)系。但利用普通敞口實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1）進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)[1]時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的NO2氣體，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，不適合課堂演示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

鑒于銅鋁-濃硝酸原電池實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生通過(guò)直觀感受認(rèn)識(shí)原電池的構(gòu)成和電極反應(yīng)，具有促進(jìn)形成深刻理解的教學(xué)價(jià)值，筆者對(duì)上述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)研究，提出了兩種改進(jìn)方案，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、簡(jiǎn)單易行，并消除了環(huán)境污染。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案一

2.1.1 實(shí)驗(yàn)用品

球形干燥管一個(gè)，橡皮管一段，鋁、銅電極各一個(gè)（長(zhǎng)9cm，寬0.8cm），導(dǎo)線兩根，50μA靈敏電流計(jì)一個(gè)，塑料盒一個(gè)（長(zhǎng)8cm，寬5cm，高7.5cm），帶孔塑料蓋一個(gè)（長(zhǎng)8cm，寬5cm），100mL燒杯一個(gè)，65%濃硝酸，30%氫氧化鈉溶液。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

電極槽的制作：取一長(zhǎng)方體塑料盒作為反應(yīng)槽，按照塑料盒開(kāi)口的大小制作一個(gè)塑料蓋，在塑料蓋的正中心位置和一角處各打一圓形小孔，孔的大小使橡皮管剛好插入又不漏氣為宜。中心圓孔的兩側(cè)打出兩個(gè)長(zhǎng)方形小洞，洞的大小使片狀銅鋁電極剛好插入且可上下移動(dòng)為宜，長(zhǎng)約1cm（見(jiàn)圖2）。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)操作方法及現(xiàn)象

分別剪長(zhǎng)9cm，寬0.8cm的鋁片和銅片做電極，將電極彎成L形，使一邊長(zhǎng)度與盒的高度一致，依圖3（Ⅰ）連接實(shí)驗(yàn)裝置。將塑料蓋一角的圓孔先用膠帶封上，連有干燥管的橡膠管插入中間圓孔中。25℃下[2]，向塑料盒中加入5mL的濃HNO3，燒杯中加入50mL 30%的NaOH溶液，將銅鋁兩電極懸掛在濃硝酸上部，把塑料蓋與塑料盒連接處的縫隙用膠帶封上，做成密閉反應(yīng)器。

將兩電極連上靈敏電流表，并將兩電極插入濃HNO3中。電流表指針先向右偏轉(zhuǎn)，約7s后向左偏轉(zhuǎn)（如果實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行，約31min還能看到電流表指針又向右偏轉(zhuǎn)），塑料盒中產(chǎn)生大量紅棕色氣體，溶液變成綠色。

將兩電極拉起脫離濃HNO3，實(shí)驗(yàn)停止。將一角處圓孔上的膠帶除去，用洗耳球向塑料盒內(nèi)鼓氣，將盒內(nèi)產(chǎn)生的NO2氣體趕到燒杯中與NaOH溶液反應(yīng)，以處理掉尾氣。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1）改進(jìn)后裝置密閉性較好，并具有尾氣吸收功能，避免了反應(yīng)生成的有毒氣體NO2對(duì)環(huán)境造成污染。

（2）兩電極可上下抽動(dòng)，使反應(yīng)隨時(shí)開(kāi)始或停止。

（3）用倒立的干燥管做尾氣吸收裝置，簡(jiǎn)單安全。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案二

改進(jìn)后的圖3裝置有效解決了環(huán)境污染問(wèn)題，但實(shí)驗(yàn)裝置還相對(duì)比較復(fù)雜，且由于NO2密度較大，不易自行向尾氣處理裝置中轉(zhuǎn)移，需要用洗耳球向盒內(nèi)多次鼓氣才能將其全部轉(zhuǎn)入堿液中除去。因此筆者又對(duì)裝置做了進(jìn)一步的改進(jìn)。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

橡皮管一段，鋁、銅電極各一個(gè)（長(zhǎng)9cm，寬0.8cm），導(dǎo)線兩根，50μA靈敏電流計(jì)一個(gè)，塑料盒一個(gè)（長(zhǎng)8cm，寬5cm，高7.5cm），帶孔塑料蓋一個(gè)（長(zhǎng)8cm，寬5cm），20mL燒杯一個(gè)，棉花，塑料滴管，65%濃HNO3，30% NaOH溶液。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

電極槽的制作：塑料盒蓋的制作與圖2裝置大體相同。不同的是右上角不需打孔，只需要在塑料蓋的正中心位置打一個(gè)小孔，孔的大小使塑料滴管（塑料滴管的下半部分已剪掉）剛好插入又不漏氣為宜（見(jiàn)圖4）。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)操作方法及現(xiàn)象

銅、鋁電極的制作同上述改進(jìn)方案一，將20mL小燒杯放入塑料盒中部，滴管（塑料滴管的頭部已剪去，并塞入一團(tuán)棉花）插入塑料蓋的圓孔上，依圖5（Ⅰ）連接實(shí)驗(yàn)裝置。25℃下[3]，向小燒杯中加入5mL 65%濃HNO3，塑料盒中加入50mL 30%的NaOH溶液，滴管上部的棉花上滴入30%的NaOH溶液。將兩電極懸掛在濃硝酸上部，連上電流表，塑料蓋與塑料盒的連接處的縫隙用膠帶封上，做成相對(duì)密閉的反應(yīng)器。

將兩電極插入濃硝酸中，將看到電流表指針先向右偏轉(zhuǎn)，約15s后再向左偏轉(zhuǎn)，燒杯中產(chǎn)生大量紅棕色氣體，燒杯內(nèi)溶液變成綠色。將兩電極拉起脫離濃硝酸，實(shí)驗(yàn)停止，紅色氣體慢慢消失。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1）利用一次性塑料滴管和浸有氫氧化鈉溶液的棉花吸收尾氣，使實(shí)驗(yàn)裝置更加簡(jiǎn)易。

（2）尾氣處理不需要用洗耳球鼓入空氣而很快自行吸收，減少了有毒氣體的逸出。

3 實(shí)驗(yàn)原理及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流表指針先向右偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明起初由于鋁比銅活潑，鋁片做負(fù)極，電極反應(yīng)式如下：

4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）由于實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生氣體NO2，為防止氣體從塑料蓋與塑料盒連接的縫隙處逸出，應(yīng)在放入藥品后，將塑料蓋與塑料盒的連接處用膠帶封上，做成相對(duì)密閉的反應(yīng)器。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)二中的小燒杯不要太高，要低于塑料盒的高度以便產(chǎn)生的NO2氣體向塑料盒中擴(kuò)散，利于尾氣吸收處理。

（3）反應(yīng)器所用的方形塑料盒也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件換成其他材質(zhì)和形狀（保證材質(zhì)不能與濃、稀硝酸或濃氫氧化鈉反應(yīng)）的反應(yīng)容器，只要做出一個(gè)相應(yīng)形狀的盒蓋即可。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：39～44.

[2][3]王繼璋，李高輝，霍玉堅(jiān).探究鐵和鋁在濃硫酸和濃硝酸中的電化學(xué)行為[J].化學(xué)教育，2011，（7）：52～53.