硝酸性質實驗的一體化設計

馬東+張賢金

摘要：設計了銅與濃、稀硝酸一體化實驗的改進裝置。此裝置還可用于二氧化氮溶于水的性質實驗、一氧化氮的檢驗、硝酸的檢驗、尾氣零排放等多個實驗。巧妙借助三通玻璃管，該實驗裝置可以實現(xiàn)濃硝酸到稀硝酸的轉化，以及模擬制備硝酸的工業(yè)流程，且符合環(huán)保理念。

關鍵詞：硝酸性質實驗；三通玻璃管；硝酸制備工業(yè)流程；一體化設計；實驗改進

文章編號：1005–6629（2017）7–0060–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

銅和濃硝酸、稀硝酸反應的實驗是高中化學非常重要的性質實驗，其在蘇教版教材[1]中使用的裝置如圖1所示，實驗中先從分液漏斗中注入1mL濃硝酸，實現(xiàn)銅與濃硝酸反應，再注入5mL水，稀釋濃硝酸，完成銅與稀硝酸反應，繼而達到性質檢驗的實驗目的。該裝置存在一些不足：（1）隨著氣體的不斷生成，具支試管內壓強增大，導致分液漏斗中的水無法順利滴下；（2）無法驗證銅與稀硝酸反應生成的無色氣體是NO；（3）無尾氣吸收裝置，反應產(chǎn)生的一氧化氮最終保留在集氣瓶及具支試管中。隨著裝置的拆卸一氧化氮釋放到室內，污染了環(huán)境，所以導致很多教師常以“看視頻”的形式代替做實驗。

部分教師針對銅和濃硝酸反應或銅和稀硝酸反應實驗進行了改進和創(chuàng)新，如譚云生老師[2]在銅與濃硝酸反應的改進中，將銅片改為可抽動的銅絲，可以控制反應的發(fā)生與停止，使用膠頭滴管擠入水，水倒流到圓底燒瓶中，可以產(chǎn)生噴泉，增強了實驗的趣味性，實現(xiàn)了一套裝置的多種用途（見圖2）。該裝置存在的不足是：雖然在密閉條件下進行，但實驗過程產(chǎn)生的NO并未得到處理，隨著裝置的拆卸，勢必釋放到空氣中，污染環(huán)境。

蔣重凱老師[3]在銅和稀硝酸反應的改進中，選擇氫氧化鈉溶液吸收尾氣，但鑒于一氧化氮不能與氫氧化鈉溶液直接反應，所以要在反應過程中打開左側止水夾，使用洗耳球鼓入空氣，使裝置中的NO轉化為NO2（見圖3），解決了NO尾氣吸收的問題，但該裝置也有一定的缺陷即不能觀察到一氧化氮的無色狀態(tài)。

經(jīng)過文獻查閱與比較，筆者發(fā)現(xiàn)教師解決難點的方式大同小異：如觀察一氧化氮的無色，大多教師采取的是先制取二氧化碳，利用其排出空氣后觀察一氧化氮的無色，并配合使用洗耳球鼓入空氣，觀察氣體顏色的變化，從而證明生成的無色氣體為一氧化氮。尾氣吸收環(huán)節(jié)則采取氣囊收集或者鼓入空氣后用堿液吸收。鼓入空氣環(huán)節(jié)往往使用洗耳球，借助洗耳球鼓入空氣需要鼓入一次再重新吸入空氣后再鼓入，操作有些不便。此外有些裝置功能單一，藥品用量大，尾氣處理也并不恰當。

也有不少教師將銅和濃、稀硝酸反應的實驗融合在一起，進行了銅和濃、稀硝酸的一體化實驗，如改進裝置圖4[4]、圖5[5]、圖6[6]，實現(xiàn)了全封閉的環(huán)境，也能觀察到NO的顏色，但往往有NO殘留，無法實現(xiàn)NO的零排放，且裝置較為復雜，操作不方便，耗時長。鄭長龍教授曾經(jīng)指出，演示實驗所采用的儀器和實驗裝置應力求簡易、快速按時完成，這樣做是為了把學生的注意力吸引到實驗裝置的主要部位上來，以減少因儀器過多裝置復雜而分散學生的注意力[7]。

2 本實驗裝置的改進

2.1 設計靈感的來源

蘇教版教材在介紹硝酸性質的同時，提供了工業(yè)制硝酸的流程圖（見圖7[8]），該過程本質上是采用水和氧氣共同吸收氮氧化物制備硝酸。因此，銅與濃、稀硝酸產(chǎn)生的尾氣除了可以常用堿液吸收，也可以在實踐中選擇氧氣與水吸收以獲得硝酸，實現(xiàn)“變廢為寶”，同時為工業(yè)制硝酸提供實驗支撐。筆者集合教材和文獻中的裝置的優(yōu)點和不足，經(jīng)反復的修改和嘗試，進行了實驗的創(chuàng)新設計。

2.2 裝置的改進和創(chuàng)新

2.2.1 制作方法

取雙孔大橡膠塞、單孔小橡膠塞各一只，三通玻璃管上端接加壓球（也稱氣唧），下端左側的玻璃管穿過大小兩個橡膠塞，通入小玻璃瓶（內裝銅片），在小玻璃瓶上加10mL注射器一支（內裝1mL濃硝酸），作為反應的發(fā)生裝置如圖8所示。最后把大橡膠塞和裝滿水的大塑料瓶連接起來，將20mL注射器（內裝2mL紫色石蕊指示劑）針頭穿過橡膠塞通入大塑料瓶，組裝完成后的裝置如圖10、圖11所示（部分儀器零部件見圖9）。

2.2.2 藥品的選擇

反應物的選擇：濃硝酸的濃度為12mol·L-1，濃度大反應速率快，現(xiàn)象明顯；銅片的規(guī)格為2cm×2cm。

2.2.4 實驗步驟、現(xiàn)象和結論

（1）實驗前準備：按圖11所示組裝裝置，并檢驗裝置的氣密性。在2支注射器中分別加入1mL濃HNO3（左）和2mL石蕊指示劑（右），接好針頭。大塑料瓶中加滿蒸餾水，把上部裝置連接好，注意小玻璃瓶（反應器）勿進水。

（2）銅與濃硝酸反應：用左側注射器向小玻璃瓶中加入1mL濃硝酸，反應開始；小玻璃瓶中會立即產(chǎn)生紅棕色氣體，溶液開始顯綠色，三通管中氣體也逐漸變紅棕色，大塑料瓶中的導氣管放出氣泡，先快后慢，產(chǎn)生均勻的氣泡。

（3）銅與稀硝酸反應制取NO：向外拉動左側注射器然后回位，小玻璃瓶中壓強減小，促使水經(jīng)過三通管倒吸進入小玻璃瓶，使?jié)庀跛岜幌♂?，溶液顏色變?yōu)樗{色，同時產(chǎn)生無色氣體，說明稀硝酸也能與銅發(fā)生反應。

（4）NO的檢驗：輕輕擠壓加壓球，空氣進入，玻璃瓶中氣體顏色變?yōu)榧t棕色，證明前一反應生成的氣體為NO。

（5）NO的吸收：繼續(xù)擠壓加壓球，注入空氣，同時抽動左側注射器，水倒流到小玻璃瓶中，重復該操作數(shù)次，就像“呼吸”一樣，瓶中氣體反復反應，直至注射器及瓶中氣體為無色為止。此時裝置中的氮氧化合物在氧氣和水的作用下完全轉化為硝酸。

（6）硝酸的檢驗：用20mL注射器向大塑料瓶中注入2mL紫色石蕊，溶液變紅，證明最后溶液應為硝酸溶液。

（7）NO吸收完全的檢驗：右側注射器抽少量氣體后拔出并抽入空氣，注射器內氣體顏色無變化，進一步驗證氮氧化合物已被吸收完全。

3 實驗創(chuàng)新點

（1）“全封閉”無需更換濃、稀硝酸。利用三通玻璃管實現(xiàn)濃稀硝酸的轉化，無需拆卸裝置，直觀對比銅與濃稀硝酸反應現(xiàn)象的差異，加壓球代替洗耳球也使操作更加簡便。

（2）裝置集合了銅與濃、稀硝酸一體化實驗、二氧化氮溶于水的性質實驗、一氧化氮溶解性及一氧化氮與氧氣反應的實驗、生成硝酸的檢驗、尾氣徹底被吸收的檢驗等多個實驗，藥品用量少，操作簡單，反應快速，整個實驗在7分鐘左右完成，適合課堂演示。

（3）“會呼吸”氮氧化合物、氧氣與水反應轉化為硝酸，硝酸從哪里來，回到哪里去，變廢為寶。此過程為工業(yè)生產(chǎn)流程中氮氧化物循環(huán)制硝酸提供了實驗支撐，也實現(xiàn)了綠色環(huán)保的要求。

（4）本裝置為“多功能”密閉裝置，可適用于固液混合不加熱型制取氣體，并進行氣體性質的檢驗。如二氧化硫的制取和性質實驗、氯氣的制取和性質實驗、硫化氫的制取和性質實驗等。

4 結語

實驗的改進和創(chuàng)新應回歸教材，能體會實驗的功能和價值，理解實驗背后所蘊涵的意義，承載知識的傳遞作用，更重要的是觀念的滲透，最大程度地發(fā)揮實驗的多重功能屬性。在改進和創(chuàng)新中，不但能使學生感受化學的設計之美，同時也能帶來視覺上的震撼，激發(fā)學生進一步改進實驗裝置的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

參考文獻：

[1][8]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2011：100～102.

[2]譚云生.銅與濃硝酸反應演示器[J].教學儀器與實驗，2006，（1）：45～46.

[3]蔣重凱.教材中銅與稀硝酸反應實驗設計的缺陷[J].化學教學，2004，（12）：16～17.

[4]齊俊林.銅與濃稀硝酸一體化實驗[J].中國教育技術裝備，2006，（1）：26～27.

[5]黃先碧，招業(yè)葵.銅和硝酸反應演示裝置的改進[J].教學儀器與實驗，2001，（4）：33.

[6]陳靜瓊，倪曉添.濃稀硝酸與銅反應一體化微型實驗再改進[J].江西化工，2013，（4）：141～142.

[7]鄭長龍.化學實驗課程與教學論[M].北京：高等教育出版社，2009：112.