基于證據(jù)推理意識(shí)的銅與稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

姚亮發(fā) 鄭柳萍 張賢金 戴圣蓉

摘要：對(duì)蘇教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)（2019年版）、人教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)（2020年版）教材“銅與稀硝酸反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了評(píng)析，基于證據(jù)推理意識(shí)對(duì)教材實(shí)驗(yàn)從裝置設(shè)計(jì)到尾氣處理等方面進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)，可以排除教材原實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)空氣中氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾和有效防止空氣污染，且有助于在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí)。

關(guān)鍵詞：稀硝酸性質(zhì)；二氧化氮；一氧化氮；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

銅與稀硝酸反應(yīng)生成NO氣體是高中化學(xué)必修教材一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生在科學(xué)探究過程中形成證據(jù)推理意識(shí)，預(yù)防空氣污染，樹立“綠色化學(xué)”理念。但因NO氣體遇到空氣中的O₂立即生成NO₂氣體，從而缺少證據(jù)證明銅與稀硝酸反應(yīng)生成了NO氣體，且教材實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后試管中殘存的NO氣體缺少無害化處理。筆者從證據(jù)推理和可視化的角度對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，排除了空氣中O₂對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，反應(yīng)后沒有NO氣體殘存，克服原教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上的不足。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)象可視化、反應(yīng)可控化、過程環(huán)保化等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解決了氣體逸散的問題，培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)探究過程中形成“證據(jù)推理”和“綠色化學(xué)”等學(xué)科核心素養(yǎng)。

1??教材及文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)方案分析

1.1蘇教版教材中的實(shí)驗(yàn)

蘇教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)（2019年版）專題七《氮與社會(huì)可持性發(fā)展》第二單元《重要的含氮化工原料》“銅與硝酸反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1。通過分液漏斗先加入2mL濃硝酸，收集氣體，觀察現(xiàn)象。再用分液漏斗加入5mL水，稀釋濃硝酸，收集氣體，觀察現(xiàn)象^[1]。

利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在以下不足：

（1）因銅與濃硝酸反應(yīng)生成的NO₂氣體殘存在試管中，使得銅與稀硝酸反應(yīng)生成的NO氣體要先排盡NO₂氣體。

（2）用排水法收集NO氣體，因NO₂氣體能與水反應(yīng)生成NO氣體，干擾了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)論缺少有力證據(jù)。

（3）試管內(nèi)的銅片因無法和硝酸脫離，在更換集氣瓶或在分液漏斗中加水等實(shí)驗(yàn)過程中無法讓反應(yīng)隨時(shí)停止，反應(yīng)生成多余的NO₂、NO氣體逸散到空氣中，對(duì)教室造成污染。

（4）無法有效驗(yàn)證NO與氧氣反應(yīng)生成NO₂，如果要驗(yàn)證，需要取下玻璃片，讓空氣進(jìn)入集氣瓶，這樣會(huì)造成NO、NO₂逸散到空氣中，對(duì)教室造成污染。

（5）實(shí)驗(yàn)完成后試管內(nèi)殘存的NO氣體無法進(jìn)行綠色化處理，污染空氣。

1.2人教版教材中的實(shí)驗(yàn)

人教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)（2020年版）第五章《化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素》第二節(jié)《氮及其化合物》“銅與稀硝酸反應(yīng)”^[2]的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2。

利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在以下不足：

（1）實(shí)驗(yàn)開始前試管內(nèi)留有空氣，使得反應(yīng)生成的NO氣體立即與試管中殘存的氧氣反應(yīng)生成NO₂氣體，干擾了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（2）無法有效驗(yàn)證NO與氧氣反應(yīng)生成NO₂，如果要驗(yàn)證，需要取下橡皮塞，讓空氣進(jìn)入試管，這樣會(huì)造成NO、NO₂逸散到空氣中，對(duì)教室造成污染。

（3）實(shí)驗(yàn)完成后試管內(nèi)殘存的NO氣體無法進(jìn)行綠色化處理，污染空氣。

（4）尾氣處理不完全，生成的一部分NO氣體沒有被氫氧化鈉溶液吸收，逸散到空氣中，污染教室環(huán)境。

1.3現(xiàn)有改進(jìn)方案的不足

通過文獻(xiàn)分析，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)已有同仁進(jìn)行改進(jìn)，如李德前等老師的“銅與稀硝酸反應(yīng)”一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)^[3]、魏海等老師的“雙注射器組合裝置”的制作與應(yīng)用——以銅與硝酸反應(yīng)的系列實(shí)驗(yàn)為例^[4]，康瀟泓老師的“銅和稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”^[5]，王瑾等老師的“濃、稀硝酸與銅反應(yīng)的綠色化一體化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究”^[6]，鐘軍輝老師的“注射器的妙用——蘇教版銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)”^[7]等。這些實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，雖各有所長，但還是存在實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、不易操作等問題。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新思路

從證據(jù)推理和可視化的角度對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，排除空氣中氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，使實(shí)驗(yàn)生成NO氣體以及NO氣體轉(zhuǎn)化成NO₂氣體分步進(jìn)行，為銅與稀硝酸反應(yīng)生成NO提供有力證據(jù)。讓學(xué)生直觀化地觀察到銅與稀硝酸反應(yīng)生成無色的NO氣體，無色的NO氣體與空氣中的氧氣反應(yīng)生成紅棕色的NO₂氣體，同時(shí)對(duì)生成的尾氣進(jìn)行綠色化處理，培養(yǎng)學(xué)生的“證據(jù)推理”和“綠色化學(xué)”等學(xué)科核心素養(yǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)器材、藥品和實(shí)驗(yàn)裝置圖

廣口瓶（60mL），醫(yī)用注射器（50mL）2支，小試管（15mm×l50mm），粗銅絲（1.5mm?），軟膠塞，稀硝酸，燒杯（50mL），5%的氫氧化鈉溶液，止水夾（見圖3）。

4 實(shí)驗(yàn)裝置的組裝與連接

（1）檢查裝置氣密性，在廣口瓶（60mL）中加入30mL濃度為4mol/L的稀硝酸。

（2）取一支底部有小孔的小試管（15mm×l50mm），將試管穿過軟膠塞B。再將一支醫(yī)用注射器（50mL）B穿過軟膠塞B，將注射器B活塞拉到30mL刻度處，將帶有試管和注射器的軟膠塞B塞緊廣口瓶。

（3）將粗銅絲穿過帶有導(dǎo)管的單孔軟膠塞A，粗銅絲下端繞兩圈螺旋狀，將軟膠塞A塞緊試管，推動(dòng)粗銅絲下端至稀硝酸液面上方，注意粗銅絲下端不要與稀硝酸接觸。

（4）用止水夾夾緊乳膠管，取下注射器A的針頭，排盡注射器A里面的空氣，將注射器A與乳膠管連接。

5 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

（1）打開止水夾，緩慢拉注射器A活塞，可觀察到試管內(nèi)稀硝酸液面逐漸上升，注射器B活塞緩慢向內(nèi)移動(dòng)，當(dāng)液面接近軟膠塞A時(shí)，停止拉注射器A活塞，迅速用止水夾夾緊乳膠管。將注射器A從乳膠管抽出，推動(dòng)注射器A活塞，將注射器A里面的空氣排盡，再將注射器A與乳膠管連接。

（2）觀察到粗銅絲表面產(chǎn)生無色氣泡，試管內(nèi)稀硝酸液面在壓強(qiáng)的作用下逐漸下降，溶液由無色逐漸變成藍(lán)色，注射器B活塞緩慢向外移動(dòng)，當(dāng)試管內(nèi)稀硝酸液面低于粗銅絲時(shí)，反應(yīng)自動(dòng)停止，可直觀地觀察到試管內(nèi)生成一段無色氣體，該氣體為銅與稀硝酸反應(yīng)生成的NO（見圖4）。

（3）提拉粗銅絲，使粗銅絲下端靠近軟膠塞A，打開止水夾，緩慢拉注射器A活塞，可直觀地觀察到試管內(nèi)的無色NO氣體被吸入注射器A內(nèi)，試管內(nèi)稀硝酸液面逐漸上升，注射器B活塞緩慢向內(nèi)移動(dòng)，當(dāng)液面接近軟膠塞A時(shí)，停止拉注射器A活塞，用止水夾夾緊乳膠管。實(shí)驗(yàn)完成后，試管中幾乎沒有NO氣體殘余，消除了污染源。而教材實(shí)驗(yàn)完成后試管中還有NO氣體殘余，無法進(jìn)行綠色化處理，會(huì)污染空氣。

（4）將注射器A從乳膠管中抽出，套上注射器針頭（含針頭塑料套），繼續(xù)緩慢拉注射器A活塞，可直觀地觀察到隨著空氣被吸入注射器A內(nèi)，注射器A內(nèi)的無色氣體迅速變成紅棕色，說明無色NO氣體與O₂反應(yīng)生成紅棕色NO₂氣體，此現(xiàn)象為證明銅與稀硝酸反應(yīng)生成NO氣體提供有力證據(jù)。

（5）取下注射器A的針頭塑料套，吸取3mL5%的氫氧化鈉溶液，輕微振蕩注射器A，可直觀地觀察到注射器A內(nèi)的紅棕氣體逐漸變成無色，說明NO₂氣體被氫氧化鈉溶液吸收，消除了空氣污染。

（6）實(shí)驗(yàn)開始先拉注射器A活塞，其目的是除去反應(yīng)前試管內(nèi)的空氣，防止NO氣體與試管中殘存的O₂反應(yīng)生成NO₂氣體，排除了O₂對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。

（7）注射器B用于調(diào)節(jié)廣口瓶內(nèi)氣體的壓強(qiáng)。

（8）如果想再一次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只需排出注射器A中的氫氧化鈉溶液（再經(jīng)抽、推清水洗兩次），取下注射器A的針頭，將注射器A與乳膠管連接，用止水夾夾緊乳膠管，推動(dòng)粗銅絲，使銅絲與稀硝酸接觸，銅絲表面又有無色氣泡產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)進(jìn)行。試管內(nèi)稀硝酸液面在壓強(qiáng)的作用下逐漸下降，當(dāng)稀硝酸液面低于粗銅絲時(shí)，反應(yīng)又自動(dòng)停止。

6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)

（1）該創(chuàng)新裝置設(shè)計(jì)合理，操作簡單，只要控制止水夾和注射器，就能操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)。

（2）該創(chuàng)新裝置可重復(fù)操作，隨時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生與停止，既可教師演示，也可學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生養(yǎng)成良好的創(chuàng)新意識(shí)。

（3）該創(chuàng)新裝置排除了空氣中氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能更直觀地觀察到銅和稀硝酸反應(yīng)生成NO氣體，以及NO氣體與O₂反應(yīng)生成NO₂氣體，有助于學(xué)生養(yǎng)成良好的證據(jù)推理意識(shí)。

（4）用該新裝置完成實(shí)驗(yàn)后，試管內(nèi)幾乎沒有NO氣體殘余，且實(shí)驗(yàn)過程和尾氣處理均在密閉體系下進(jìn)行，能有效防止教室空氣污染。

參考文獻(xiàn)

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