銅與硝酸反應的微型實驗分析

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摘要：硝酸是氮的重要化合物，具有強氧化性，可以與銅發生反應，但硝酸濃度不同，其反應產物也不相同。為了彌補教材中實驗存在的不足，可以設計銅與硝酸反應的微型實驗。微型實驗利用銅絲在密閉試管中的升降控制反應的發生與停止；利用大理石與稀硝酸反應產生二氧化碳排盡試管中的氣體，排除氧氣的干擾；利用氫氧化鈉溶液進行尾氣處理。實驗的改進實現了實驗一體化和微型化，操作簡單，綠色無污染。

關鍵詞：二氧化氮；銅；硝酸；微型實驗；綠色化學

硝酸與銅反應實驗來自人教版必修2第五章，硝酸是氮的一種重要化合物，并且具有很強的氧化性，當濃度不同時，與金屬反應的產物也不同。教材中的方法是通過向硝酸中插入銅絲來觀察實驗現象，利用銅絲進行實驗，可以隨時控制反應的發生和停止，能有效降低實驗的危險性，節約了藥品，降低了實驗成本［1］，但該方案同時也存在以下問題。（1）銅與硝酸的反應為放熱反應，如果直接將導管插入氫氧化鈉溶液中，反應結束后裝置中的壓強減小，會造成氫氧化鈉溶液倒吸，影響實驗繼續進行。（2）反應一段時間后，濃硝酸變為稀硝酸，產生一氧化氮，而一氧化氮不溶于氫氧化鈉溶液，會從氫氧化鈉溶液中逸出，造成空氣污染，危害師生健康。（3）因為具支試管中存在空氣，一氧化氮會與空氣迅速反應轉化為紅棕色的二氧化氮，所以，無法判斷銅與稀硝酸反應的產物為一氧化氮［2］。為了解決教材中實驗存在的問題，筆者設計了銅與硝酸反應的微型實驗，不僅可以在同一裝置中進行銅與濃硝酸、稀硝酸的反應，進行對比學習，還可以進行二氧化氮溶于水和一氧化氮氧化實驗，實現了實驗一體化，并且在實驗過程中沒有污染物的泄漏，實驗結束后還進行尾氣處理，充分踐行了綠色化學理念。

1實驗材料

具支試管、打孔膠塞、膠塞、導管、膠管、燒杯、干燥管、止水夾、銅絲、注射器、尼龍網兜、細線、甘油、濃硝酸、氫氧化鈉溶液、蒸餾水、大理石。

2實驗步驟

（1）剪一片尼龍網兜，把塊狀大理石包住，用細線懸掛于銅絲上。在打孔膠塞中插入下端卷成螺旋狀的銅絲和固定有網兜的銅絲，按照圖1所示組裝裝置。干燥管末端浸入氫氧化鈉液面少許，防止倒吸。（2）打開K1，K2，拉動注射器活塞，如果干燥管內液面上升，則說明裝置氣密性良好。在試管中加入少量濃硝酸，將銅絲插入到濃硝酸當中，過一段時間后，用注射器抽取3mL氣體，之后將銅絲提起，關閉K2。拔出注射器，抽取足量的水，插入膠塞中，觀察實驗現象。（3）用注射器吸取蒸餾水，打開K2，注射到試管中。把尼龍網包的大理石放到稀硝酸里發生反應，如圖2所示。等整個裝置變為無色后，將尼龍網提起，關閉K1，打開K2，把銅絲插進稀硝酸，發生化學反應。此時一氧化氮和二氧化碳同時排出，開始排出的氣體用大氣球收集，后續進行處理，如圖3所示。（4）過一段時間后用注射器收集實驗后階段的氣體，如圖4所示。此時收集到的氣體多為一氧化氮。提起銅絲，關閉K2，拔出注射器，之后吸入空氣，插入膠塞中，觀察實驗現象。最后用氫氧化鈉溶液進行尾氣處理。（5）在支管口處插入裝滿空氣的注射器，打開K1，K2，向試管中注入空氣，用氫氧化鈉溶液吸收裝置內的剩余氣體。

3實驗現象及分析

（1）將螺旋狀銅絲插入到濃硝酸當中后，立即產生紅棕色氣體，說明銅與濃硝酸反應會生成二氧化氮。Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O。（2）先抽取3mL二氧化氮，然后抽取足量的水，使其充分發生化學反應后，氣體剩余約1mL，說明二氧化氮溶于水，生成硝酸和無色的一氧化氮。3NO2+H2O=NO+2HNO3。（3）大理石與稀硝酸反應生成二氧化碳，將裝置內的二氧化氮擠壓到氫氧化鈉溶液中，裝置變為無色。（4）注射器吸入空氣后，注射器內顏色由無色迅速變為紅棕色，證明注射器內原有氣體為一氧化氮，說明銅與稀硝酸反應會產生無色的一氧化氮，而一氧化氮易被氧化為二氧化氮。3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O；2NO+O2=2NO2。

4注意事項

（1）在制作網兜時，要用線將其懸掛于銅絲上，不能使銅絲與硝酸接觸，以免在產生二氧化碳的過程中有銅發生反應。（2）如果銅絲不好抽拉，則可以在銅絲上抹凡士林，插銅絲的孔略微大一些，在銅絲上抹上大量凡士林，既容易抽拉，又可以防止漏氣。5改進意義（1）實現了銅與濃硝酸、稀硝酸反應及一氧化氮氧化、二氧化氮溶于水等實驗的一體化，裝置簡單，操作方便，可以通過抽拉銅絲控制反應的進行。（2）用尼龍網兜包住大理石，插入稀硝酸中，反應產生的二氧化碳可以在實驗時排盡裝置中的空氣，使銅和稀硝酸在無氧的環境中反應，能夠更好地觀察一氧化氮的顏色變化，排除其他因素的影響。（3）實驗在密閉環境中進行，試劑微量，對實驗產生的污染氣體都進行了處理，不會對師生身體健康造成危害，培養了學生的環保意識。（4）在二氧化氮溶于水的過程中，通過注射器進行了定量實驗，更好地培養了學生的定量意識。

參考文獻

［1］徐嘉彬，李佳，王后雄.銅與硝酸反應實驗改進文獻綜述［J］.教育與裝備研究，2020（7）：35-39.

［2］伍文洪，胡志敏.銅與硝酸反應實驗的改進［J］.實驗教學與儀器，2020（10）：28-29.

作者：朱夢晗 張宇帆 薛桂鳳 魏珍 尚錦輝 單位：河北北方學院 河北大學 宣化區第一中學