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铜与硝酸反应实验的一体化设计

时间:2016-8-16 10:46:21

 1 Cu和HNO3反应实验创新作品分析 
  Cu与HNO3反应实验创新是一个永恒的课题,许多研究者已做了创新设计[1~4]。在本届研讨会上,展示的Cu与HNO3反应实验创新作品共有12件,Cu与HNO3反应的容器分别是注射器(4件)、U型管(3件)、试管(2件)、胶头滴管(1件)、移液管(1件)、小玻璃瓶(1件)。其中湖南省代表队贾超老师的作品“铜与稀硝酸反应制取一氧化氮实验装置的改进”、浙江省代表队顾建鸣老师的作品“铜与浓、稀硝酸反应实验的改进”、福建省代表队马东老师的作品“硝酸性质实验的一体化设计”受到评委组好评,获一等奖。笔者反复观看了现场展示实验的视频,按照作者的实验装置以及试剂的用量和浓度、操作的步骤和方法,对三件优秀作品做了实验再现。领悟了实验创新设计的理念,受益匪浅,同时也发现了作品存在的不足之处,提出了改进的方案。 
  (1)“铜与稀硝酸反应制取一氧化氮实验装置的改进”[5],实验装置如图1所示。向大试管中加入约2/3试管预先水浴加热的稀HNO3(1:3),再加适量植物油至接近试管口,然后塞紧挂有铜片的橡皮塞,铜片与稀HNO3反应生成NO气体慢慢地将注射器的活塞往上推,收集3mL NO气体后取下橡皮塞(包括铜片)。向注射器里再吸入适量空气,气体颜色由无色变为红棕色。 

 
  [实验的优点]实验装置简便,Cu与稀HNO3反应生成的NO气体没有直接与空气接触。清晰地观察到无色NO和O2反应生成红棕色NO2的实验过程和现象。 
  [实验的缺点]取下橡皮塞时,在试管口处观察到少量的红棕色气体生成,有氮氧化合物外逸。橡皮塞如果蘸上植物油,则易引起脱塞现象。稀HNO3要预先水浴加热,学生会误认为Cu与稀HNO3在加热条件下才能反应。 
  [试剂的改进]不用植物油,单用稀HNO3直接加至接近试管口,实验操作简单,效果却相同。将铜片换成细铜丝且适当增大稀HNO3浓度,这样Cu与稀HNO3反应较快,就可省去水浴加热稀HNO3的操作。 
  (2)“铜与浓、稀硝酸反应实验的改进”[6],实验装置如图2所示(注:移液管用滴定管夹固定,固定装置略)。往锥形瓶中加入30mL浓HNO3,用洗耳球对准上方橡皮管口吸气,至浓HNO3充满整个移液管,关闭弹簧夹A。铜丝与浓HNO3反应生成NO2,液面下降固液分离,关闭弹簧夹B。通过上方橡皮管口用注射器将5mL水注入移液管中,NO2与水反应生成NO。用注射器吸取移液管中的部分NO,再抽出注射器针(注:此操作必须使移液管内产生负压)。在锥形瓶中加入50mL水用于稀释浓HNO3,打开弹簧夹B,倒吸约5mL的稀HNO3。铜丝与稀HNO3反应产生微小气泡,液面下降非常缓慢,过了十几分钟固液分离。向移液管中注入空气,气体颜色由无色变为红棕色。 

 
  [实验的优点] Cu与浓、稀HNO3反应生成一定量的气体使固液自动分离,就像作者所说的:“类似于启普发生器原理,达到固液分离效果”。能清晰地观察到NO2与NO相互转化的实验现象。 
  [实验的缺点]用注射器吸取移液管中部分的NO,使移液管内产生负压,操作难度大。打开弹簧夹B使稀HNO3倒吸,难以控制移液管中稀HNO3的浓度。移液管中NO气体没有被完全清除,假如铜与稀HNO3反应生成H2,向NO和H2的混合气体中注入空气也能生成红棕色气体,因此向移液管中注入空气,气体颜色由无色变为红棕色,不能说明Cu与稀HNO3反应生成NO。 
  [操作的改进]改进铜丝与稀HNO3反应的操作,打开弹簧夹A、B,用洗耳球对准上方橡皮管口吸气,至稀HNO3充满整个移液管,这样移液管中生成的NO气体都是铜丝与稀HNO3反应生成的。 
  (3)“硝酸性质实验的一体化设计”[7],实验装置如图3所示。稍压扁塑料瓶,塞上橡皮塞。用注射器向小玻璃瓶中注入1mL浓HNO3,铜片与浓HNO3反应生成NO2。拉推注射器活塞2次,水经过三通管吸入小玻璃瓶中,吸入约20~30mL水。NO2与水反应生成NO,铜片与稀HNO3反应极微弱,近距离能观察到稀少微小的气泡。同时挤压加压球和外拉注射器活塞向小玻璃瓶中注入空气,气体颜色由无色变为红棕色。 

 
  [实验的优点]拉推注射器活塞使水吸入小玻璃瓶中,能清晰地观察到NO2与NO相互转化的实验现象。 
  [实验的缺点]向小玻璃瓶中注入20~30mL水,铜片与稀HNO3反应极微弱,此时小玻璃瓶中的NO气体主要是NO2与H2O反应生成的,因此向小玻璃瓶中注入空气,气体颜色由无色变为红棕色,不能说明Cu与稀HNO3反应生成NO。另外实验装置复杂,不符合“一看就懂,一学就会,重在思维引导”的实验创新设计理念,难以找到合适的塑料瓶和小玻璃瓶。[装置的改进]用矿泉水瓶和细口瓶分别替代合适的塑料瓶和小玻璃瓶,设计成如图4所示的实验装置,达到一看就懂的目的,而装置功能不变。 

 
  三件优秀作品其主要优点如下:贾超老师的作品,Cu与稀HNO3反应生成的NO气体没有与空气直接接触。顾建鸣老师的作品,Cu与浓、稀HNO3反应生成一定量的气体使固液自动分离。马东老师的作品,拉推注射器活塞能使水吸入小玻璃瓶中。借鉴三件优秀作品的优点,笔者设计了一套新的实验装置用于Cu与浓、稀HNO3反应实验演示。 
  2 Cu与HNO3反应实验再创新 
  2.1 实验仪器及试剂 
  实验仪器:250mL吸滤瓶、干燥管(25mL容积)、30mL塑料注射器的外壳、T型玻璃管、弹簧夹、250mL锥形瓶、100mL注射器(化学实验用注射器,出口口径较大,便于液体或气体的进出) 
  实验试剂:65%~68%浓硝酸、粗铜丝、细铜丝(从软导线中取出)、浓NaOH溶液 
  2.2 实验装置的设计 
  设计的实验装置如图5所示。吸滤瓶侧口连接30mL塑料注射器的外壳,内装蘸有浓NaOH溶液的棉花团。吸滤瓶上口插入带有橡皮塞的干燥管,再通过T型玻璃管连接100mL注射器。 

 
  2.3 实验操作、现象和结论 
  2.3.1 Cu与浓HNO3反应、NO2与H2O反应 
  (1)在吸滤瓶中加入30mL浓HNO3,在干燥管中加入粗铜丝,按如图5所示组装装置。 
  (2)打开K1关闭K2,外拉注射器活塞,吸滤瓶中的浓HNO3被吸入干燥管中至充满,关闭K1。干燥管中生成红棕色气体,溶液呈现绿色,液面下降固液分离。粗铜丝与浓HNO3反应生成NO2,NO2溶于含有Cu(NO3)2的浓HNO3溶液中呈现绿色。 
  (3)打开K2关闭K1,注射器吸入50~80mL水。关闭K2打开K1,注射器中的水被自动吸入干燥管中。干燥管中红棕色气体消失,约有1/3干燥管的无色气体生成,吸滤瓶中溶液呈现蓝色。NO2与水反应生成NO。 
  2.3.2 Cu与稀HNO3反应、NO与O2反应 
  (1)将橡皮管从锥形瓶中取出,控制K1、K2,向干燥管中注入一注射器的空气(清除干燥管中氮氧化合物),打开干燥管塞子,向干燥管中添加一团细铜丝,塞紧塞子。 
  (2)外拉注射器活塞,吸滤瓶中的稀HNO3被吸入干燥管中至充满,关闭K1。干燥管中生成无色气体,液面下降固液分离。铜丝与稀HNO3反应生成NO。 
  (3)打开K1关闭K2,外拉注射器活塞吸入NO,关闭K1,打开K2,再外拉注射器活塞吸入少量空气。注射器中气体颜色由无色变成红棕色。NO与空气中O2反应生成NO2。 
  (4)将橡皮管插入锥形瓶中,控制K1、K2,将锥形瓶中的水转移到吸滤瓶中,实验结束。 
  2.4 实验设计的思考 
  2.4.1 Cu与HNO3反应的速率 
  Cu与浓、稀HNO3反应速率不同,为控制反应速率,选用粗铜丝与浓HNO3反应,用细铜丝与稀HNO3反应。在常温下,对于Cu与稀HNO3的反应,浓HNO3与水体积比以1:1.7至1:2.7配制稀HNO3较好,稀HNO3浓度过大反应会生成少量NO2,稀HNO3浓度过小反应缓慢。Cu与HNO3反应速率受温度影响较大,在气温较低的冬天,可将铜丝绕成螺旋状或球状,提高铜丝周围溶液的温度,从而增大反应速率。铜丝的粗细、HNO3的浓度、反应物的温度均影响Cu与HNO3反应的速率,通过对比实验证实:生成的Cu(NO3)2也会明显提高Cu与稀HNO3的反应速率。 
  2.4.2 NO2与H2O反应生成NO 
  1体积的NO2与H2O反应应有1/3体积的NO生成,其实NO2与水反应较复杂。当温度为294K左右时,红棕色气体为NO2和N2O4的混合物,其中约含15%的NO2[8]。假设1体积NO2和N2O4的混合物与水完全反应生成NO,则至多生成0.62体积的NO,因此有较多的NO生成。NO2易溶于水,并歧化生成HNO3和HNO2:2NO2+H2O=HNO3+HNO2,HNO2不稳定,受热(或强酸性条件)立即分解:3HNO2=HNO3+2NO+H2O[9],因此实验条件下HNO2分解的量不确定。在实验时,若向干燥管中注水过快,HNO2未分解就进入吸滤瓶中,生成NO量不到1/3干燥管;若向干燥管中注水较慢,生成NO量超过1/3干燥管,甚至达到1/2干燥管,因此在教学中观察到有无色的NO气体生成即可,不必深究生成NO气体的多少。 
  2.5 实验创新的意义 
  用设计的实验装置可连续地演示Cu与浓HNO3、NO2与H2O、Cu与稀HNO3、NO与O2的反应实验,实验现象明显,达到一体化设计的目的。实验具有以下六个方面的优点,因此具有良好的实验教学功效。 
  (1)对比性。Cu与浓HNO3反应、Cu与稀HNO3反应都是在隔绝任何气体的相同情况下进行的。 
  (2)直观性。能看到干燥管中的NO2气体与H2O反应生成一定量的NO气体。 
  (3)自控性。Cu与浓、稀HNO3反应生成一定量的气体使固液自动分离。 
  (4)调控性。在实验过程中,可以添加细铜丝增大Cu与稀HNO3的反应速率。 
  (5)操控性。如控制好K1、K2,可将锥形瓶中的水转移到吸滤瓶中。 
  (6)低污染。用注射器的外壳,内装浸有浓 NaOH溶液的棉花团来吸收氮氧化物较为完全。 

作者:不详 来源:网友发布
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