铜与硝酸反应实验试剂微量化改进

时间：2024-05-04

曾茹芸　蓝丽微　张燕辉

摘要：对高中化学三个版本教材中“HNO3的性质实验”的实验装置进行评析与改进，将玻璃导管、医疗用品等用于组装实验装置，能对比Cu与稀、浓HNO3反应现象的不同，且能完成NO、 NO2的多个性质实验，简单易操作。改进后的实验可以减少试剂用量，具有微量化的特点。

关键词：铜与硝酸反应；氮氧化物；试剂微量化；实验改进

文章编号： 10056629（2023）11007204 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 课标与教材分析

铜与浓、稀硝酸反应作为“氮及其化合物”这一章节的重要实验，辅助学生了解和掌握氮及其化合物的性质。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》［1］对氮及其化合物的内容要求是结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解氮及其重要化合物的主要性质；在学习活动中建议利用实验及探究活动学习浓、稀硝酸的性质，氮氧化物的性质与转化。

将三个版本教材中的铜与浓、稀硝酸反应实验进行对比，如表1所示。在苏教版、人教版高中化学教材中的铜与硝酸反应实验，反应前未排尽具支试管中的空气，可能会导致铜与稀硝酸反应生成的NO迅速被空气中的氧气氧化，学生不易观察到无色的NO气体与氧气反应生成红棕色气体的现象。除此之外，苏教版教材中的实验使用铜片，无法控制铜与硝酸的反应速率；利用排水法收集铜与稀硝酸反应生成的NO，但铜与浓硝酸反应生成的NO2气体也会与水反应生成NO，干扰实验结果［2］；且装置缺少尾气吸收处理。在人教版教材中，该实验在结束后，具支试管中剩余的氮氧化物无法进行绿色化处理，拆卸装置时，极易逸散至空气中。鲁科版教材则编写简单，仅对气体发生装置和氮氧化物的吸收作了简要的提示。

2 Cu与HNO3反应实验改进文献案例简介

近些年有关铜与浓、稀硝酸反应的实验改进主要集中在铜与浓、稀硝酸反应现象对比；排除空气对铜与稀硝酸反应的影响；实验装置微型化与使用生活用品等［3］。铜与硝酸反应作为课堂演示实验，其改进不仅要符合当下实验改进的原则，更要保证改进实验在化学实验教学中的可行性。于永民老师等利用双球干燥管、启普发生器使装置处于CO2的环境，实现在无氧条件下，铜丝与浓硝酸、稀硝酸的连续反应［4］；谭文生老师利用移液管、洗耳球在全封闭的条件下实现铜丝与浓、稀硝酸的可控反应，现象明显、取材方便［5］；魏海老师自制双注射器制造无氧环境，并实现有毒气体零排放［6］。以上实验改进方案对学生具有一定的启示作用，但仍存在实验装置复杂、不易操作等问题。

此外，又发现某些利用注射器和铜片改进的实验［7］，将注射器作为铜与浓硝酸反应的装置，反应瞬间可产生大量的NO2，但压强过大，可能会导致气体冲出注射器；利用输液袋与铜丝改进的实验［8］，输液袋收集气体可起到缓冲作用，但二次实验时发现输液袋由透明变成乳白色，影响了学生对实验现象的观察。

3 实验试剂微量化实验改进思路

对三个版本教材实验存在的不足进行思考和改进，利用玻璃导管、注射器等改进铜与浓硝酸、稀硝酸反应装置，在气体颜色的转变上，为NO向NO2转化提供证据支持，体现微量化实验的改进思路。

微量化实验的研究，是建立在上世纪末提出的微型实验基础之上的［9］。微型实验中的仪器、装置过小往往有其致命的弱点，即实验装置与现象的可见度太小、实验操作有异化，这些无疑会影响到学生的观察及实验教学效果。而微量化实验则克服了微型实验的这些弊端，其以微小量的试剂在较常规的仪器装置中进行化学实验，使实验现象依然足够明显。即微量化实验在保证试剂用量少、污染少、省时间、易操作的同时，仍使用常规仪器、装置，仍能达到常规演示实验的可见度［10］。基于此功能和特征，在中学化学实验中研究和推广微量化实验就十分必要了。

在微量化实验中，可以利用一些更生活化、更环保的实验仪器和手段，如空矿泉水瓶、注射器、滤纸、火柴等，将原本较复杂、较耗试剂、较污染环境的实验简化成微量的、易操作的、对环境较友好的、演示的可见度不受影响（甚至更好）的实验方案［11］。

4 實验部分

4.1 实验用品

导管（直角导管、直导管）、橡胶管、止水夹、注射器（20mL，分别编号为A、 B）、西林瓶、圆底烧瓶、铜丝（提前用砂纸打磨）、浓硝酸、稀硝酸（V浓硝酸∶V水=1∶1）、饱和NaOH溶液

4.2 实验装置

实验装置见图1、图2。

4.3 实验步骤

4.3.1 铜与稀硝酸反应

用胶头滴管吸取4mL稀HNO3，滴加到直角导管中；注射器A吸取1mL空气，注射器B吸取10mL饱和NaOH溶液，如图1所示，组装实验装置。关闭止水夹2，调整铜丝的位置，使铜丝与稀HNO3接触，反应开始。向上拉动铜丝，离开稀HNO3液面，反应停止。随即拉动注射器A的芯杆，使NO与O2发生反应。观察到实验现象后，转动装置使注射器B在上端并打开止水夹2，拉动注射器B的芯杆吸收直角导管与注射器A中的NO和NO2。

4.3.2 铜与浓硝酸反应

类似地，用胶头滴管吸取2mL浓HNO3，滴加到直角导管中，注射器B吸取10mL饱和NaOH溶液，如图1所示，组装实验装置。关闭止水夹2，调整铜丝的位置，使铜丝与浓HNO3接触，反应开始。向上拉动铜丝，离开浓HNO3液面，反应停止。观察到实验现象后，关闭止水夹1，取出注射器A，向其中注入一定量H2O，完成NO2与H2O的反应实验。随即转动装置使注射器B在上端并打开止水夹2，拉动注射器B的芯杆吸收直角导管中的NO2。

4.3.3 收集NO2气体

如图2所示，用注射器吸取2mL浓HNO3，滴加入西林瓶中，两支玻璃导管穿过西林瓶双孔塞，分别用来收集反应生成的NO2气体与固定铜丝，便于上下移动铜丝，随时调整反应速率。圆底烧瓶口的双孔塞，分别用来排尽圆底烧瓶内的空气与连接西林瓶收集NO2。当观察到圆底烧瓶内充满红棕色气体，证明气体收集完成。之后可通过导管向西林瓶滴加饱和NaOH溶液进行尾气吸收。

4.4 实验现象与解释

4.4.1 铜与稀硝酸反应

Cu与稀HNO3反应生成Cu（NO3）2与NO，溶液逐渐由无色变为蓝色，且有无色气泡冒出，无色的NO气体进入装有少量空气的注射器A后，被空气中的氧气氧化，转化为红棕色的NO2气体。反应的方程式如下：

3Cu+8HNO3（稀）3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

2NO+O22NO2

4.4.2 铜与浓硝酸反应

Cu与浓HNO3反应生成Cu（NO3）2与NO2，溶液由无色变为绿色，其原因为蓝色的Cu（NO3）2溶液与红棕色的NO2气体混合使直角导管中的溶液由无色逐渐变为绿色。反应生成的红棕色NO2气体增大直角导管内的压强，气体慢慢进入注射器A，当注射器A中约有3mL NO2时，关闭止水夹1，往注射器A注入一定量H2O，NO2与H2O反应生成HNO3和NO，注射器A中气体颜色由红棕色变为无色。反应的方程式如下：

Cu＋4HNO3（浓）Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

3NO2+H2O2HNO3+NO

2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O

4.4.3 收集NO2气体

Cu与浓HNO3反应生成Cu（NO3）2与NO2，一段时间后，西林瓶充满了红棕色的NO2气体，溶液由无色变为绿色。利用向上排空气法收集气体，使圆底烧瓶内充满红棕色的NO2气体，随即向西林瓶中加入饱和NaOH溶液进行尾气吸收。

4.5 注意事项与实验说明

反应前，铜丝要提前用砂纸打磨，除去表面的氧化膜；铜与稀HNO3反应时，注射器A中裝入少量空气（1～3mL为宜）；进行铜与浓HNO3反应时，缓慢上下移动铜丝，以免反应过于剧烈。

铜与稀、浓HNO3反应的改进实验重点在于让学生通过实验了解两个反应的实验现象不同，产物不同，以及稀、浓HNO3的性质；通过铜与稀HNO3的反应为NO向NO2转化提供实验证据支持；收集NO2气体实验，为后续进一步学习NO2的性质及喷泉实验做准备。

4.6 改进后实验优点

（1）铜丝代替铜片，可以随时停止反应，且未反应的铜丝经过砂纸打磨，可以重复使用。

（2）化学试剂用量很少，且解决了原教材尾气吸收不充分，造成NO、 NO2污染等问题。

（3）学生可以清晰地观察到溶液、气体颜色的变化，有助于学习稀、浓HNO3的性质，同时为NO向NO2的转化提供事实证据。

（4）实验装置简便、易于携带，便于教师在课堂中演示。

5 课堂教学效果反馈

将本改进实验运用到课堂教学实践中，及时记录课堂教学情况。通过课后访谈收集授课教师与学生对改进实验的意见，分析归纳铜与稀、浓HNO3改进实验的创新性及在教学实践中的可行性。

从师生访谈结果来看，该微量化改进实验简化了教师课前的准备工作，解决了教材实验的不足，提高了实验操作效率及课堂演示实验的成功率；同时通过分组实验探究，激发了学生对化学的学习兴趣，深化了对知识的理解，起到了启发引导的作用，得到了师生们的肯定。相信微量化实验的应用会提升到更高的水平，服务于教学，为一线化学教师提供可行的实验方案。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京：人民教育出版社， 2020： 15～17.

［2］姚亮发，郑柳萍，张贤金等. 基于证据推理意识的铜与稀硝酸反应实验的新设计［J］. 化学教学， 2022，（12）： 75～77.

［3］徐嘉彬，李佳，王后雄. 铜与硝酸反应实验改进文献综述［J］. 教育与装备研究， 2020， 36（7）： 35～39.

［4］于永民，邹正良，李胜荣. 铜与浓、稀硝酸反应实验装置的创新设计［J］. 化学教育， 2015， 36（1）： 65～66.

［5］谭文生. 铜与浓、稀硝酸反应实验的绿色化设计［J］. 化学教学， 2012，（11）： 45～46.

［6］魏海，李德前. “双注射器组合装置”的制作与应用——以铜与硝酸反应的系列实验为例［J］. 化学教学， 2020，（11）： 69～71.

［7］刘彩虹. 人教版高中化学教材实验创新与实践研究［D］. 赣州：赣南师范大学硕士学位论文， 2020.

［8］钟晓茹. 基于核心素养的中学化学实验创新研究与实践［D］. 漳州：闽南师范大学硕士学位论文， 2022.

［9］王世朋，王程杰. 中学化学实验的微量化研究［J］. 教学仪器与实验， 2009，（2）： 32～34.

［10］李光珍. 高中化学微量化实验的开发［J］. 化学教学， 2014，（5）： 55～57.

［11］姚亮发，林师龙，郑柳萍等. 例谈中学化学教材实验的微量化设计［J］. 化学教学， 2020，（12）： 64～66.