銅與硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

劉春鴿

摘要:根據(jù)實(shí)驗(yàn)微型化、綠色化、操作簡(jiǎn)單化的原則,立足中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)際,根據(jù)高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)銅與硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和探究。

關(guān)鍵詞:微型化;W管;實(shí)踐;注射器;探究;環(huán)境保護(hù)

硝酸的強(qiáng)氧化性是高中化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容,為了幫助學(xué)生更好地理解和掌握該知識(shí),培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力,做好演示實(shí)驗(yàn)或分組實(shí)驗(yàn)就顯得尤為重要,原人教版中的實(shí)驗(yàn)過程是:在兩支試管中各放入一小片銅片,分別加入少量濃硝酸或稀硝酸,立即用帶導(dǎo)管的膠塞塞住試管口,并將導(dǎo)管插入盛有氫氧化鈉溶液的試管中,觀察現(xiàn)象。此實(shí)驗(yàn)雖然操作比較簡(jiǎn)單,但筆者認(rèn)為仍有不足之處,可做如下改進(jìn)。

一、銅與濃硝酸的反應(yīng)的改進(jìn)

1.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的原因

A.銅與濃硝酸反應(yīng)時(shí),導(dǎo)氣管直接插入氫氧化鈉溶液中,會(huì)發(fā)生倒吸現(xiàn)象。

B.觀察到現(xiàn)象后,反應(yīng)不能及時(shí)停止,只能等銅片或濃硝酸反應(yīng)完,造成藥品的浪費(fèi)。

C.反應(yīng)過快, NO2有外逸污染空氣的可能。

2.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象:在W管一端加入1mL的氫氧化鈉溶液,另一端加入1mL的濃硝酸并用插有銅絲的橡皮塞塞緊,將銅絲浸入濃硝酸中,反應(yīng)開始,可見銅絲表面快速產(chǎn)生氣泡,溶液顏色漸變?yōu)樗{(lán)綠色,W管中出現(xiàn)紅棕色氣體。觀察現(xiàn)象后,將銅絲向上拔與濃硝酸脫離接觸,反應(yīng)即停止。

3.改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

A.裝置微型化,操作方便,現(xiàn)象明顯。

B.反應(yīng)可控,藥品用量少。

C.裝置安全、可靠,不產(chǎn)生倒吸,無污染。

二、銅與稀硝酸反應(yīng)的改進(jìn)

1.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的原因

A.Cu與稀HNO3反應(yīng)時(shí),試管中存在的空氣把NO氧化為紅棕色的NO2而觀察不到無色的NO氣體。

B.Cu與稀HNO3反應(yīng)生成NO氣體,不能直接被NaOH溶液吸收而造成空氣污染。

2.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

為了解決上述問題,筆者采用注射器來做這個(gè)實(shí)驗(yàn),效果很好。

①實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象:先拔出活塞把銅片放入注射器內(nèi),然后把活塞向內(nèi)壓,趕走針筒內(nèi)的空氣。抽取一定量的稀硝酸,并用橡皮堵住針頭。待反應(yīng)開始,隨著氣體的產(chǎn)生,活塞自動(dòng)向外移動(dòng),能清楚的看到無色的NO氣體。待銅片反應(yīng)完,把橡皮去掉,抽取一定量的空氣,又能明顯的看到有紅棕色的NO2生成。反應(yīng)結(jié)束后,把注射器里的氣體和液體全部壓入氫氧化鈉溶液中,不污染空氣。

但是,在銅片質(zhì)量差不多的情況下,每次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氣體量、反應(yīng)時(shí)間都相差很大,而實(shí)驗(yàn)需要有明顯的現(xiàn)象和時(shí)間的限制,于是筆者就對(duì)反應(yīng)的條件進(jìn)行了探究。

②實(shí)驗(yàn)適宜條件的選擇

通過實(shí)驗(yàn)得知,銅與7mol/L的硝酸反應(yīng),所得氣體明顯呈紅棕色,而與6 mol/L及以下的硝酸反應(yīng)可以得到無色的NO氣體,所以我找出影響實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)因素,采用10mL注射器進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):

上述反應(yīng)在水浴加熱的條件下,反應(yīng)速率加快。而探究銅與稀硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物,在學(xué)習(xí)、分析完銅與濃硝酸反應(yīng)之后,時(shí)間大約需要5、6分鐘,那么根據(jù)反應(yīng)容器的容積、產(chǎn)生氣體的體積以及反應(yīng)所需的時(shí)間,得出結(jié)論:以10mL注射器為反應(yīng)容器,用大約0.047g銅片、1mL稀硝酸反應(yīng),產(chǎn)生的氣體量比較合適,如果室溫較低(低與25℃)或采用濃度小一點(diǎn)的硝酸,就需用溫水浴稍加熱以加快反應(yīng)速率。

③反應(yīng)異常現(xiàn)象分析

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)異?，F(xiàn)象,如上述前9個(gè)實(shí)驗(yàn),銅片的質(zhì)量相差非常小,并且在實(shí)驗(yàn)中都完全反應(yīng),但所用硝酸的體積不同,產(chǎn)生的氣體量都比理論值少且相差很大,硝酸體積越大反而產(chǎn)生氣體越少,什么原因造成這樣的現(xiàn)象呢?是不是溶液中存在溶解氧的原因,酸體積越大,溶解氧越多,消耗的一氧化氮越多,得到的氣體量就越少呢?通過查閱資料得之,氧氣在水和酸中的溶解度都很小,溶解氧的存在不會(huì)對(duì)結(jié)果造成這么大的影響。我用了加熱沸騰過的蒸餾水來配制稀硝酸,實(shí)驗(yàn)結(jié)果同上,說明溶解氧不是造成這個(gè)異常的主要原因。又仔細(xì)觀察用約0.047克銅與1mL硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)前幾分鐘反應(yīng)還是挺快的,但是氣體體積沒有明顯增加,等到反應(yīng)后期氣體體積迅速增大。推測(cè)NO雖然微溶于水,可能在硝酸中的溶解度較大才造成這樣的現(xiàn)象,于是先用注射器制取了幾毫升的NO,然后吸入3毫升的稀硝酸,震蕩、放置,觀察到氣體幾乎完全被吸收。原來這個(gè)所謂的異常現(xiàn)象是NO易溶于硝酸的結(jié)果,找到原因?qū)τ谠搶?shí)驗(yàn)有指導(dǎo)意義,要得到適量的氣體不僅②中所給的條件可以,也可以用更少的銅片和更少的硝酸來制取。

3.改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

A.反應(yīng)在缺氧條件下進(jìn)行,使同學(xué)們觀察到了NO的“廬山真面目”——無色氣體;

B.裝置微型化,操作方便,現(xiàn)象明顯;

C.實(shí)驗(yàn)中沒有向空氣中排放有毒氣體,避免了空氣受到污染;

D.可以讓學(xué)生探究產(chǎn)生的無色氣體是否為NO,怎樣驗(yàn)證,從而激起學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望。

以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)有利于利用有限資源實(shí)現(xiàn)人人動(dòng)手實(shí)驗(yàn),強(qiáng)化動(dòng)手能力的訓(xùn)練,有利于學(xué)生“在實(shí)驗(yàn)中探究,在探究中學(xué)習(xí)”、“在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)化學(xué),在實(shí)驗(yàn)中理解化學(xué)”,有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新思維,全面提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì),強(qiáng)化化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育。由于以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)既安全又節(jié)約,教師可以放心地讓學(xué)生一人一組做實(shí)驗(yàn),通過動(dòng)手做實(shí)驗(yàn),可以幫助學(xué)生理解和形成化學(xué)概念,培養(yǎng)觀察和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。能有利于培養(yǎng)學(xué)生既動(dòng)腦又動(dòng)手、理論聯(lián)系實(shí)際和解決實(shí)際問題的能力;有利于培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心自然、關(guān)心社會(huì)的情感和創(chuàng)新精神;有利于向?qū)W生傳播綠色化學(xué)的觀點(diǎn),幫助學(xué)生學(xué)會(huì)減量、減廢、回收等防治污染的重要方法,養(yǎng)成節(jié)約的良好習(xí)慣,樹立綠色化學(xué)的觀念,能改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,有益于師生的健康。

總之,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)全面貫徹了綠色化學(xué)的思想,又有效實(shí)現(xiàn)了盡可能小劑量實(shí)驗(yàn)、省資源、少污染、降成本,還增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識(shí)和探究精神,效果良好。

【主要參考文獻(xiàn)】

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[4] 《中學(xué)化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)》 王祖浩 王程杰廣西教育出版社