铜与稀硝酸反应实验的改进

1 2012 年度北京市教育科学研究参评论文 第一页 类 别 E 编 号 题 目 铜与稀硝酸反应演示实验的改进 内容提要 铜与稀硝酸的反应实验装置的探讨及改进 从实验现象 药 品用量 对环境的污染等方面评价现行的实验方案以及如何进行 改进 主 题 词 铜与稀硝酸反应 实验装置 探讨及改进 2 铜与稀硝酸反应演示实验的改进 一 问题的提出一 问题的提出 铜与稀硝酸的反应实验一直是中学化学演示实验和学生自主 探究实验中比较难做的实验之一 传统教科书中铜与稀硝酸反应实 验是这样设计的 在一支试管里放 入一小块铜片 再加入少量稀硝酸 立刻用带导管的胶塞塞住试管口 并 将导管通入另一盛有 NaOH 溶液的试 管 如图 观察发生的现象 反应 片刻后 将试管上的胶塞取下 使空气进入试管 观察发生的现 象 对该实验现象的描述为 有气泡产生 气体无色 当空 气进入试管后 气体变成红棕色 从而得出反应生成的气体为 NO 的结论 通过分析和实验我们不难发现 该实验设计方案装置简单 操作方便 但 气体无色 当空气进入试管后 气体变成红棕 色 这一实验现象很难观察得到 也就不能得出相应的实验结论 达不到实验目的 其原因在于 试管上部事先已有空气存在 即 便有 NO 无色气体生成 也立即与 O2发生反应生成了红棕色的 NO2气体 此外 该实验方案无法控制反应的停止 一旦铜片和稀硝酸 反应产生的 NO 过多 不但浪费药品 还会向空气中逸散 污染 环境 同时 反应片刻后 将试管上的胶塞取下 使空气进入试 3 图 2 2 2 管 观察发生的现象 这一实验操作过程中会有有毒的 NO NO2 气体逸出 污染环境 苏教版教科书中 对铜与稀硝酸反应实验是这样设计的 实验 1 如图所示 将铜 片置于试管的底部 通过分液 漏斗加入 2mL 的浓硝酸 用排 水集气法收集产生的气体 观 察实验现象 实验 2 在上述装置中 从 分液漏斗向试管内加 5mLH2O 稀释 HNO3 继续收集产生的气体 观察实验现象 这种实验方案将 Cu 与浓 稀硝酸反应实验进行一体化设计 通过连续实验操作 在同一实验装置中完成两个不同的实验 实验 1 是 Cu 与浓硝酸反应实验 不仅效果好 而且功能多 可 同时完成 NO2气体溶于水并与水反应生成无色的 NO 气体等性质 实验 而 实验 2 则是 Cu 与稀硝酸反应实验 该实验设计不仅 节约药品 节省时间 而且还可以用 Cu 与浓 HNO3反应生成的 NO2气体排尽反应装置中的空气 O2 为后面 Cu 与稀 HNO3的反 应创造了无氧的环境 以防 Cu 与稀 HNO3反应生成的 NO 气体与 O2反应 但是 通过实验证明 Cu 与稀 HNO3反应很长时间后也不能 看到试管内气体颜色由红棕色变为无色 主要原因是由于 NO 气 体的密度比 NO2气体的密度小 很难将试管内的 NO2气体向上排 出 因此 不足以证明 Cu 与加 H2O 稀释后的硝酸 稀硝酸 反 应生成了 NO 4 那么设计怎样的实验方案 才能证明铜与稀硝酸反应产生的 是 NO 气体呢 二 实验方案的设计二 实验方案的设计 化学实验方案设计应遵循的基本原则 科学性原则 实验原理 实验操作程序和方法 实验现象与 结论都正确 安全性原则 防止造成环境污染和人身伤害 可行性原则 现有的实验条件下能够得到满足 简约性原则 装置简单 操作方便 步骤少 药品省 时间 短 根据上述原则 设计铜与稀硝酸反应实验方案 首先要使反 应在无氧的环境中发生 以防止反应生成的 NO 与 O2 反应 待充 分观察到有无色气体生成后 再使空气进入 使得反应生成的 NO 与 O2 发生反应 以便于观察到气体由无色变成红棕色这一实 验现象的变化过程 同时还要注意考虑对 NO2 NO 的吸收处理 以防污染 因此 实验设计首要的 关键的问题是如何排除反应 发生装置中的空气 设想一 可以使用稀硝酸本身排除反应发生装置中的空气 让稀硝酸充满反应发生装置 但由于反应生成的 NO 气体又会排 出稀硝酸 则要给排出的稀硝酸设计出路 设想二 可以使用物理机械的方法将反应发生装置中的空气 抽出或挤出 设想三 可以使用 CO2 等不与 NO 反应且无色的气体将反应发 生装置中的空气排出来 5 长颈漏斗 接注射器 稀 HNO3 Cu 片 按照设想一设计的实验方案 方案 1 1 将分液漏斗活塞打开 从 U 型 管的长管口注入稀硝酸 一直注到分 液漏斗的活塞处为止 关闭活塞 此 时可看到有无色气体生成 如反应不 明显可稍加热 当产生的 NO 气体将 稀硝酸排入长管内 使铜丝与稀硝酸 脱离后反应会自动停止 在 U 型管的短管内可观察到无色的气体 溶液变蓝 2 将活塞慢慢打开 U 型管长管中的稀硝酸又回落到短管 内 分液漏斗中有红棕色的气体生成 方案 2 1 在试管中先加入铜片 再装满 稀 HNO3 用带有长颈漏斗和导管 带 有活塞或止水夹 的橡胶塞塞住试管 口 使 Cu 与稀 HNO3在隔绝空气的条 件下反应 可清晰的观察到有无色的 气体产生 溶液变蓝 2 待试管中产生适量的无色气体后 从导管口接一注射器 打开活塞或止水夹 慢慢地注入少量的空气 可观察到无色的气 体变成了红棕色 按照设想二设计的实验方案 1 在注射器的针筒内事先放入少量的 橡胶塞 稀硝酸 铜片 6 可上下移动的铜丝 稀硝酸 氢氧化钠溶液 铜片 反应前利用注射器的活塞排尽针筒内的空气 再慢慢地吸 入适量的稀 HNO3 用橡胶塞封住针筒 可观察到有无色气体产 生 溶液变蓝 2 拔去橡胶塞 向外拉动活塞吸入足量的空气 这时可观 察到无色的气体变成了红棕色 3 反应完成后 把注射器里的气体和液体全部压入足量的 氢氧化钠溶液中 按照设想三设计的实验方案 1 先向试管内加入一定量的碳酸钠或碳 酸钙固体 再向试管中加入过量的稀硝酸 并塞上带有铜丝和导气管的橡胶塞 2 待碳酸钠或碳酸钙固体反应完全后 将导气管插入到接近试管内稀硝酸液面处 有利于在收集 NO 的同时排除 CO2气体 再将铜丝插入到稀硝酸中 此时可看到铜与 稀硝酸反应产生无色气体 如反应不明显 可 稍加热 溶液变蓝 三 反思与评价三 反思与评价 通过实验我们发现 以上各实验方案均可观察到 Cu 与稀 HNO3反应产生无色气体 当空气进入后 无色气体变成红棕色的 实验现象 从而得出反应生成的气体为 NO 的结论 通过实际操作 得出部分实验方案设计的还不够完善 主要 表现在以下几个方面 1