浅析铜与硝酸反应的实验探究与拓展

1、浅析铜与硝酸反应的实验探究与拓展长沙市第21中学 410007 邵国光一、问题探究探究1浓HNO3与Cu反应生成NO2，稀HNO3与Cu反应生成NO。浓、稀硝酸哪种氧化性强？甲认为稀HNO3的氧化性强，原因是浓HNO3和Cu反应产生NO2，氮元素的化合价降低1，而稀HNO3和Cu反应时产生NO，氮元素的化合价降低3，氮元素得电子数后者大于前者；乙认为浓HNO3的氧化性强，原因是从反应条件看，浓HNO3与Cu反应时速率快，稀HNO3与Cu反应的速率很慢，加热时才有明显反应。怎样确定哪种解释正确?分析：根据反应：Cu + 4HNO3（浓）= Cu(NO3)2 + 2 NO2+ 2H2O，3Cu+8

2、HNO3（稀）=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O可推测浓HNO3与NO不能共存，因为反应产物是NO2，而稀HNO3和NO能共存。因此只要设计一个实验可证明浓HNO3能氧化NO，稀HNO3不能氧化NO，就能说明浓HNO3的氧化性比稀HNO3强。方案如下：用排水法收集两试管NO气体，用胶塞塞好，然后用注射器向一支试管中注入一定量的浓HNO3，另一支试管里注入一定量的稀HNO3，看哪种酸能将NO氧化成红棕色的NO2。能将NO氧化成红棕色NO2的酸氧化性强。化学方程式为：2HNO3+NO=3NO2+H2O探究2铜和浓硝酸反应生成红棕色NO2气体，铜和稀硝酸反应生成无色的NO气体，这是新人教版普通高

3、中课程标准实验教科书化学必修1第102面的提法。在学生做这两个实验时，发现了两个有趣现象：（1）铜和稀硝酸反应应生成无色的NO气体，但NO的生成实验，现象不太明显，气体颜色还是红棕色，对照性不强。（2）分别将等质量的铜片与等体积均过量的浓硝酸、稀硝酸反应,所得到的溶液前者呈绿色,后者呈蓝色。在此可设计两个极好的探究题材给学生讨论：（一）、为什么铜和稀硝酸反应看不到无色的NO气体？怎样改进实验才能看到？（二）、为什么铜和浓HNO3反应所得到的溶液呈绿色？提议要学生猜想，并为每个猜想进行实验探究。分析：（一）可提出如下问题让学生思考：是什么原因引起现象不明显呢？（NO遇O2立即变色。装置中存在空气

4、，造成干扰。）怎样解决？（清除装置系统中的空气。常见的清除空气的方法有两种：用“惰性”气体驱赶；用液体驱赶。）设计方案：经学生分组讨论，各组均设计了一套方案，其中较好的方案有如图1和图2所示。操作和现象：方案一（如图1）先将Cu丝上提，打开漏斗活塞，往烧瓶中加入稀HNO3至液体占烧瓶容积的一半左右。待（II）中澄清石灰水变浑浊，把Cu丝插入稀HNO3中。观察到Cu丝上产生无色气泡，溶液变蓝，（I）中气体无色，过一会儿，（II）中a管出口处有明显的红棕色气体。 图1 图2方案二（如图2），先按图装好U形管左边的带Cu丝的漏斗，打开b、c，从U形管右口注入稀HNO3到与活塞b处平齐，关闭b。右口塞

5、上带导管的胶塞，并在U型管左边微热，一段时间后，Cu丝与液面分离。再轻启活塞b，观察。在此过程中，Cu丝上会产生大量无色气泡，气体将液面压下，某时刻后Cu丝与液面分离，右端液体被压入烧杯中，左端可观察到无色气体。轻启活塞b，在漏斗中可看到明显的红棕色现象。实验结论：Cu与稀HNO3反应产生无色NO，NO不溶于水，也不和碱反应。对（二）可启发学生猜想，然后进行实验探究。猜想一、可能是Cu2+的浓度不同造成的。分组实验与现象：组m（Cu）/g硝酸（过量）现象A1浓HNO3(4mL)溶液为绿色,试管内有红棕色气体1稀HNO3(4mL)溶液为蓝色,试管口有红棕色气体B0.5浓HNO3(4mL)溶液为绿

6、色,试管内有红棕色气体1稀HNO3(4mL)溶液为蓝色,试管口有红棕色气体C2浓HNO3(4mL)溶液为绿色,试管内有红棕色气体1稀HNO3(4mL)溶液为蓝色,试管口有红棕色气体在上面的三组实验中提供的硝酸的体积均一样，仅仅是铜的质量不相同。A组中，铜的质量相同，即反应后溶液中Cu2+的浓度相同，而浓硝酸反应后溶液为绿色，稀硝酸为蓝色；B组中，与浓硝酸反应的铜的质量要小一些，即反应后Cu2+浓度低一些，然而溶液仍然为绿色；C组中Cu2+的浓度大，溶液仍然是绿色。可见，Cu(NO3)2溶液为绿色不是由Cu2+浓度引起的。猜想二、可能是硝酸铜溶于浓硝酸引起的。将Cu(NO3)2晶体溶于浓硝酸，溶

7、液仍然为蓝色。可见此假设不成立猜想三、可能是温度不同引起的方案1：将绿色的Cu(NO3)2溶液加热。溶液仍然为绿色，且在试管中产生大量的红棕色气体。原因是在加热的时候，浓硝酸不断的分解，致使NO2源源不断的生成，因此不可能将NO2和Cu(NO3)2分开，因此溶液仍为绿色。方案2：将正在反应的试管壁不断地用流水冲，溶液颜色为蓝色。这个改变的核心因素是降低温度。因为Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO2+2H2O的反应是放热反应，降温反应速度减慢，产生的NO2减少；而2NO2=N2O4（正反应为放热反应），因此降温平衡向右移动，生成无色的N2O4，NO2的量逐渐减少，故溶液很快变成蓝色

8、。猜想四、可能是NO2溶于Cu(NO3)2溶液形成的。方案1：将Cu和浓硝酸反应后的溶液迅速倒入干燥的烧杯中，再转移到另一个干燥的烧杯中，溶液迅速变蓝。方案2：在Cu和浓硝酸反应后的试管口上塞一团沾有NaOH溶液的棉花，放置半天后，溶液为蓝色。其原因是随着时间的推移，反应后的溶液温度降低，NO2慢慢从溶液中逸出被棉花中的NaOH吸收，溶液的颜色仅仅由Cu(NO3)2呈现出来。由此可见，Cu(NO3)2溶液的绿色是由蓝色的Cu(NO3)2溶液和黄色的HNO3溶液（溶有NO2）的两者混合而成的。二、原型拓展1方案评价型例1某化学课外兴趣小组在做铜与浓硝酸、稀硝酸反应实验时发现：“相同质量的铜分别与

9、等体积且足量的浓硝酸、稀硝酸充分反应后，前者溶液颜色是绿色的，后者溶液的颜色是蓝色的。”一种观点认为：这可能是Cu2+浓度差异的结果，你同意这种看法吗？（填“同意”或“不同意”）_,原因是_。另一种观点认为：溶液呈绿色是铜与浓硝酸反应时产生的NO2溶于过量浓硝酸显黄色，加上和蓝色的硝酸铜溶液混在一起，使溶液呈绿色。为了验证推断是否正确，甲、乙、丙三位同学分别设计了三种方案进行验证： 甲同学方案：将盛绿色溶液的试管加热，看是否有红棕色气体产生。你认为甲同学的方案是否妥当？为什么？_。 乙同学方案：用双氧水和二氧化锰制得氧气，并把氧气通入绿色溶液中，观察其溶液是否变蓝色。请用方

10、程式表示其中的反应原理_ 丙同学方案：在通风橱内，将一根下端弯成螺旋状且可抽动的铜丝插在盛有足量浓硝酸的试管甲中，立即可观察到试管中充满红棕色的NO2气体。将气体经导管通入到倾斜的另一支盛有淡蓝色Cu(NO3)2试管乙中，随着实验进行，试管乙中的溶液蓝色加深，很快又变成绿色，继续通入NO2，绿色保持不变，向上抽起铜丝，使反应停止。 写出铜与浓硝酸反应的离子方程式_ 从环保的角度看，你认为三个方案中最好的是哪一个_，其原因是_。 解析：（1）因“足量的浓硝酸、稀硝酸且体积相同，与相同质量的铜反应”，所以C(Cu2+)相同，此观点不正确。（2）加热的目的是赶

11、出溶液中的NO2气体，但是忘记了4HNO3=2H2O+4NO2+O2，所以甲同学的方案不妥当。乙同学方案妥当。既然硝酸铜溶液的“绿色”是溶解了NO2的缘故，氧气通入，4NO2+O2+2H2O=4HNO3，“绿色”应变为蓝色。此即“对症下药”验证法。丙同学方案也可以，此即反向验证法。 答案：（1）不同意。因为铜片质量相同，溶液体积相同，生成的铜离子浓度相同。 （2）不妥当，硝酸是过量的，即使溶液里没有二氧化氮，加热过程中因为硝酸的分解也会产生二氧化氮，应当通过观察其溶液是否变蓝色来加以验证。4NO2+O2+2H2O=4HNO3.Cu+4H+2NO3-=Cu2+2NO2+2H2

12、0.乙，因为乙方案中没有有毒气体产生。 2装置改进型例2下图甲是课本中验证铜和浓硝酸反应的装置，乙、丙是师生对演示实验改进后的装置： b可上下移动的Cu丝可上下移动的Cu丝浓硝酸aNaOH溶液NaOH溶液Cu片浓硝酸浓硝酸 水 丙甲乙（1）甲、乙、丙三个装置中共同发生的化学反应方程式是 。（2）和甲装置相比，乙装置的优点是 。（3）为了进一步验证NO2和水的反应，某学生设计了丙装置。先关闭弹簧夹 ，再打开弹簧夹 ，才能使NO2气体充满试管。（4）当气体充满试管后，将铜丝提起与溶液脱离，欲使烧杯中的水进入试管应如何操作 。（5）当试管中的NO2和水充分反应，所得溶液物质的量浓度的最大值

13、是 （气体按标准状况计算）。解析：（1）由图中试剂可知：甲、乙、丙三个装置中共同发生的化学反应方程式是Cu + 4HNO3（浓）= Cu(NO3)2 + 2 NO2+ 2H2O。（2）乙装置中的铜丝可上下移动，将铜丝提起与溶液脱离，反应停止，将铜丝插入溶液，反应发生。可以控制反应。用NaOH吸收NO2，防止污染环境。（3）要使NO2气体充满试管，必须排净空气，先关闭弹簧夹c，再打开弹簧夹a、b。（4）欲使烧杯中的水进入试管，必须使试管产生负压，其操作是：先关闭b，再关闭a，然后打开c，用手捂住（热水、热毛巾、加热）试管。（5）根据反应：3NO2+H2O=2HNO3+NO，可设NO2为3mol，

14、则生成HNO3为2mol，NO为1mol。此时溶液的体积为减少的气体体积，即：（3-1）molx22.4 L·mol-1=44.8L,c(HNO3)=n(HNO3)/V(溶液)=2mol/44.8L=1/22.4 mol·L-1。答案：（1）Cu + 4HNO3（浓）= Cu(NO3)2 + 2 NO2+ 2H2O。（2）可以控制反应。吸收NO2气体，防止污染环境。（3）关闭c；打开a、b。（4）先关闭b，再关闭a，然后打开c，用手捂住（热水、热毛巾、加热）试管。（5）1/22.4 mol·L-1或0.045 mol·L-13材料分析型例3以下素材是某课

15、外实验小组的实验记录，请根据实验记录回答有关问题。实验内容：铜与硝酸反应有关问题的探讨。实验器材：电线细铜丝，1molL-1HNO3，14molL-1HNO3，碱石灰，Cu(NO3)2晶体，玻璃丝，酒精灯，试管，夹持器械，火柴。实验记录如下。步骤实验操作现象记录1将1g细铜丝放入盛有10mL1molL-1 HNO3的试管中加热铜丝表面有无色气体逸出，溶液变成天蓝色2将1g细铜丝放入盛有10mL的14molL-1HNO3的试管中产生大量红棕色气体，溶液变为绿色，绿色由深到浅，未见到蓝色。3将硝酸铜晶体配成饱和溶液深蓝色溶液4向饱和的硝酸铜溶液中不断滴加14molL-1HNO3溶液仍呈深蓝色已知：

16、Cu2可以和NH3形成类似Ag(NH3)2的复杂离子Cu(NH3)42，NH3分子也可以换成其他分子或离子。请回答： 稀硝酸与铜丝反应后，所得溶液呈天蓝色的化学粒子符号是 (写化学式)。 使饱和硝酸铜溶液呈深蓝色的化学粒子符号可能是 。有资料上介绍浓硝酸与铜丝反应后所得溶液颜色显蓝色，实验中得到却是绿色溶液，试写出显绿色的可能原因 ，设计两种不同的简单的实验方法证明你的解释： 方案 ；方案 。解析：(1)根据实验记录和已知信息可知：稀硝酸与铜丝反应后，所得溶液呈天蓝色的化学粒子符号是Cu(H2O)42+；（2）与（1）对比：饱和硝酸铜溶液中c（(NO3 ）大，根据已知信息推测：使饱和硝酸铜溶液

17、呈深蓝色的化学粒子符号可能是Cu(H2O)4x(NO3)x(2x)(1<x<4)；（3）由实验记录：浓硝酸与铜丝反应产生大量红棕色气体，溶液变为绿色，绿色由深到浅，未见到蓝色。由此可见，Cu(NO3)2溶液的绿色是由蓝色的Cu(NO3)2溶液和黄色的HNO3溶液（溶有NO2）的两者混合而成的。验证方案：向饱和的硝酸铜蓝色溶液中通入大量的NO2气体，观察其溶液是否变绿色；将溶液中溶有的NO2除去，用水稀释或把氧气通入绿色溶液中，观察其溶液是否变蓝色。答案如下： Cu(H2O)42+ Cu(H2O)4x(NO3)x(2x)(1<x<4) 可能是还原产物NO2溶入其中引起的。

18、方案向饱和的硝酸铜溶液中通入大量的NO2气体；方案用水稀释； 方案并把氧气通入绿色溶液中，观察其溶液是否变蓝色。 4实验设计型例4为了证明铜与稀硝酸反应产生一氧化氮，某校学生实验小组设计了一个实验，其装置如下图所示（加热装置和固定装置均已略去）B为一个用金属丝固定的干燥管，内装块状碳酸钙固体；E为 一个空的蒸馏烧瓶；F是用于鼓入空气的双连打气球。（1）实验时，先将B装置下移，使碳酸钙与稀硝酸接触产生气体当C处产生白色沉淀时，立刻将B装置上提，使之与稀硝酸分离该组学生设计此步操作的目的为_ _。（2）将A中铜丝放入稀硝酸中，给装置A微微加热，在装置A中产生无色气体，其反应的化学方程式为： 。用F

19、向E中鼓入空气后，装置E中开始时出现浅红棕色气体，可观察到烧瓶E内气体颜色逐渐加深。产生上述现象的原因是 。一段时间后，C中白色沉淀溶解，其原因是 。（3）装置D的作用是_ 。解析：（1）为了证明铜与稀HNO3反应产生NO，所以应将装置中的空气排净，防止NO被氧化为NO2。（2）由于CO2密度比空气大，所以E中空气并没有完全排净，致使部分NO与剩余空气中的O2反应，生成少量NO2，显浅红棕色，当F向E中鼓入空气后，会生成更多的NO2，使红棕色加深。E中鼓入空气时，E中生成的NO2会溶于C中生成HNO3，使CaCO3溶解。（3）D装置是为了吸收NO、NO2，防止污染大气。答案（1）用碳酸钙和稀硝

20、酸反应产生的CO2赶走装置内的空气（2）3Cu+8HNO3（稀）=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O 由于CO2密度比空气大，从长管进入E后,并没有完全排净空气, 致使部分NO与空气中的O2反应，生成少量NO2，显浅红棕色，当F鼓入空气时，E中会生成更多的NO2，使红棕色加深。 NO2溶于水生成HNO3，HNO3与CaCO3沉淀反应使沉淀溶解。（3）吸收NO、NO2，防止污染大气。5实验验证型例5 选择使用下列仪器(含药品),验证由Cu与适量浓HNO3反应产生的气体中含有NO(N2和O2的用量可自由控制).已知NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O;气体液化温度:NO2:210C;NO:

21、-1520C. (1) 现有甲、乙、丙三位同学分别设计了以下三个实验方案(用仪器的连接顺序表示):甲:ACFDB 乙:ABCE丙:AFDB 甲、乙、丙三位同学提出的实验方案是否能验证Cu与适量浓HNO3反应的气体中含有NO(填”能”或”不能”)甲_;乙_;丙_.具体说明不能验证的主要原因(若三个实验方案都能验证,则此小题不用回答)甲方案_乙方案_丙方案_(2) 反应前应先通入足量N2,其目的是_(3) 确认气体中含有NO的现象是_(4) 如果O2过量,则装置B中发生反应的离子方程式是_.解析：本题是一道综合性很强的实验题,要证明铜跟适量浓硝酸反应时,生成的NO2中含有少量的NO,首先要确定检验

22、NO存在的方法,由图可知是利用NO与O2反应气体由无色变为红棕色这实验现象确定;其次要在检验NO之前要将NO2和NO分离,由题意可知,NO2在210C时就会液化而除去.因为NO2可以跟H2O反应生成NO和HNO3,所以从A装置出来的气体应先进行干燥再进行其它实验.NO和NO2均污染环境,故要进行尾气处理,最后必须用NaOH溶液吸收.综合上述:仪器连接顺序应为ACFDB,故甲方案能验证NO;乙方案:ABCE中的AB:发生反应 NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O,不能验证NO;丙方案:AFDB中的AF:未除去H2O(g),就冷却, 因为NO2可以跟H2O反应生成HNO3和NO, 故不能验证

23、铜跟适量浓硝酸反应时,生成的NO2中含有少量的NO.本题答案为:(1)甲:能 乙:不能,乙方案:ABCE中的AB:发生反应 NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O,不能验证NO 丙:不能, 丙方案:AFDB中的AF:未除去H2O(g),就冷却, 因为NO2可以跟H2O反应生成HNO3和NO, 故不能验证铜跟适量浓硝酸反应时,生成的NO2中含有少量的NO. (2)排尽装置中的空气,防止NO被氧化 (3)D中通入O2,有红棕色气体生成. (4) 4NO2+O2+4OH-=4NO3-+2H2O6综合型例6下图中,a是250mL的烧瓶其中盛有标准状况下的空气(O2-1硝酸10mL;b是未充气且放有

24、0.384gCu粉的气球;c是夹紧的弹簧夹;d是盛有足量Na2O2的干燥管;e是充有CO2的注射器,整套装置不漏气. (1)将气球b中的Cu粉小心倒入烧瓶中,要使Cu粉发生反应,是否一定需要对反应混合物进行加热_(填是或否),发生反应的化学方程式为_;充分反应后Cu粉有剩余,在反应过程中可观察到的现象是_,_,_,_;3溶液(少量)(3)将烧瓶不断振荡,发现气球逐渐变小,直至被吸入烧瓶内,发生这一现象的原因是(用化学方程式表示)_.(4)打开弹簧夹将CO2推入干燥管内继续振荡,使气体与气体,气体与液体间充分接触,可使剩余铜粉完全溶解,上述整个过程用一个总化学方程式表示则为_,在此过程中,至少需要CO2_mL(标准状况)。解析：（1）Cu粉和稀硝酸在常温下能发生反应,因此不一定需要对反应混合物进行加热,发生反应的化学方程式为3Cu+8HNO3（稀）=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O。在反应过程中可观察到的现象是铜粉减少，有气泡产生；溶液变蓝色；气体颜色由无色变为红棕色；气球