铜与浓、稀硝酸反应的系列实验改进 论文

铜与浓、稀硝酸反应的系列实验摘要：中学化学中，凡涉及有毒气体参与或生成的反应，在教学过程中，一般情况下教师不会进行演示实验或学生分组实验，造成学生谈“毒”色变，不利于学生通过实验事实对知识的获取。本系列实验改进为学生对含氮化合物的循环认识，提供了比较完整的实验事实依据，能够激发学生的探究兴趣，培养学生的创新精神与科学素养。关键词：铜，浓、稀硝酸，相互转化，实验改进一、问题的提出1．鲁科版的实验设计2019鲁科版新教材在必修第一册第3章《物质的性质与转化》第3节《氮的循环》中对于铜与浓、稀硝酸的的实验设计（如图1），分成两次进行实验，操作步骤复杂；铜与硝酸反应后，不能及时分离，反应过程无法控制；铜与硝酸反应生成的氮氧化物，虽然没有给出明确的尾气处理方案，但是提出了可以使用试管、注射器以及U形管处理尾气，为实验创新提供了思路。教材中还设计了一氧化氮与二氧化氮相互转化的反应（如图2），该实验设计理论上可行，也更加注重了环保意识，但是实际实验过程中，我们要先制备一氧化氮气体，因为空气中氧气存在，无色的一氧化氮气体会迅速转化成红棕色，干扰实验的判断。以上四个实验分次进行，虽然反应过程复杂，但是切实体现了“素养为本”的实验教学，让学生对含氮化合物的循环认识，提供实验事实依据。2．人教版的实验设计22019版人教版新教材的实验设计（如图3），虽然解决了反应可控的问题，但是在进行一氧化氮与二氧化氮相互转化的实验时，一氧化氮的制备也很难实现，铜与稀硝酸反应生成的一氧化氮用氢氧化钠溶液吸收效果不好，有毒气体会溢出，污染空气。3．苏教版的实验设计2019版苏教版新教材的实验设计（如图4），通过一个装置可以完成铜与浓、稀硝酸以及二氧化氮与水的反应，虽然操作步骤简单，但是反应过程也无法控制，试管内有空气存在，影响铜与稀硝酸反应产物的判断，实验结束后，在处理集气瓶内的尾气和拆除反应装置的过程中有尾气泄露，污染空气。二、实验改进过程基于以上实验设计的分析，提出大胆的假设：能否设计一套实验装置，可以尽量的赶出空气，一次性完成铜与浓、稀硝酸；以及一氧化氮与二氧化氮的相互转化反应，而且操作步骤简单、反应现象明显，绿色环保。1．实验改进一、铜与浓硝酸反应以及二氧化氮与一氧化氮之间的相互转化反应2/2图5该装置（如图5）由1个塑料三通阀，2支注射器组成，装置微型一体、操作简单、节约药品、全程密闭、安全环保、现象明显。可以完成铜与浓硝酸反应以及二氧化氮与一氧化氮之间的相互转化反应。实验过程：（1）检查装置的气密性。关闭三通阀的旋塞，分别拉开2、3号注射器的活塞，若注射器的活塞能够复原，证明气密性良好。（2）在装置2的2号注射器中装入铜片备用。实验1：二氧化氮的制备实验向装有铜片的2号注射器中吸入1mL浓硝酸，连接好装置，观察2号注射器内的实验现象（如图6）。将2号注射器中产生的红棕色气体转移到3号注射器中（图7），同时关闭3号旋塞。【实验现象】2号注射器中产生红棕色气体，溶液变成蓝绿色。【实验结论】铜与浓硝酸反应生成了硝酸铜和二氧化氮。2实验2：二氧化氮转化成一氧化氮的反应取下3号注射器，向其中吸入少量蒸馏水（如图8），重新连接好装置，振荡3号注射器，观察3号注射器中的现象（如图9）【实验现象】3号注射器中红棕色气体变成无色。【实验结论】二氧化氮与水反应生成了硝酸和一氧化氮。实验3：一氧化氮转化成二氧化氮的反应取下3号注射器，向其中吸入少量空气，重新连接好装置，观察3号注射器中的现象（如图10）。【实验现象】3号注射器中无色气体变成红棕色。【实验结论】一氧化氮与空气反应生成二氧化氮。（3）尾气处理分别取下2、3号注射器，吸入氢氧化钠溶液充分吸收尾气。2．实验改进二、铜与浓、稀硝酸反应以及二氧化氮与一氧化氮之间的相互转化反应4/2图11该装置（如图11）是由2个塑料三通阀，3支注射器组成，装置微型一体、操作简单、节约药品、全程密闭、安全环保、现象明显。可以同时完成铜与浓、稀硝酸反应以及二氧化氮与一氧化氮之间的相互转化反应。实验过程：（1）检查装置的气密性。关闭2个三通阀的旋塞，分别拉开1、2、3号注射器的活塞，若注射器的活塞能够复原，证明气密性良好。（2）取下1号注射器，向其中加入铜片备用2号注射器，向其中吸入2mL蒸馏水，赶出气泡，重新连接好装置。实验1：铜与浓硝酸反应向装有铜片的1号注射器中吸入1mL浓硝酸，连接好装置，观察1号注射器内的实验现象（如图12）。【实验现象】1号注射器中产生红棕色气体，溶液变成蓝绿色。【实验结论】铜与浓硝酸反应生成了硝酸铜和二氧化氮。实验2：二氧化氮与水的反应打开1、2号注射器相通的旋塞，将1号注射器中产生的红棕色气体通入到装有蒸馏水的2号注射器中，关闭通向2号注射器中的旋塞，观察2号注射器内的实验现象。同时打开1、3号注射器相通的旋塞，将1号注射器中剩余的废气和废液全部通入到3号注射器中，关闭通向3号注射器的旋塞。【实验现象】2号注射器中红棕色气体变成无色。【实验结论】二氧化氮与水反应生成了硝酸和一氧化氮。实验3：一氧化氮与氧气的反应关闭2号注射器的活塞，取下2号注射器，向其中吸入少量空气，观察2号注射器内气体颜色的变化（如图14），重新连接装置。【实验现象】2号注射器中无色气体变成了红棕色。【实验结论】一氧化氮与氧气反应生成了二氧化氮。2实验4：铜与稀硝酸反应先打开2、3号注射器相通的旋塞，将2号注射器中的无色气体全部通入到3号注射器储存，关闭3号注射器的旋塞；然后打开1、2号注射器相通的旋塞，将2号注射器中的稀硝酸全部通入到1号注射器中与未反应完的铜片发生反应，关闭通向2号注射器的旋塞，观察1号注射器中的现象（如图15）。【实验现象】1号注射器中铜片表面产生无色气泡，溶液逐渐变蓝。【实验结论】铜与稀硝酸反应生成了硝酸铜和一氧化氮。（3）尾气处理分别取下1、3号注射器，吸入氢氧化钠溶液充分吸收尾气。三、实验创新优点1．该装置可一次性完成铜与浓、稀硝酸，一氧化氮与二氧化氮的相互转化反应，实现了一套装置完成多种实验的目的。2．该装置可以控制反应的开始与结束。3．实验操作简单，教师可以走下实验台进行演示，实验现象明显。4．实验试剂消耗少，绿色环保。四、实验反思与评价改进后的装置，微型一体化，节约药品，操作简单，大大节约了课堂演示的时间。特别是该装置全程密闭，无污染，符合绿色化学的理念。并且该装置实验现象明显，让学生对含氮化合物的循环认识，提供了比较完整的实验事实依据，激发了学生探究的兴趣，培养了学生的创新精神和科学素养。参考文献［1］王磊．普通高中课程标准实验教科书：化