浓、稀硝酸与铜反应的综合实验设计

摘要：将浓、稀硝酸与铜反应、氮氧化物的性质实验整合在一套密封装置中分别连续进行，观察浓、稀硝酸与铜反应的相对快慢与产物种类、氮氧化物相互转化和氮氧化物转化为硝酸的多个定性及定量实验，并用常用仪器搭建装置，实现了装置简单、操作易行、现象鲜明、定性定量、绿色环保的设计初衷。

关键词：硝酸与铜反应；氮氧化物；相互转化；定性定量；绿色环保

文章编号：1005C6629（2017）1C0061C04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 加强与改进硝酸及氮氧化物性质实验的必要性

硝酸是工业常见、常用的三大强酸之一，浓、稀硝酸与铜的反应，其产物二氧化氮、一氧化氮的性质及它们之间的转化，是中学化学的重要内容。但由于硝酸的腐蚀性及反应产生有毒气体，很多学校不做该实验，因此化学教学的特色没有突显，学生对硝酸氮氧化物的性质及相关实验的理解不深，实验技能得不到训练，教学质量受到影响，甚至使学生产生“化学就是腐蚀和污染”的错误认识而有恐惧感，把化学仅当成上大学的铺路石。

如何做到既能提高实验的开出率，又能保证安全不让学生受到伤害，还能丰富实验内容、整合基础知识、体现绿色化学、提高实验的效率和价值，一直是中学化学教学中重要的研究内容。现把笔者经过多年研究的浓、稀硝酸与铜反应的综合实验设计汇总如下。

2 实验设计思路

利用浓、稀硝酸与铜的反应，分析比较浓、稀硝酸氧化性的相对强弱及产物种类、氮氧化物之间的相互转化，利用氮氧化物与水反应产生硝酸的性质，把反应产生的氮氧化物不排放、定量控制、循环转化，最后转化成硝酸，从而实现既有多重实验多种物质的性质试验，又能体现实验原理、引发学生兴趣、增强绿色化学意识、锻炼实验能力。

3 仪器装置

仪器：150mL广口瓶、200mL烧杯、250mL分液漏斗、150mL注射器；橡皮塞、玻璃管、胶管夹、铁架台（附铁圈）和橡胶管等

装置：用上述仪器组装成如图1所示的硝酸及氮氧化物性质实验装置

4 反应原理

（1）浓硝酸与铜的反应：

Cu+4HNO3=Cu（NO3）2+2NO2+2H2O

（2）稀硝酸与铜的反应：

3Cu+8HNO3=3Cu（NO3）2+2NO+4H2O

（3）氮氧化物的性质及转化：

3NO2+H2O=2HNO3+NO，2NO+O2=2NO2

（4）利用反应自身产生的气体，把酸液由广口瓶自动转移到分液漏斗中，实现收集纯净气体的目的。

5 实验操作、现象和解释

实验1 浓硝酸与铜的反应

（2）一氧化氮与氧气的反应

6 实验结论

通过本实验可以得到以下结论：

6.1 关于硝酸与铜的反应

（1）浓硝酸与铜迅速反应生成红棕色的二氧化氮气体：Cu+4HNO3=Cu（NO3）2+2NO2+2H2O

（2）稀硝酸与铜反应生成无色的一氧化氮气体：3Cu+8HNO3=3Cu（NO3）2+2NO+4H2O

（3）浓硝酸与铜反应剧烈，而稀硝酸与铜反应则相对平缓。

（4）浓、稀硝酸与铜的反应都放热，但浓硝酸的反应放热剧烈并较多。

6.2 二氧化氮和一氧化氮的性质

（1）二氧化氮是红棕色气体，易与水反应生成硝酸和一氧化氮：3NO2+H2O=2HNO3+NO

（2）一氧化氮是无色气体，不溶于水，但能与氧气反应生成二氧化氮：2NO+O2=2NO2

（3）一氧化氮在与氧气以4：3体积比混合时，能与水完全化合生成硝酸：4NO +3O2+2H2O=4HNO3

7 实验特点

7.1 仪器常用，装置简单

本实验使用实验室中最简单的仪器（广口瓶、烧杯、分液漏斗和注射器等）和常见的组装形式，能适应各学校的实验条件，便于师生进行设计和实验。

7.2 操作简单，现象鲜明

实验全过程除使用注射器之外就是开、关活塞和胶管夹，由于该实验中的各反应都较快，气体颜色差别明显且转化迅速，并且酸液排出与回流较快，使该实验效率高且现象明显。

7.3 安全环保，易于推广

由于硝酸和气体都在密闭的仪器中，没有物质外泄，并且仪器、装置简单，无外加反应条件等，使该实验有很高的安全性、经济性、适用性和可操作性。

7.4 构思巧妙，立意高端

本实验整合了装置的气密性检查，浓、稀硝酸分别与铜的反应，浓、稀硝酸与铜反应的热量变化，二氧化氮和一氧化氮的水溶性实验，一氧化氮被氧气氧化，二氧化氮、混有氧气的一氧化氮分别与水反应的实验等等，多个定性和定量的验集于一个装置中，仪器、装置利用率和实验效率非常高。

本实验展现了不同浓度的硝酸跟铜的反应，反应的产物及现象变化快慢很容易进行对比；氮氧化物之间的转化，最后全部转化为硝酸，并且进行了定量分析和定量实验，实现了无物质、无“三废”排放，原子利用率百分之百，既安全环保，又模拟了工业生产硝酸的重要环节，充分体现了化学知识的价值，对学生的定量意识、定性与定量相结合的认识、环保意识和绿色化学思想的建立起到了很好的作用。

8 注意事项

8.1 保障实验安全顺利进行的措施

（1）为保证实验现象符合预期设计以及准确体现二氧化氮、一氧化氮气体在转化过程中的体积关系，需要把两个广口瓶中的空气全部排出，其方法和操作就是在甲瓶加注浓硝酸、乙瓶加注水以确保在塞好橡皮塞后瓶中基本没有气体。

（2）为保证在甲瓶中浓硝酸能够全部排出，可预先在瓶底部筑一层石蜡，留下一个供导管排液的小坑（如图1所示）。

（3）为了实验能按设计进行，确保实验安全，分液漏斗的容积一定要大于广口瓶的容积。

（4）一氧化氮与氧气的反应，一定要用纯净的氧气（事先收集于注射器中），不要用空气替代，否则不会出现一氧化氮在与氧气以4：3体积比混合时一氧化氮气体被完全吸收的现象。

（5）注射器的使用：

①为方便实验，针头在使用时要穿过橡皮塞，每次用完后不必拔出，但要伸入橡皮塞龋保持装置的气密性，并避免与浓硝酸接触被腐蚀。

②在不使用注射器时，其针头底座要用橡皮帽或橡皮塞密封，以确保广口瓶的密封状态。在使用时一定要注意分液漏斗的活塞是否关闭。

③可直接用大号兽用注射器，依据实验要求多次定量使用。也可用其充满氧气做气源，在实验时供给其他小注射器。

8.2 保障稀硝酸能较快与铜反应的措施

（1）所用浓硝酸的浓度要大（16 mol・L-1），这样由它所形成的稀硝酸的浓度会大于4 mol・L-1，并且由于浓硝酸与铜反应放热使而后的稀硝酸的温度较高，保障了稀硝酸能较快与铜反应。

（2）必要时在广口瓶乙和烧杯中使用温水（如40℃，水温不能太高，否则广口瓶甲中会出现水雾现象）。

（3）对寒冷地区，把广口瓶甲中的石蜡换用软化点高的聚乙烯蜡（软化点115℃），将广口瓶甲置于水槽中，在而后进行稀硝酸与铜的反应前注入热水。

8.3 充分利用稀硝酸与铜反应的空档

如果稀硝酸与铜反应较慢，可以在此时间段内让学生完成前面的实验报告，并提出三个承上启下的问题让学生思考。如：

问题1：依据浓硝酸与铜反应的现象，判断浓硝酸具有什么性质？这个实验还能反映出该反应的什么性质？

问题2：对比实验1中二氧化氮与一氧化氮的体积，写出相应的化学方程式。

问题3：如果充入氧气，把二氧化氮和一氧化氮分别全部转化为硝酸，请分别写出反应的化学方程式，分析气体的体积比。

9 结束语

综上所述，本实验的基本思想、实验原理和装置设计，对其他如氯气、硫酸、氨气等有强腐蚀性、会产生有毒或有剌激性气体的实验，都具有指导意义和参考价值。只要教师肯动脑，把握物质的性质和实验的特点，研究与改革实验，就必然会创作出更多更好的实验服务于教学。在整合学生的知识、开发学生的大脑、发展学生的实验技能的基础上，充分认识化学知识的作用和价值，进一步提升学生的科学观念和科学素养。

参考文献：

[1]叶永谦，张贤金，吴新建.铜与浓、稀硝酸连续反应演示实验的再改进[J].化学教学，2016，（7）：60～61.

[2]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.

[3]周祖华.硝酸性质实验的探究[J].化学教学，2012，（10）：58～59.