时间：2022-08-24 06:05:12
一、教材中实验的呈现及弊端
苏教版新教材《化学1》专题四第二单元 “观察与思考”栏目，设计了两个铜与硝酸反应的实验，实验的目的是想让学生通过这两个课堂演示实验的观察，了解和认识硝酸的性质。具体实验过程如下：
【实验1】如图1（原教材中的图4-15）所示，将铜片置于具支试管的底部，通过分液漏斗加入2mL浓硝酸，将产生的气体通入倒置于水槽里充满水的集气瓶中，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入5mL水，继续收集气体，观察实验现象。
教材中【实验1】通过铜与浓硝酸的反应，让学生观察NO2气体的颜色，以及NO2与水反应。【实验2】通过加入水稀释浓硝酸，让学生观察铜与稀硝酸的反应，以及NO气体的颜色。虽然新教材的这两个实验在老教材基础上做了不少改进，但是还存在着如下弊端：
（1）教材中铜与浓、稀硝酸反应在试管中进行，实验开始前，没有办法完全排净试管内的空气，在整个实验过程中始终有O2的干扰。另外气体的收集采用排水集气法收集NO，实验过程中没有说服力。因为收集到的无色NO可能是由NO2与水反应而得的。
（2）利用教材装置无法验证NO与O2的反应。如果要验证的话，就要把集气瓶移出水面，取下盖玻片，让O2进入集气瓶，那样的话，会造成NO、NO2有毒气体的逸出，污染环境。
基于以上原因，有必要对实验装置做一定的改进。
二、实验改进设想及意图
基于O2对验证实验的影响，利用注射器，排出空气，排除O2的干扰。利用注射器抽取浓硝酸与预先放入注射器的薄铜片反应，利用止水夹和塑料管来封闭装置，使之成为一个密闭体系。这样，产生的NO2气体就会收集在注射器中，可以清晰地观察铜与浓硝酸反应的现象，以及NO2气体的颜色。然后将反应液排出注射器，注射器中收集到NO2气体。第三步设想利用注射器吸取一定体积的蒸馏水，在注射器中实现NO2与水的反应。由于NO2与水反应，造成气体体积缩小，注射器活塞将会往回收缩。反应产生的硝酸将会与剩余的铜片反应，实现铜与稀硝酸的反应。等反应一段时间后，排出反应液，注射器中只有NO气体，这时再利用注射器吸取少量空气进入注射器，将会看到NO与O2反应生成红棕色的NO2气体。
通过这样的改进，不仅可以排除O2对验证实验的干扰，使实验更加简单，现象观察更明显，而且在整个实验中产生的气体都收集在注射器封闭体系中，排除了NO、NO2有毒气体对环境的污染，绿色环保，更符合现代化学实验设计的理念。
三、改进实验的仪器和药品
实验仪器：20mL注射器（1个）、10mL小烧杯（4个）、止水夹（1个）、连接注射器的塑胶管（1根，长度约5cm）。
实验药品：铜片、浓硝酸、蒸馏水。
四、实验装置图
1. 实验装置图，如图2。
2. 实验过程图（如图3）。
五、实验步骤及现象
1. 在第1个10mL小烧杯中倒入5mL浓硝酸，在第2个小烧杯中加入8 mL蒸馏水，在第3个小烧杯中加入8 mL热水（加入热水是为了加快NO2与水的反应速率），在第4个小烧杯中倒入8mL蒸馏水。
2. 注射器中放入2片铜片，将注射器推到底部，排尽空气。将塑胶管连接到注射器上，放置好止水夹。
3. 将塑胶管伸入浓硝酸中，拉动注射器，缓缓地抽入1mL浓硝酸（浓硝酸体积不宜过多，否则反应会过于剧烈，不易控制），迅速用止水夹夹住塑胶管，封闭注射器。可以观察到铜与浓硝酸迅速反应，产生大量红棕色的NO2气体，注射器活塞会向外推，溶液颜色变成绿色。
4. 当收集到15mL左右NO2气体时，将注射器下端塑胶管放入盛有蒸馏水的第二个小烧杯中，打开止水夹，排出反应液后，迅速关闭止水夹。小烧杯中出现蓝色的硝酸铜溶液，注射器中有大量红棕色的NO2气体。
5. 将注射器下端塑胶管放入盛有热水的第三个小烧杯中，打开止水夹，吸取2mL热水，迅速关闭止水夹，倒置注射器。我们可以发现注射器中红棕色NO2气体颜色逐渐变浅，注射器活塞向底部收缩，气体体积减少。同时可以发现注射器中铜片表面出现大量气泡。说明NO2与水反应产生的稀硝酸与铜片继续反应。
6. 一段时间后，注射器中充有大量的无色气体。将注射器下端塑胶管放入盛有蒸馏水的第四个小烧杯中，打开止水夹，排出反应液后，迅速关闭止水夹。小烧杯中有蓝色的硝酸铜溶液，注射器中有无色的NO气体。
7. 打开止水夹，向外拉动注射器活塞，吸入空气，关闭止水夹。发现注射器中出现大量红棕色的气体，说明NO与O2反应生成了红棕色的NO2气体。
8. 将实验后的气体用浓氢氧化钠溶液吸收，防止污染性气体的排放。
六、实验涉及的化学方程式及结论
铜与浓硝酸反应生成红棕色的NO2气体：Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO+2H2O
红棕色的NO2溶于水后气体体积减少：
3NO2+H2O =2HNO3 +NO
铜与生成的稀硝酸反应产生无色的NO气体：3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+2NO+4H2O
吸入氧气后无色的NO气体变成了红棕色的NO2气体：2NO+O2=2NO2
尾气处理时用浓NaOH 溶液吸收：
2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O
七、改进后实验装置的优点
改进的实验装置有如下的优点：
（1） 实验操作简单，实验现象明显。实验过程的操作只是注射器活塞的推拉和止水夹的开关，而实验现象却如刚才我们观察到的非常明显。
（2）实验装置微型化，实验设计绿色化。实验中用到的仪器（如10mL小烧杯）来自微型实验，实验药品的用量很少，符合微型实验要求。实验的设计以及实施，均考虑到了气体污染问题，在注射器封闭体系中操作，避免了污染性气体的排放，最后的尾气用浓氢氧化钠溶液吸收，实验过程中没有向空气中排放任何有毒气体。实验的设计和实施符合绿色化学理念。
（3）改进实验的设计具有很高的趣味性。使用这套装置能够完成铜与浓硝酸、铜与稀硝酸、NO2与水、NO与氧气等一系列反应，气体颜色的变化、气体体积的变化、注射器中反应液颜色等实验现象非常鲜明，为学生理解其所代表的化学原理的学习起到了积极的作用。
另外，装置设计本身对学生的创新思维能力的训练和创新意识的培育也是一种良好的熏陶，能有效地提高学生的化学科学素养。