铜与稀硝酸反应及产物验证的绿色化设计

甘肃省武威市第一中学(733000) 刘会文

甘肃省武威市第六中学(733000) 金丽丽

在人教版化学必修一教科书 “硫酸、硝酸、氨”的内容中,设计了铜和浓硫酸反应的实验。教材中用“硝酸也能发生类似的反应”,将硝酸与金属反应一笔带过,基于产生的氮氧化物对环境污染的考虑,删除了原有铜和硝酸反应的演示实验。但该实验对学生理解硝酸的性质有很大帮助,而且能很好的考察学生设计实验和评价实验的能力,还能培养学生 “科学探究与创新意识”的学科素养。

在实际的教学中,不少教师在讲解铜和硝酸反应时,依然沿用旧教材上的装置进行实验演示,但旧教材的演示实验装置设计不符合绿色化学理念,存在反应难以控制和实验现象不明显等诸多问题。鉴于该实验中存在的缺陷,笔者在实际教学中做了大量的尝试以弥补原实验的不足。在借鉴他人创新成果的基础上,经过反复研究和多次改进,设计出了这套简单易行、安全省时、随用随停、现象明显,还可以反复使用的实验演示装置,有效地解决了上述问题,极大地方便了教师课堂演示。

1 实验设计要点

1.1 设计绿色化

药品用量少且循环利用；石灰水、NaOH 双重防污,将环境污染和对师生健康造成的负面影响降到最低限度。

1.2 改进科学化

标准装置,易于进行演示或分组实验,可规范化操作。

1.3 操作简单化

一次性连接好装置,控制止水夹实现多步实验,操作简单。

1.4 现象明显化

排尽空气防干扰,利用气压控制反应,便于观察,现象更明显。

2 实验原理

硝酸中氮元素为＋5价,因而具有强氧化性,能与不活泼金属铜反应。

当V(NO2)∶V(NO)≥1∶1时,尾气可全被NaOH溶液吸收；对于较纯的NO 可先补充适量的O2(空气)使之被全部氧化后再进行吸收。

3 实验仪器和试剂

实验药品：铜片、稀硝酸、碳酸钙、氢氧化钠、澄清石灰水。

实验仪器：具支试管、玻璃导管、T 型管、注射器、球形干燥管、铁架台、止水夹、气球、棉花、多孔塑料隔板。

4 实验步骤

(1)按如图1所示装置连接。

图1 实验装置图

(2)检查装置的气密性

关闭止水夹K1和K4,先观察针筒活塞位置,向外轻拉活塞,松开后活塞能恢复到原来位置,说明装置气密性良好。

(3)装药品及排空气

装好药品,插入导管,塞紧橡胶塞,打开止水夹K4,此时左边试管内碳酸钙和硝酸反应产生的二氧化碳可以排除装置内的空气,当观察到澄清石灰水变浑浊时,说明装置内空气已经排净。

(4)铜和稀硝酸反应及产物验证

关闭止水夹K3,利用硝酸和碳酸钙产生的二氧化碳将稀硝酸压入中间试管,左边试管液面下降,碳酸钙和硝酸分离,反应停止。右边试管内液面上升,稀硝酸与铜片接触发生反应,产生大量无色气泡,溶液慢慢变蓝。

待反应一段时间后,关闭止水夹K2,打开K1,慢慢将针筒内的空气推入试管中,可观察到试管内无色气体迅速变为红棕色,证明产生的无色气体为NO。

(5)尾气处理

关闭止水夹K4,打开K3,将针筒内剩余空气推入装置,使中间试管内稀硝酸迅速压入左边试管,铜和稀硝酸及时分离,停止产生一氧化氮。左边试管内液面上升,碳酸钙和硝酸重新反应产生大量二氧化碳,将装置中的氮氧化物吹出,被石灰水和蘸有氢氧化钠的棉花充分吸收。

(6)实验注意事项

①稀硝酸浓度不易过大,且左边试管中加入量不易过多,要保证硝酸流出时与碳酸钙分离,与中间试管中的铜片接触；②气球的作用是储存多余的气体,防止装置内气压过大造成危险；③由于利用压强差驱动液体流动,对装置的气密性要求较高。

5 实验效果评价

(1)利用二氧化碳排除装置内空气,可有效观察实验现象；

(2)利用简易启普发生器原理,使固、液及时分离,减少有害气体的生成；

(3)通过控制止水夹,实现了药品的重复利用,最后利用废液产生的CO2将装置内的有毒气体带出吸收,充分体现了绿色化学实验的理念；

(4)整个实验在密封体系中进行,装置简单,反应可控,现象明显,设计上充分考虑到实验的科学性、操作性,能有效培养学生严谨的科学态度和探究学习习惯；

(5)实验设计通过直观的现象让学生感受到气体流向、颜色、压强、浓度变化过程中反应本质的变化,加深对物质物理、化学性质的理解,体会元素、微粒之间的相互转化关系,有利于学生形成学习化学知识的思维模式,培养学生“变化观念与平衡思想”的核心素养。