铜与硝酸反应的微型实验分析

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摘要：硝酸是氮的重要化合物，具有强氧化性，可以与铜发生反应，但硝酸浓度不同，其反应产物也不相同。为了弥补教材中实验存在的不足，可以设计铜与硝酸反应的微型实验。微型实验利用铜丝在密闭试管中的升降控制反应的发生与停止；利用大理石与稀硝酸反应产生二氧化碳排尽试管中的气体，排除氧气的干扰；利用氢氧化钠溶液进行尾气处理。实验的改进实现了实验一体化和微型化，操作简单，绿色无污染。

关键词：二氧化氮；铜；硝酸；微型实验；绿色化学

硝酸与铜反应实验来自人教版必修2第五章，硝酸是氮的一种重要化合物，并且具有很强的氧化性，当浓度不同时，与金属反应的产物也不同。教材中的方法是通过向硝酸中插入铜丝来观察实验现象，利用铜丝进行实验，可以随时控制反应的发生和停止，能有效降低实验的危险性，节约了药品，降低了实验成本［1］，但该方案同时也存在以下问题。（1）铜与硝酸的反应为放热反应，如果直接将导管插入氢氧化钠溶液中，反应结束后装置中的压强减小，会造成氢氧化钠溶液倒吸，影响实验继续进行。（2）反应一段时间后，浓硝酸变为稀硝酸，产生一氧化氮，而一氧化氮不溶于氢氧化钠溶液，会从氢氧化钠溶液中逸出，造成空气污染，危害师生健康。（3）因为具支试管中存在空气，一氧化氮会与空气迅速反应转化为红棕色的二氧化氮，所以，无法判断铜与稀硝酸反应的产物为一氧化氮［2］。为了解决教材中实验存在的问题，笔者设计了铜与硝酸反应的微型实验，不仅可以在同一装置中进行铜与浓硝酸、稀硝酸的反应，进行对比学习，还可以进行二氧化氮溶于水和一氧化氮氧化实验，实现了实验一体化，并且在实验过程中没有污染物的泄漏，实验结束后还进行尾气处理，充分践行了绿色化学理念。

1实验材料

具支试管、打孔胶塞、胶塞、导管、胶管、烧杯、干燥管、止水夹、铜丝、注射器、尼龙网兜、细线、甘油、浓硝酸、氢氧化钠溶液、蒸馏水、大理石。

2实验步骤

（1）剪一片尼龙网兜，把块状大理石包住，用细线悬挂于铜丝上。在打孔胶塞中插入下端卷成螺旋状的铜丝和固定有网兜的铜丝，按照图1所示组装装置。干燥管末端浸入氢氧化钠液面少许，防止倒吸。（2）打开K1，K2，拉动注射器活塞，如果干燥管内液面上升，则说明装置气密性良好。在试管中加入少量浓硝酸，将铜丝插入到浓硝酸当中，过一段时间后，用注射器抽取3mL气体，之后将铜丝提起，关闭K2。拔出注射器，抽取足量的水，插入胶塞中，观察实验现象。（3）用注射器吸取蒸馏水，打开K2，注射到试管中。把尼龙网包的大理石放到稀硝酸里发生反应，如图2所示。等整个装置变为无色后，将尼龙网提起，关闭K1，打开K2，把铜丝插进稀硝酸，发生化学反应。此时一氧化氮和二氧化碳同时排出，开始排出的气体用大气球收集，后续进行处理，如图3所示。（4）过一段时间后用注射器收集实验后阶段的气体，如图4所示。此时收集到的气体多为一氧化氮。提起铜丝，关闭K2，拔出注射器，之后吸入空气，插入胶塞中，观察实验现象。最后用氢氧化钠溶液进行尾气处理。（5）在支管口处插入装满空气的注射器，打开K1，K2，向试管中注入空气，用氢氧化钠溶液吸收装置内的剩余气体。

3实验现象及分析

（1）将螺旋状铜丝插入到浓硝酸当中后，立即产生红棕色气体，说明铜与浓硝酸反应会生成二氧化氮。Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O。（2）先抽取3mL二氧化氮，然后抽取足量的水，使其充分发生化学反应后，气体剩余约1mL，说明二氧化氮溶于水，生成硝酸和无色的一氧化氮。3NO2+H2O=NO+2HNO3。（3）大理石与稀硝酸反应生成二氧化碳，将装置内的二氧化氮挤压到氢氧化钠溶液中，装置变为无色。（4）注射器吸入空气后，注射器内颜色由无色迅速变为红棕色，证明注射器内原有气体为一氧化氮，说明铜与稀硝酸反应会产生无色的一氧化氮，而一氧化氮易被氧化为二氧化氮。3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O；2NO+O2=2NO2。

4注意事项

（1）在制作网兜时，要用线将其悬挂于铜丝上，不能使铜丝与硝酸接触，以免在产生二氧化碳的过程中有铜发生反应。（2）如果铜丝不好抽拉，则可以在铜丝上抹凡士林，插铜丝的孔略微大一些，在铜丝上抹上大量凡士林，既容易抽拉，又可以防止漏气。5改进意义（1）实现了铜与浓硝酸、稀硝酸反应及一氧化氮氧化、二氧化氮溶于水等实验的一体化，装置简单，操作方便，可以通过抽拉铜丝控制反应的进行。（2）用尼龙网兜包住大理石，插入稀硝酸中，反应产生的二氧化碳可以在实验时排尽装置中的空气，使铜和稀硝酸在无氧的环境中反应，能够更好地观察一氧化氮的颜色变化，排除其他因素的影响。（3）实验在密闭环境中进行，试剂微量，对实验产生的污染气体都进行了处理，不会对师生身体健康造成危害，培养了学生的环保意识。（4）在二氧化氮溶于水的过程中，通过注射器进行了定量实验，更好地培养了学生的定量意识。

参考文献

［1］徐嘉彬，李佳，王后雄.铜与硝酸反应实验改进文献综述［J］.教育与装备研究，2020（7）：35-39.

［2］伍文洪，胡志敏.铜与硝酸反应实验的改进［J］.实验教学与仪器，2020（10）：28-29.

作者：朱梦晗 张宇帆 薛桂凤 魏珍 尚锦辉 单位：河北北方学院 河北大学 宣化区第一中学