铜与稀硝酸反应实验的改进

铜与稀硝酸反应实验的改进 2012年度北京市教育科学研究参评 (第一页) 类 别: E 编 号: 题 目:铜与稀硝酸反应演示实验的改进 内容提要: 铜与稀硝酸的反应实验装置的探讨及改进。从实验现象、药品用量、对环境的污染等方面评价现行的实验以及如何进行改进。 主 题 词:铜与稀硝酸反应 实验装置 探讨及改进。 1 铜与稀硝酸反应演示实验的改进 一、问题的提出 铜与稀硝酸的反应实验一直是中学化学演示实验和学生自主探究实验中比较难做的实验之一。 传统教科中铜与稀硝酸反应实 验是这样设计的:“在一支试管里放入 一小块铜片，再加入少量稀硝酸，立 刻用带导管的胶塞塞住试管口，并将 导管通入另一盛有NaOH溶液的试管 (如图)，观察发生的现象。反应片刻 后，将试管上的胶塞取下，使空气进入试管，观察发生的现象”。对该实验现象的描述为:“有气泡产生，气体无色，当空气进入试管后，气体变成红棕色”。从而得出反应生成的气体为NO的结论。 通过分析和实验我们不难发现:该实验设计方案装置简单、操作方便，但 “气体无色，当空气进入试管后，气体变成红棕色”这一实验现象很难观察得到，也就不能得出相应的实验结论，达不到实验目的。其原因在于:试管上部事先已有空气存在，即便有NO无色气体生成，也立即与O发生反应生成了红棕色的NO22气体。 此外，该实验方案无法控制反应的停止，一旦铜片和稀硝酸反应产生的NO过多，不但浪费药品，还会向空气中逸散，污染环境;同时，反应片刻后，将试管上的胶塞取下，使空气进入试管，观察发生的现象，这一实验操作过程中会有有毒的NO、NO气体2逸出，污染环境。 2 苏教版教科书中，对铜与稀硝酸反应实验是这样设计的: 实验1:如图所示，将铜片 置于试管的底部，通过分液漏 斗加入2mL的浓硝酸，用排水 集气法收集产生的气体，观察 实验现象。 图2-2-2 实验2:在上述装置中，从 分液漏斗向试管内加5mLHO稀释HNO，继续收集产生的气体，观23 察实验现象。 这种实验方案将Cu与浓、稀硝酸反应实验进行一体化设计，通过连续实验操作，在同一实验装置中完成两个不同的实验，[实验1]是Cu与浓硝酸反应实验，不仅效果好，而且功能多，可同时完成NO气体溶于水并与水反应生成无色的NO气体等性质实验。2 而[实验2]则是Cu与稀硝酸反应实验。该实验设计不仅节约药品、节省时间，而且还可以用Cu与浓HNO反应生成的NO气体排尽反32应装置中的空气(O)，为后面Cu与稀HNO的反应创造了无氧的23 环境，以防Cu与稀HNO反应生成的NO气体与O反应。 32 但是，通过实验证明，Cu与稀HNO反应很长时间后也不能看3 到试管内气体颜色由红棕色变为无色，主要原因是由于NO气体的密度比NO气体的密度小，很难将试管内的NO气体向上排出。因22 此，不足以证明Cu与加HO稀释后的硝酸(稀硝酸)反应生成了2 NO。 那么设计怎样的实验方案，才能证明铜与稀硝酸反应产生的是NO气体呢, 二、实验方案的设计 3 化学实验方案设计应遵循的基本原则: 科学性原则:实验原理、实验操作程序和方法、实验现象与结论都正确。 原则:防止造成环境污染和人身伤害。 安全性 可行性原则:现有的实验条件下能够得到满足。 简约性原则:装置简单、操作方便，步骤少、药品省、时间短。 根据上述原则，设计铜与稀硝酸反应实验方案，首先要使反应在无氧的环境中发生，以防止反应生成的NO与O2反应;待充分观察到有无色气体生成后，再使空气进入，使得反应生成的NO与O2发生反应，以便于观察到气体由无色变成红棕色这一实验现象的变化过程;同时还要注意考虑对NO2、NO的吸收处理，以防污染。因此，实验设计首要的、关键的问题是如何排除反应发生装置中的空气。 设想一:可以使用稀硝酸本身排除反应发生装置中的空气，让稀硝酸充满反应发生装置，但由于反应生成的NO气体又会排出稀硝酸，则要给排出的稀硝酸设计出路。 设想二:可以使用物理机械的方法将反应发生装置中的空气抽出或挤出。 设想三:可以使用CO2等不与NO反应且无色的气体将反应发生装置中的空气排出来。 按照设想一设计的实验方案 方案1: 4 1.将分液漏斗活塞打开，从U型管的长管口注入稀硝酸，一直注到分液漏斗的活塞处为止，关闭活塞。此时可看到有无色气体生成(如反应不明显可稍加热)。当产生的NO气体将稀硝酸排入长管内，使铜丝与稀硝酸脱离后反应会自动停止，在U型管的短管内可观察到无色的气体，溶液变蓝。 2(将活塞慢慢打开，U型管长管中的稀硝酸又回落到短管内，分液漏斗中有红棕色的气体生成。 长颈漏斗 方案2: —接注射器 1.在试管中先加入铜片，再装满 稀HNO 3稀HNO，用带有长颈漏斗和导管(带3 有活塞或止水夹)的橡胶塞塞住试管Cu片 口，使Cu与稀HNO在隔绝空气的条件3 下反应;可清晰的观察到有无色的气 体产生，溶液变蓝。 2(待试管中产生适量的无色气体后，从导管口接一注射器，打开活塞或止水夹，慢慢地注入少量的空气，可观察到无色的气体变成了红棕色。 按照设想二设计的实验方案: —橡胶塞 ,稀硝酸 1(在注射器的针筒内事先放入少量的,铜片 铜片，反应前利用注射器的活塞排尽针筒内 的空气;再慢慢地吸入适量的稀HNO，用橡3 胶塞封住针筒，可观察到有无色气体产生， 溶液变蓝。 2(拔去橡胶塞，向外拉动活塞吸入足 量的空气，这时可观察到无色的气体变成了红棕色。 5 3(反应完成后，把注射器里的气体和液体全部压入足量的氢氧化钠溶液中。 按照设想三设计的实验方案: 可1(先向试管内加入一定量的碳酸钠或碳上 下酸钙固体，再向试管中加入过量的稀硝酸，并移 动塞上带有铜丝和导气管的橡胶塞。 的 铜氢2(待碳酸钠或碳酸钙固体反应完全后，丝 氧 化将导气管插入到接近试管内稀硝酸液面处(有稀钠硝溶利于在收集NO的同时排除CO气体)，再将铜2酸 液 丝插入到稀硝酸中，此时可看到铜与稀硝酸反 应产生无色气体(如反应不明显，可稍加热)， 溶液变蓝。 三、反思与评价 通过实验我们发现，以上各实验方案均可观察到:Cu与稀HNO3反应产生无色气体;当空气进入后，无色气体变成红棕色的实验现象;从而得出反应生成的气体为NO的结论。 通过实际操作，得出部分实验方案设计的还不够完善，主要现在以下几个方面。 1(个别实验方案不能有效控制反应停止， 2(实验装置设计有的很简单，但有的比较复杂。3(以上实验方案设计都能使得反应在无氧、密闭条件下进行，不会污染环境，但个别实验方案对氮氧化物尾气的处理不方便。4(有些实验方案使用最小规格的常规仪器时，其试剂用量也会很大，要浪费掉很多的药品。 6