简析硝酸在注射器中进行铜和硝酸反应实验

摘要：以注射器作为铜和硝酸反应的主要反应容器，对教材上的铜和硝酸反应的实验装置作了改进，提出了环保设计方案；分析了实验中的注意事项，验证了NO2的水溶性，实现了在无氧条件下制备NO并验证了NO的性质；实验改进后，现象更直观、明显，且安全可靠、符合环保理念。
关键词：铜與硝酸反应；实验装置改进；注射器；化学实验教学
文章编号：1005-6629（2013）7-0041-02
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铜與硝酸反应的演示实验是高一化学必做的实验。但是苏教版必修1第100页专题四的演示实验在实际操作中存在几点不足：一是不能随时控制反应的进行；二是NO2的水溶性现象不明显；三是验证NO與O2反应时产生的NO2会从集气瓶口逸散至空气中，造成环境污染；四是稀硝酸與铜反应产生的NO尾气不易处理，拆卸装置时易造成有毒气体泄漏，造成环境污染。“铜和浓、稀硝酸反应实验的绿色化设计”一文中使用了25mL的移液管，实验虽然达到了绿色环保的目的，但是试剂使用不够节约。
通过探究，我们对此实验进行了改进，以注射器为反应容器，通过巧妙的设计，使铜和硝酸反应的实验操作变得更简单，现象同样明显，同时也验证了NO2的水溶性和NO與氧气的反应。实验设计巧妙发挥了注射器在化学实验中的作用，同时也体现了化学实验的节约药品與环保的设计理念。
实验改进操作介绍如下：
1 仪器及药品
仪器：试管、单孔塞、30mL注射器、静脉输液针管（去掉针头，保留细管，见图1照片）、铁架台、烧杯、止水夹、一端打结的静脉输液针管。
药品：浓硝酸、铜片、NaOH溶液。
2 装置图
3 操作步骤

3.1铜與浓硝酸反应

（1）取一只250mL烧杯，加入约250mL水（如果烧杯中加水少了，不方便NO2气体溶于水的实验操作）；再取一只100mL烧杯，加入适量NaOH溶液。
（2）取一支试管，加入2mL浓硝酸，塞上带静脉输液针管的单孔塞，静脉输液针管上口处夹一止水夹。（静脉输液针管长度以接近试管底部为宜，保证没入液面以下以便顺利吸出液体）
（3）取一30mL注射器，拔出注射器芯杆，加入1块铜片（约1cm2大小或1角硬币大小），使其平放在注射器底部，推进芯杆至底部。
（4）将注射器與静脉输液针管竖直紧密连接，打开止水夹，慢慢拉动注射器芯杆，吸入少量浓硝酸（最好不要超过1mL，注射器上有刻度显示），关闭止水夹，控制芯杆的移动。这时可以看到注射器中铜片和浓硝酸立即反应，产生大量红棕色气体，芯杆向上移动，同时生成绿色溶液。当收集15mL左右的气体时，一手控制芯杆的移动，另一手慢慢松开止水夹，待注射器中液体全部流出注射器针口时关闭止水夹，反应停止。（见图1，竖直连接的目的是保证液体的顺利吸入或排出，防止气体泄漏，下同。）
（5）待芯杆不再上移时，拔出注射器，立即用一端打结的静脉输液针管堵住注射器针口，防止NO2气体外泄。
（6）保持芯杆固定，让学生观察注射器内气体颜色。

3.2NO2的水溶性以及NO與O2的反应

（1）将收集有NO2气体的注射器竖直伸入盛有蒸馏水的烧杯中至液面下1～2cm处。
（2）慢慢拉动芯杆，吸入少量水（此时一定要用手固定好芯杆），可以看到水柱上升至注射器内，溶液体积约是气体体积的2/3，红棕色气体变为无色。（见图2，若注射器内还有少量红棕色气体，可用一端打结的静脉输液针管堵住注射器针口，轻轻振荡几次至完全无色。）
（3）竖直向下推动芯杆至注射器内液体完全排尽后，倒转注射器，使针口朝上，拉动芯杆，可以看到无色气体迅速变成红棕色。
（4）将生成的红棕色气体注入盛有NaOH溶液的烧杯中（吸收NO2）。

3.3铜與稀硝酸的反应

（1）另取一注射器，按照上述方法加入相同大小的铜片，推进芯杆至底部，吸入少量蒸馏水，然后排尽注射器内空气，留用3mL蒸馏水。
（2）将注射器與已做完铜與浓硝酸实验的装置连接好，打开止水夹，将注射器内蒸馏水注入试管中（这样可以排出静脉输液针管中的空气，保证铜和稀硝酸反应时无空气），轻轻振荡试管，使试管中浓硝酸稀释均匀，试管中液体变为蓝色。
（3）注射器竖直，慢慢向外拉动芯杆，吸入2mL被稀释的硝酸，关闭止水夹（防止吸入空气）。这时可以看到注射器中铜片和稀硝酸开始反应，铜片表面有无色气泡产生，反应较缓和，气体推动芯杆向上移动。当收集3～5mL左右的气体时，慢慢松开止水夹，固定芯杆，待气体将注射器中液体全部压出注射器针口时关闭止水夹，反应停止（此处也可以用手向下推芯杆，将液体排出注射器）。
（4）将注射器倒转，拉动芯杆，可看到气体由无色变为红棕色（现象非常明显），将生成的红棕色气体注入盛有NaOH溶液的烧杯中（吸收NO2）。
4 改进后的优点
（1）一次性注射器和静脉输液针管获取容易，实验装置简单，操作方便，更换试剂简单。
（2）实验现象非常明显，便于观察，成功率高。
（3）反应可控制，节约试剂，可在平行班级进行多次演示。
（4）整个反应在密闭体系中进行，安全可靠，对实验结束后的有害气体处理方便，符合环保理念。
5 几点说明
（1）铜和浓硝酸反应很快，操作者最好将手放在止水夹上随时控制反应的进程。
（2）实验室常用的浓硝酸的质量分数为69%，浓度大约为16mol/L，按照这个浓度计算，2mL浓硝酸若完全反应，理论上在标准状况下能产生358.4mLNO2气体，那么1mL浓硝酸就能产生近180mL气体，所需要的注射器的量程就要很大。所以在实验过程中，尽量不要吸入过多的浓硝酸，并且应依据所使用的注射器的量程来控制收集的气体体积。笔者通过实验探究，认为NO2气体收集约15～20mL时反应现象就足够明显，水溶性实验也能成功完成。笔者在实验探究过程中使用50mL的注射器收集了约50mL NO2气体，验证水溶性时形成了非常明显的喷泉现象，但是实验过程中发现操控量程大的注射器不太灵便。通过多次比较，笔者认为30mL的注射器操作灵活，适合多数实验者。收集NO2气体大约为15mL时打开止水夹让液体回流，同时还会继续产生气体，所以需要控制芯杆的移动，最后实际收集到的气体体积要多于15mL，一般不超过20mL，同时，铜片还会有少量剩余。
（3）收集NO2气体时，注射器内产生了绿色溶液，笔者认为这个绿色跟Cu2+和NO2的溶解有关，并采用了两种方案进行验证。一是制取了少量NO2气体通入到硝酸铜溶液中，液体由蓝色变为绿色。二是透过盛有蓝色硝酸铜溶液的烧杯观察溶有NO2的浓硝酸的试管（液体为），同样能看到绿色，从而验证了绿色是部分NO2气体溶于浓硝酸，混合了Cu2+的颜色而呈现出来的。
（4）浓硝酸的稀释很重要。笔者试验的实验室室内温度为0～3℃左右，经过多次试验，得到了浓硝酸和水的比例为1：1.5时最佳。稍浓一点就会产生NO2气体，再稀了反应又太慢。这样的比例不需要加热，实验现象又很明显。浓硝酸加水稀释后一定要振荡均匀，否则容易产生红棕色气体，导致实验失败。研究生论文www.618jyw.com