证据推理为本的“铜与浓硝酸反应实验”的新设计

　　摘要：用乳胶管和密封塑料盐水袋组成的实验装置，操作简单易行，可以反复重现NO与NO2之间的相互转化，实验现象明显，步骤可控。基于证据推理，有助于对铜和浓硝酸的反应、氮氧化物转化的宏观现象进行微观探析。

　　关键词：乳胶管;铜;浓硝酸;一氧化氮;二氧化氮

　　一、实验设计的缘起

　　铜组合 408 与浓硝酸反应的实验，能让学生深入了解HNO3及氮氧化物，原苏教版高中化学1教材中[1]，设计了如图1的经典实验，基于该实验，新教材高中化学必修第二册中将铜片改成了铜丝，以控制反应的进程，但该实验的效果较单一。在制得氮氧化物的同时，能全面认识到氮氧化物的性质，实现多个性质实验一体化，是值得思考的问题。

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　　笔者认为，要更全面地认识氮元素，应从“价类二维”的角度，引导学生从反应的宏观现象走近微观本质。笔者也曾用小安瓶进行NO2与水的歧化反应的探究实验，用注射器向收集满NO2的小安瓶中先后注入适量蒸馏水、紫色石蕊试液，通过实验索证，探究NO2的性质。但当用注射器再继续注入空气，NO由于浓度太低，无法实现向NO2 的转化。

　　二、实验设计方案

　　1、主要仪器及药品

　　250mL塑料盐水袋，乳胶管一段(约5cm)，玻璃珠1颗，10mL注射器，洗瓶，洗耳球;

　　63%浓硝酸，铜丝1根(约10cm)，酚酞，蒸馏水，NaOH溶液。

　　2、实验装置及准备

　　装置由带有玻璃珠的乳胶管和塑料盐水袋组成。乳胶管与玻璃珠接触处，是一个可以控制的开关阀门。将10cm的铜丝小心地插入左端塑料封口，并隔着袋子将铜丝弯成连续的S状。

　　挤捏乳胶管中玻璃珠，用洗瓶沿乳胶管注入适量水，倒放装置如图1，对装置进行检漏。挤捏乳胶管中玻璃珠，将袋子压扁，尽量排尽袋内空气。

　　3、主要实验步骤及现象

　　(5fbccab43b034_html_53a6efc9d56f23e8.jpg 1)铜与浓硝酸反应

　　用10mL注射器向塑料袋内注入4mL 63%的浓硝酸。溶液中铜丝附近产生大量气泡，袋内溶液迅速呈现绿色。液面上方随着红棕色气体的不断生成，密封袋迅速鼓起，且袋体温度明显升高;

　　反直线 509 应原理：Cu + 4HNO3(浓)= Cu(NO3)2 + 2NO2 +2 H2O

　　(2)NO2的性质

　　待步骤1中塑料袋大部分膨胀后，将塑料袋倒置，铜丝与浓硝酸固液分离，反应立即停止。边挤捏乳胶管中玻璃珠，边用洗瓶沿着乳胶管向袋内注入少量蒸馏水，并轻轻震荡，红棕色变浅直至消失，透明袋部分变瘪，袋内溶液由绿色变成蓝色。

　　反应的原理是：3NO2 + H2O= 2 HNO3 +NO 图3 铜与浓硝酸反应

　　(3)铜与稀硝酸反应

　　将塑料袋再倒过来，铜丝与稀硝酸固液接触，铜丝附近产生大量气泡，塑料袋慢慢变鼓，袋内气体呈无色。

　　反直线 510 应的原理是：3Cu + 8HNO3(稀)= 3Cu(NO3)2 + 2NO +4 H2O

　　(4)NO的性质

　　再将塑料袋倒置，挤捏玻璃珠，用洗耳球沿乳胶管向袋内鼓入空气。气体瞬间由无色变为红棕色 ，轻轻摇晃塑料袋，红棕色又消失。可反复多次。

　　反应的原理是：2NO+ O2 = 2 NO2

　　(5)废液、废气处理

　　废液：挤捏玻璃珠，将废液放入盛有约60mL 10%的NaOH溶液与酚酞的烧杯中，过程中烧杯内溶液一直呈红色。 废气：用洗耳球鼓入空气，并用注射器注入NaOH与酚酞的混合液，轻轻震荡，等待一段时间，至袋内液体呈红色不褪色，气体被充分吸收。

　　反应的原理是： 2NO2 + 2NaOH = NaNO3 + NaNO2 + H2O

　　三、实验设计的创新点

　　1、实现了将氮氧化物的发生装置、性质检验装置、尾气吸收一体化。多个实验在一个密封体系中先后进行，操作方便，试剂使用量少，绿色环保。

　　2、实验的进程可控，可观赏性强。实验过程可以暂停在任何一步，学生能清晰看到袋内的溶液、气体的显著变化，从而进行宏微辨析，实现证据推理。

　　3、衍生其他实验资源。

　　(1)铜与浓硝酸反应呈绿色的原因探究

　　铜与浓硝酸接触后的溶液呈绿色。将塑料袋倒置(反应停止)后，置于100摄氏度的热水浴中，可观察到蓝色溶液中继续溢出大量气泡，并观察到溶液颜色变化不明显。因此沿着乳胶管放出少量蓝色液体于试管中，用酒精灯加热，溶液迅速变蓝，试管里产生红棕色气体。因而得出结论：溶液呈绿色不是硝酸铜的作用，而是由于红棕色的NO

　　2溶于硝酸呈现的黄色，与蓝色的硝酸铜溶液混合后呈现出绿色。

　　(2)浓度对速率的影响因素的探究

　　铜与浓硝酸、稀硝酸反应的对比实验，根据冒气泡的剧烈程度，单位时间内塑料袋的鼓起的程度等讨论化学反应速率的影响因素。

　　参 考 文 献：

　　王祖浩.普通高中课程标准实验教科书化学1[M].南京：江苏教育出版社,2018

　　作者：杨桂霞

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