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〔关键词〕 化学实验;铜;硝酸;实验装置;改进;完善
〔中图分类号〕 G633.8〔文献标识码〕 C
〔文章编号〕 1004—0463(2010)02(B)—0061—02
对实验装置、操作方法的改进只有始点而无终点,越是研究探索就越发现它们具有科学性和可操作性。例如“铜与硝酸反应”这一实验,由于教材上的实验易造成空气污染,又不能控制反应进程,因此,许多一线的化学教师都在不断地改进它的实验装置,探讨它的操作方法,笔者也不例外。多年来,笔者通过不断的研究,制作了一系列实验装置,经过一段时间的实践后,又设计了一套新的实验装置,有效地解决了污染环境和反应进程控制等问题。
一、制作材料及实验用品
20 mL的一次性注射器、一次性输液器的塑料导管、三通管(剪掉一次性输液器滴液管的外套制作)、止水夹等。
浓硝酸(12 mol/L)、稀硝酸(8 mol/L)、铜片(剪成比注射器内径略小的圆片)、浓氢氧化钠溶液、蒸馏水。
说明:因实验时硝酸会有一定程度的稀释,故均选择了浓度稍大的硝酸进行实验。
二、实验装置
如图所示(图1为实物图,图2为原理图)。
三、装置制作
取一次性输液器一个,将输液器上用于观察滴液速度的滴液管外套剪掉,一端留长约5 cm的塑料导管,去掉支口上的橡胶帽,即可得到一个三通管。在三通管的另两个支口上分别连接长约2 cm和5 cm的塑料导管,为了使其牢固,在套接时可用“三秒”胶粘接。然后在长的两个导管上分别套上从输液器上取下的止水夹K1、K2,再剪下3个输液器上静脉注射针头上的接头,涂上胶连接到三通管塑料导管的一端,以便换接注射器。最后再将三支注射器分别连接到制作好的三通管的三个接口上,整个装置即制作完成。
四、实验步骤
1.铜与稀硝酸的反应
(1)取下注射器,在注射器1内加入3片剪好的铜片后,吸入约5 mL的蒸馏水,然后将注射器1连接到制作好的没有止水夹的三通管导管一端,打开止水夹K1、K2,管口朝上慢慢推动活塞,排尽注射器及导管内的空气,在将注射器内蒸馏水尽可能全部排出后,关闭K1、K2。此时,在注射器及所连导管内会残留少量蒸馏水,并在实验时对硝酸有一定程度的稀释,但由于前面已考虑到稀释的问题,所以不会影响实验结果。
(2)在另一注射器2内吸取约8 ml 12 mol/L的硝酸(注意不要吸入空气)后,将其连接到K1所在的塑料导管上。
(3)打开K1,将注射器2内的硝酸注入注射器1内约4 mL后,立即关闭止水夹K1。这时铜与稀硝酸接触并发生反应,可观察到在铜片的表面有气泡缓慢放出。随着反应的进行,反应速率逐渐加快,溶液的颜色由无色变成蓝色。同时,产生的无色气体会推动注射器1的活塞向上慢慢移动。
(4)当产生的气体达到所需量时,若欲使反应停止,只需在止水夹K2所在的导管一端连接好注射器3后打开K2,将注射器1内的反应液吸入注射器3(注意不要让气体进入注射器3,以免气体逸散造成污染),再关闭K2即可.此时铜与稀硝酸基本脱离接触,反应随之慢慢停止。若要继续反应,只需打开K1,将注射器2内的硝酸继续注入注射器1,再关闭K2,即可实现随用随停。
(5)验证铜与稀硝酸反应产生的无色气体NO时,只需取下注射器3,打开K2,再抽动注射器1的活塞将空气吸入针筒内(或接另一吸有空气的注射器并将空气注入注射器1内),无色气体NO就会立即变成红棕色的NO2,此时迅速关闭止水夹K2即可。
(6)实验结束后进行尾气处理时,只需取下注射器3,接上另一吸有浓NaOH溶液的注射器4,打开K2,向注射器1内注入NaOH溶液即可。为保证NO被NaOH溶液充分吸收,可在注射器4内同时吸入少量空气后与NaOH溶液一同注入注射器1。如果注射器1内液体较多,可吸出大多液体后再注入NaOH溶液,以保证尾气被完全吸收。
2.铜与浓硝酸的反应
此实验操作除不进行上述步骤(5)中的NO验证外,其余步骤相同。实验时吸取12 mol/L的硝酸进行实验,可观察到铜与浓硝酸反应剧烈,在铜片的表面有大量的气泡产生,溶液由无色变成绿色,产生的红棕色气体推动注射器1的活塞上移。
五、装置特点及优点
(1)材料易得,制作简单,造价低廉。学生实验时可用小规格注射器(如5 mL),使装置更加微型化。亦可让学生自己制作,人手一套,既能培养学生的环保和可持续发展意识,又能激发他们的创新意识,提高实验动手能力。
(2)实验操作简单,试剂用量少,而且取量准确方便。如为了说明铜与浓硝酸反应后溶液呈绿色的问题,可将注射器3抽出的部分绿色溶液加入具支试管(支管口预先绑一气球)后,立即塞紧胶塞,并在酒精灯上加热,试管内出现红棕色气体,溶液由绿变蓝,说明绿色是由于红棕色的NO2溶于蓝色Cu(NO3)2溶液的缘故。此实验的取样操作同样非常方便容易(处理此验证实验的尾气时,可用注射器吸取浓NaOH溶液后,再注入具支试管来吸收,防止空气污染)。
(3)可随意控制反应进程,达到随用随停的目的。
(4)环保、安全。整个实验过程中,确保了反应在封闭系统中进行,实现了污染物的零排放,切实有效地解决了尾气的污染和对师生身体的危害,安全环保。
(5)实验时,铜与稀、浓硝酸的反应现象对比明显。NO气体的验证操作简便,现象明显,完全克服了一般装置中空气对本实验现象的直接影响,能很好地揭示这两个反应的本质与不同。
(6)在铜与浓硝酸反应的实验中,通过注射器2注入浓硝酸,注射器3吸出反应液,不仅可随时控制反应进程,又可保证铜一直与浓硝酸反应,避免了反应过程中因硝酸浓度变低而生成NO的问题。
〔中图分类号〕 G633.8〔文献标识码〕 C
〔文章编号〕 1004—0463(2010)02(B)—0061—02
对实验装置、操作方法的改进只有始点而无终点,越是研究探索就越发现它们具有科学性和可操作性。例如“铜与硝酸反应”这一实验,由于教材上的实验易造成空气污染,又不能控制反应进程,因此,许多一线的化学教师都在不断地改进它的实验装置,探讨它的操作方法,笔者也不例外。多年来,笔者通过不断的研究,制作了一系列实验装置,经过一段时间的实践后,又设计了一套新的实验装置,有效地解决了污染环境和反应进程控制等问题。
一、制作材料及实验用品
20 mL的一次性注射器、一次性输液器的塑料导管、三通管(剪掉一次性输液器滴液管的外套制作)、止水夹等。
浓硝酸(12 mol/L)、稀硝酸(8 mol/L)、铜片(剪成比注射器内径略小的圆片)、浓氢氧化钠溶液、蒸馏水。
说明:因实验时硝酸会有一定程度的稀释,故均选择了浓度稍大的硝酸进行实验。
二、实验装置
如图所示(图1为实物图,图2为原理图)。
三、装置制作
取一次性输液器一个,将输液器上用于观察滴液速度的滴液管外套剪掉,一端留长约5 cm的塑料导管,去掉支口上的橡胶帽,即可得到一个三通管。在三通管的另两个支口上分别连接长约2 cm和5 cm的塑料导管,为了使其牢固,在套接时可用“三秒”胶粘接。然后在长的两个导管上分别套上从输液器上取下的止水夹K1、K2,再剪下3个输液器上静脉注射针头上的接头,涂上胶连接到三通管塑料导管的一端,以便换接注射器。最后再将三支注射器分别连接到制作好的三通管的三个接口上,整个装置即制作完成。
四、实验步骤
1.铜与稀硝酸的反应
(1)取下注射器,在注射器1内加入3片剪好的铜片后,吸入约5 mL的蒸馏水,然后将注射器1连接到制作好的没有止水夹的三通管导管一端,打开止水夹K1、K2,管口朝上慢慢推动活塞,排尽注射器及导管内的空气,在将注射器内蒸馏水尽可能全部排出后,关闭K1、K2。此时,在注射器及所连导管内会残留少量蒸馏水,并在实验时对硝酸有一定程度的稀释,但由于前面已考虑到稀释的问题,所以不会影响实验结果。
(2)在另一注射器2内吸取约8 ml 12 mol/L的硝酸(注意不要吸入空气)后,将其连接到K1所在的塑料导管上。
(3)打开K1,将注射器2内的硝酸注入注射器1内约4 mL后,立即关闭止水夹K1。这时铜与稀硝酸接触并发生反应,可观察到在铜片的表面有气泡缓慢放出。随着反应的进行,反应速率逐渐加快,溶液的颜色由无色变成蓝色。同时,产生的无色气体会推动注射器1的活塞向上慢慢移动。
(4)当产生的气体达到所需量时,若欲使反应停止,只需在止水夹K2所在的导管一端连接好注射器3后打开K2,将注射器1内的反应液吸入注射器3(注意不要让气体进入注射器3,以免气体逸散造成污染),再关闭K2即可.此时铜与稀硝酸基本脱离接触,反应随之慢慢停止。若要继续反应,只需打开K1,将注射器2内的硝酸继续注入注射器1,再关闭K2,即可实现随用随停。
(5)验证铜与稀硝酸反应产生的无色气体NO时,只需取下注射器3,打开K2,再抽动注射器1的活塞将空气吸入针筒内(或接另一吸有空气的注射器并将空气注入注射器1内),无色气体NO就会立即变成红棕色的NO2,此时迅速关闭止水夹K2即可。
(6)实验结束后进行尾气处理时,只需取下注射器3,接上另一吸有浓NaOH溶液的注射器4,打开K2,向注射器1内注入NaOH溶液即可。为保证NO被NaOH溶液充分吸收,可在注射器4内同时吸入少量空气后与NaOH溶液一同注入注射器1。如果注射器1内液体较多,可吸出大多液体后再注入NaOH溶液,以保证尾气被完全吸收。
2.铜与浓硝酸的反应
此实验操作除不进行上述步骤(5)中的NO验证外,其余步骤相同。实验时吸取12 mol/L的硝酸进行实验,可观察到铜与浓硝酸反应剧烈,在铜片的表面有大量的气泡产生,溶液由无色变成绿色,产生的红棕色气体推动注射器1的活塞上移。
五、装置特点及优点
(1)材料易得,制作简单,造价低廉。学生实验时可用小规格注射器(如5 mL),使装置更加微型化。亦可让学生自己制作,人手一套,既能培养学生的环保和可持续发展意识,又能激发他们的创新意识,提高实验动手能力。
(2)实验操作简单,试剂用量少,而且取量准确方便。如为了说明铜与浓硝酸反应后溶液呈绿色的问题,可将注射器3抽出的部分绿色溶液加入具支试管(支管口预先绑一气球)后,立即塞紧胶塞,并在酒精灯上加热,试管内出现红棕色气体,溶液由绿变蓝,说明绿色是由于红棕色的NO2溶于蓝色Cu(NO3)2溶液的缘故。此实验的取样操作同样非常方便容易(处理此验证实验的尾气时,可用注射器吸取浓NaOH溶液后,再注入具支试管来吸收,防止空气污染)。
(3)可随意控制反应进程,达到随用随停的目的。
(4)环保、安全。整个实验过程中,确保了反应在封闭系统中进行,实现了污染物的零排放,切实有效地解决了尾气的污染和对师生身体的危害,安全环保。
(5)实验时,铜与稀、浓硝酸的反应现象对比明显。NO气体的验证操作简便,现象明显,完全克服了一般装置中空气对本实验现象的直接影响,能很好地揭示这两个反应的本质与不同。
(6)在铜与浓硝酸反应的实验中,通过注射器2注入浓硝酸,注射器3吸出反应液,不仅可随时控制反应进程,又可保证铜一直与浓硝酸反应,避免了反应过程中因硝酸浓度变低而生成NO的问题。