获奖论文:二等奖

铜与硝酸反应实验的改进

点击次数: 349    发布时间: 2015-04-15 11:22:12

深圳市盐田区沙头角中学 廖玉红

摘要:

本实验采用“铜丝嵌入未打穿的橡胶塞中,再将橡胶塞套在吸有硝酸溶液的注射器针头上,让铜丝与硝酸溶液接触而反应,观察实验现象”,整个实验是封闭体系。此设计改进了教材中该实验操作不安全、现象不明显、尾气吸收不完全等缺陷,而且改进后的实验微型化、便于学生小组实验探究。

关键词:封闭体系;现象明显;尾气吸收;微型化

 

1、教材中本实验存在的问题:

1.1由实验现象得出的结论不可靠。教材中该实验出现在化学必修1第80页。其操作步骤:在两支试管中,各放入一小块铜片,分别加入少量稀硝酸和浓硝酸,立即蘸有NaOH溶液的棉花封住试管口(如图1)。实验现象:加入浓硝酸的试管中很快充满红棕色气体,溶液变蓝;加入稀硝酸的试管中产生气泡,在试管上端出现红棕色,溶液逐渐变蓝。由此现象得出结论:浓硝酸与铜反应生成NO2,稀硝酸与铜反应生成NO。我认为,由以上现象得出该结论没有说服力。我们也可以这样解释上述实验现象:浓硝酸浓度大,与铜反应快,短时间生成大量NO。由于此实验体系不密封,随后NO迅速被氧化为NO2,所以“浓硝酸与铜的反应”中,红棕色气体很快充满整支试管。而稀硝酸与铜反应慢,生成NO比较慢,则观察到“开始生成无色气体,随后在试管上端出现红棕色”的现象。由此可知,由教材中的实验现象得出“浓硝酸与铜反应生成NO2,稀硝酸与铜反应生成NO”的结论并不可靠。
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1.2实验操作不安全,尾气处理不充分。教材中的此实验,采用“蘸有NaOH溶液的棉花封住试管口”处理尾气,吸收不完全。而反应产物氮氧化物均为污染性气体,破坏生态环境。又因为氮氧化物毒性大,教材中的实验设计不是封闭体系,老师、学生实验时操作不安全。

2、改进后的实验设计及创新之处

2.1实验设计:为了解决教材实验中操作不安全、现象不明显、尾气吸收不完全等缺陷,改进后的实验采取封闭实验体系,设计为“铜丝嵌入未打穿的橡胶塞中,再将橡胶塞套在吸有硝酸溶液的注射器针头上,让铜丝与硝酸溶液接触而反应,观察实验现象”。改进后的实验可以避免空气对反应产物的干扰,通过更有说服力的现象分析浓、稀硝酸分别与铜反应的产物,实验结论更可靠。

2.2实验仪器、试剂及实验装置图

  仪器:废弃的医用注射器(5 mL,2支),橡胶塞(2个)。

  试剂:浓硝酸(15 mol/L)、稀硝酸(4 mol/L)、铜丝(2~3 cm)。
 

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   2.3实验操作:

(1)将铜丝插入橡胶塞的孔隙中(孔未打穿)。

(2)用5 mL注射器吸取1 mL稀硝酸,挤压活塞,排净注射器中的空气。

(3)将(1)中已插有铜丝的橡胶塞套在注射器的针管口处。

(4)将注射器倒置,稀硝酸与铜接触而反应,水浴加热加快反应(如图3A)。产生的气体推动活塞向外移动,观察生成的气体颜色和溶液的变化(如图3B)。

(5)反应收集到1~2 mL气体时,顺立试管。这时,铜丝脱离稀硝酸的液面,从而反应停止(如图3C)。

(6)取下橡胶塞,小心地向外拉活塞,让适量的空气进入注射器管内,观察气体的颜色变化(如图3D)。

(7)将注射器的针管口一端浸没在浓NaOH溶液中,用镊子小心地将橡胶塞拔下,向外拉活塞,让适量的浓NaOH溶液进入注射器管内,以充分吸收尾气。

(试剂换成浓硝酸,按以上步骤再次实验,观察实验现象(如图4))

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2.4 本实验的创新之处及意义

(1) 采取封闭实验体系,避免空气对反应产物的干扰,实验现象更明显,得出的结论才更有说服力,且实验操作更安全。

(2)采用“气体通入NaOH溶液的尾气处理装置”代替“蘸有NaOH溶液的棉花封住试管口”的方法,污染性气体被充分吸收,尾气处理更彻底

(3)本实验通过顺立或倒置注射器,控制反应进行或停止,操作更简单。

(4)采取废弃物品做实验器材,实验微型化、试剂用量减少,低碳环保。

(5)基于本实验设计,该实验操作安全,现象明显,可开展小组实验探究活动,激发学生的学习兴趣。