铜与稀硝酸反应的研究性实验设计

1、问题提出

铜与稀硝酸发生反应的反应方程式为：3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O。从理论上讲，实验现象应为生成无色气体，在试管口遇到空气后变为红棕色。但传统的铜与稀硝酸反应实验直接在试管中进行，实验操作中气体往往在液面上就变色，即使可用排水法收集到无色的NO，也无说服力，因为NO气体有可能由NO2与H2O反应生成的。实验现象与理论无法吻合，给教学带来负面影响。因此必须对这一实验进行必要的研究，提出改进措施。

2、研究目的与要求

（1）改进后的实验必须达到以下要求：节约药品、操作简便、现象明显、没有污染。

（2）通过对“稀硝酸氧化性实验的改进”这一研究，提高创新意识和动手解决实际问题的能力。

3、实验方案

方案一

实验步骤及现象

(1)按图1所示连接好仪器。

(2)取下带有分液漏斗的胶塞，将绕成螺旋状的铜丝一端插入塞内。(注：铜丝应插紧，否则会掉入U形管，使实验失败)。

(3)将活塞打开，从U形管较长的管口注入稀硝酸，直到碰到塞子的下沿，且液面上不再留有气泡为止，保证铜丝与稀硝酸接触时无空气。

(4)关闭活塞，可以用酒精灯在U形管的短管一侧加热，当铜丝上有气泡产生时立即撤灯。铜丝与稀硝酸反应生成的气体将稀硝酸排向长管，使铜丝与稀硝酸脱离接触后，反应自行停止，管内有无色气体生成。

(5)将活塞慢慢打开，U形管的长管中的稀硝酸又回落到短管内，分液漏斗有红棕色气体出现。

实验评价

稀硝酸反应在缺氧条件下进行，可以长时间观察到无色NO气体：验证了NO和O2反应生成NO2气体及NO难溶于水的性质：该实验器材简单、操作方便、现象明显，可以重复使用(关闭分液漏斗活塞并适当加热，又可以得到无色气体)。

方案二：

实验步骤

(1)如图2，在注射器中放三小块铜片，将注射器活塞推到底部。

(2)将输液管插入预热过的稀硝酸中，吸入20mL硝酸后，关闭输液管夹，然后将输液管下端放入盛有4mol／L氢氧化钠溶液的烧杯中(注：在实验进行过程中要慢慢地将注射器向上拉出，因摩擦力的存在，反应过程中产生的气体不容易使活塞向上运动)。

(3)待反应停止后，打开输液管夹，将注射器中的溶液全部排入烧杯中(气体不要排出)，然后将输液管下端移出液面，吸入约2倍NO体积的空气。

实验现象

铜与稀硝酸反应较慢，铜片周围产生小气泡，有无色气体生成，溶液逐渐变为蓝色：当注射器中溶液排入烧杯时，有蓝色沉淀生成：注射器吸入空气后，无色气体变为红棕色。

实验评价

本实验反应在缺氧条件下进行，能观察到NO的“庐山真面目”——无色气体：实验中没有向空气中排放有毒气体，避免了空气受到污染：器材简单、操作方便、现象明显。

方案三

实验步骤及现象

(1)按图所示连接装置图，检查气密性后在干燥管加入铜片，在烧杯中加入适量预热的稀硝酸。
(2)打开止水夹，用注射器慢慢抽取干燥管内的空气，稀硝酸沿着干燥管慢慢上升，直到充满整个干燥管，停止抽拉注射器，关闭止水夹，观察到干燥管内铜片溶解，且表面有气泡产生，溶液上方气体为无色，溶液变成蓝色，液面下降。

(3)反应停止后，打开止水夹，用注射器抽取干燥管内的气体(事先已将注射器内原有的空气推出)，关闭止水夹后取下注射器，并抽取一定的空气，可观察到有红棕色气体生成。

实验评价

此实验设计简单可行，操作方便、现象明显，不仅能清晰地观察到无色的NO，还能观察到NO气体容易被氧化成红棕色的NO2的过程，而且可以重复使用。


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