学科素养发展引领下铜与硝酸反应的设计

作者: 来源: 发布时间:2018年09月20日 点击数:
学科素养发展引领下铜与硝酸反应的设计
贾同全
摘 要:学生学科素养的养成是一个逐步渗透的过程,在不同的学习阶段,化学实验所承
载的功能应有不同的体现。依托学科素养发展的要求,设计了两套铜与硝酸反应实验装
置,绿色环保、节约试剂,启发探究,达到化学实验在中学阶段学科素养逐步渗透的目的。
关键词:封铁短玻璃导管;铜与浓、稀硝酸反应;绿色环保;学科素养
贾同全,山东省肥城市第一高级中学,高级教师。
在化学核心素养的养成过程中,学生需要
了解常见的化学实验仪器的性能以及使用方
法。利用这些仪器搭建的实验平台去分析实验
现象,直观地用对立统一、联系发展和动态平衡
的观点考察、分析化学反应,预测在一定条件下
某种物质可能发生的化学变化。并运用分析推
理能力,证实该物质的其他性质。更能运用已
有知识和方法,发现和提出更有探究价值的化
学问题
[1] 。
在现 各 版 本 ( 鲁 科 版、人 教 版、苏 教
版)
[2][3][4] 教学中,硝酸与铜的反应在严格实
施过程中存在比较多难以克服的困难:硝酸用
量比较大、无法较好地控制反应的进行、NO 和
NO 2 生成量无法控制,尾气处理不到位会引起
严重污染、容易形成倒吸现象、收集到 的气体
都为 NO 气体等。同时按照课本中的实验,虽
然也体现 NO 2 与水能反应生成 NO,但是无法
体现生成产物还有硝酸;并且也不能很好地体
现硝酸的强氧化性、水溶性以及挥发性等特点。
适应高中化学学科素养的发展,结合课堂
实际应用,对该实验装置进行了整合改进,设
计出两套实用性强的一体化装置:第一套主要
用于高一新课的配套实验,第二套主要用于高
三复习课的探究,并以此提出问题,发现更有探
究价值的化学问题。同时,两套装置还可以用于
多种气体制备以及性质的验证(如 CO 2 、SO 2 等)。
一、高一新课的配套实验
(一)仪器
铁架台(带铁夹)、100mL 注射器、20mL 注
射器、针筒各一个、弹簧夹、烧杯、导管、橡皮
管、封铁短玻璃导管、磁铁。
(二)药品
直径 7 ~8mm 的铜丝、蒸馏水、1mol·L
-1 氢
氧化钠溶液、6mol·L
-1 浓硝酸。
(三)实验操作步骤及现象
①封铁短玻璃导管的制作:用玻璃刀截取
2cm(直径 7 ~ 8mm) 玻璃导管,将长 1cm、宽
0. 5cm 的铁片卷曲成桶状,塞入玻璃导管中,并
用玻璃胶封严。
②铜丝在短玻璃导管的固定:截取 3cm 左
右(直径 2mm)铜丝,用力缠绕在玻璃管上,并
将两端插入玻璃胶中(注意不要捅破),以完成
铜丝的固定。
③按如图 1 所示装置组装实验仪器,关闭
K 1 、K 2 ,轻轻拉动 100mL 注射器活塞,1min 左右若注射器活塞回到原刻度位置,说明装置气
密性完好。
图 1
④关闭 K 1 ,首先在大针筒中吸入约 25mL
6mol·L -1浓硝酸,用磁铁在小针筒中将绕有铜
丝的封铁短玻璃导管固定于最上端(最好与橡
胶塞平齐)。
⑤关闭 K 3 ,打开 K 1 、K 2 ,将大针筒中的浓
硝酸注入小针筒中直至恰好充满小针筒没过铜
丝,立即关闭 K 2 。此时反应开始,立即用磁铁
将铜丝固定于小针筒下端。小针筒内迅速产生
大量红棕色气体,在气压的作用下,液面下降,
溶液由无色变成蓝色。大针筒中液面上升,溶
液也变为蓝色。
⑥当浓硝酸与铜丝脱离接触后反应停止,
此时,小针筒内充满红棕色的 NO 2 。打开 K 2 ,
用 20mL 注射器向小针筒中加入少量水。关闭
K 1 ,振荡,发现气体颜色逐渐变浅,渐渐变为无
色。稍等片刻,铜丝上出现大量无色气泡,反应
再次开始。打开 K 1 ,小针筒中液面下降,大针
筒中液面上升
[5] 。
⑦反应停止后,打开 K 2 ,轻轻拉动大针筒
的活塞,吸入少量空气。关闭 K 2 ,发现小针筒
中气体由无色变为红棕色。打开 K 2 ,用注射器
加入少量浓 NaOH 溶液,立即关闭 K 2 。
⑧稍等片刻,将小针筒倒置于 NaOH 溶液
中。打开 K 3 ,出现喷泉实验,直至液体充满整
个针筒。
(四)实验设计与分析
①该设计适用于学生对硝酸与铜反应的初
级认识,可以直观感受到由于硝酸浓度的不同
导致还原产物的不同。
②液压平衡创造了铜丝与硝酸接触反应与
分离的条件,使学生对气体的产生印象更加深
刻。同时,排除浓硝酸后,为 NO 2 与水的反应打
下基础,让学生直觉感受到了 NO 2 与水的反应
现象。
③喷泉的形成是负压产生的结果,既巩固
了喷泉的形成原理,又培养了学生爱护环境、绿
色化学的意识。
二、高三复习课的探究
[6]
(一)仪器
铁架台(带铁夹)、具支试管、导管、弹簧
夹、烧杯、集气瓶、朗威数据采集器、pH 传感器、
封铁短玻璃导管、吸铁石、针筒、棉花团。
(二)药品
浓硝酸、铜丝、四氯化碳、水、浓 NaOH 溶
液、标准缓冲溶液 (pH = 4. 003,pH = 6. 85,
pH =9. 18)(可选用高锰酸钾溶液、KI 淀粉溶
液、氨水等完成不同的实验设计)。
(三)实验操作步骤及现象
①将朗威数据采集器以及 pH 传感器电极
与电脑连接,用缓冲溶液对 pH 传感器进行
校正。
②按图 2 所示装置组装实验仪器。关闭
K 7 ,打开 K 4 、K 5 、K 6 、K 8 ,并向两烧杯中加水至
浸没导管末端,用气压法检查装置的气密性。
图 2
③在集气瓶中的下层加入四氯化碳,上层
加入水,并将绕有铜丝固定的封铁短玻璃导管
固定于下层;关闭 K 5 、K 6 、K 7 、K 8 ,打开 K 4 ,用磁
铁固定绕有铜丝固定的封铁短玻璃导管于试管
口,加入 3mL 左右的浓硝酸。④关闭 K 4 ,打开 K 5 、K 6 、K 8 ,将具支试管中
的铜丝移入浓硝酸中。反应开始,产生大量红
棕色气体,溶液呈现蓝色。集气瓶中的四氯化碳
层出现大量红棕色气体,溶液呈现黄色;水层中
无变化;pH 传感器读数逐步下降到2 左右。
⑤当 pH 读数在 1 以下时,用磁铁将具丝
支试管中的铜丝移到具支试管上方,与浓硝酸
脱离,反应停止。关闭 K 5 ,打开 K 4 ,右侧烧杯内
的 NaOH 溶液会倒吸入具支试管中,同时产生
蓝色沉淀。
⑥用磁铁将广口瓶中的铜丝移至水层,水
层中产生无色气体,无色气体在水层上方变为
红棕色,同时溶液变为蓝色。打开 K 6 ,针筒中
充满红棕色气体,颜色逐渐变浅,并产生白烟。
⑦关闭 K 6 ,打开 K 8 ,针筒中产生喷泉。
(四)实验注意事项
①在操作过程中由于有一定的压力,所以
一定要注意气密性的检查,可在各接口处缠上
生料带。
②浓硝酸浓度不易过大,否则速率太快难
以控制,以 6 ~10mol/L 为最佳。
③大针筒容积要为小针筒的一倍以上,且
在针筒中的实验切忌操作速度太快。
④由于稀硝酸是 NO 2 与水反应生成的,浓
度可能过稀而导致铜与稀硝酸反应过于缓慢。
因此,实验一在操作时可以适当将大针筒中的
浓硝酸少量反注入小针筒中以提高反应速率;
实验二建议集气瓶中水层为 1cm 左右。
⑤做喷泉实验过程中需要较大的压力差,
所以需待铜与稀硝酸反应 2 分钟以上再进行后
续操作。
⑥具支试管中通入集气瓶内的导管要伸入
四氯化碳层液面以下。
三、实验改进优点及反思
[7]
①铜与浓硝酸的反应速率比较剧烈,本实
验采用将铜丝绕在封铁短玻璃导管上,用磁铁
控制反应速率,不仅增加了反应的安全性,而且
保证了装置的密封性。
②实验中前一个反应产物是后一个反应的
反应物,充分利用了资源,同时铜与浓、稀硝酸
反应一体化,直观体现了铜与不同浓度的硝酸
反应的不同现象,体现了硝酸的氧化性,更有利
于学生对硝酸性质的理解。
③利用数字化体现,让学生明了 NO 2 与水
反应不仅生成 NO 气体,还生成 了 酸 性 物
质———硝酸。
④集气瓶中装入四氯化碳层和水层,在操
作过程中不仅能防止 NO 2 易溶于水而引发倒
吸,还能清晰看到水层的颜色以及铜与稀硝酸
反应生成气泡的颜色,使 NO 2 气体在水中混合
均匀,更能在最后看到反萃取的现象。
⑤本实验打破了喷泉实验只有 NH 3 或 HCl
产生的思维定式,用一种崭新的思维方式告诉
学生 NO 2 甚至 NO 气体 也能够生成喷泉。使
学生理解只要烧瓶内外能产生压强差,就可以
产生喷泉,甚至不需要引发剂也能形成喷泉
(如先在烧瓶中收集满 O 2 ,利用 NO 与 O 2 反应
生成 NO 2 是气体体积减少的反应来引发喷泉
实验)。同时还可以改变试剂引发不同的喷泉
(如加入 KI 淀粉溶液出现蓝色喷泉,加入氨水
出现“人间仙境”等)。
⑥两套一体化装置还可以用于演示 CO 2 、
SO 2 、H 2 等气体的相关性质实验。
参考文献:
[1]陆晔,王国忠,杭作. 硝酸与铜反应一体化装置设
计. 2017 江苏化学实验创新大赛.
[2]王磊. 普通高中课程标准试验教科书·化学1(必修)
[M]. 济南: 山东科学技术出版社,2007:80 -81.
[3]宋心琦. 普通高中课程标准试验教科书·化学1(必
修)[M]. 北京: 人民教育出版社,2007:102.
[4]王祖浩. 普通高中课程标准试验教科书·化学1(必
修)[M]. 南京: 江苏教育出版社,2004:101.
[5]谭文生. 铜与浓、稀硝酸反应实验的绿色化设计
[J]. 化学教学. 2012(11):45 -46.
[6]吴冉、封享华. 铜与硝酸反应实验及 NOx 性质实验
的集成设计综合设计[J]. 中学教学参考 2016
(1 -2):62.
[7]王秀荣. 二氧化硫制备与性质实验的改进与探究
[J]. 化学教学 2017(10):49 -51.
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