铜与硝酸反应实验的研究与改进

铜与硝酸反应实验的研究与改进

按传统方法进行铜与浓硝酸及铜与稀硝酸反应的实验，存在如下缺点：氮的氧化物逸出会污染教室里的空气，影响师生健康；铜与稀硝酸反应所产生的一氧化氮气体遇空气立即变成二氧化氮，得不到纯净无色气体。为此，对该实验做了如下改进：

(一)铜与硝酸反应实验改进方法一

1、实验用品

铁架台、U形管、长颈漏斗、试管、单孔塞、导管、止水夹、白纸；铜丝、浓硝酸、稀硝酸。

2、实验装置（图1）

图1

3、实验操作

（1）浓硝酸与铜反应

a拨下U形管两端的塞子，向U形管中注入浓硝酸，液面距管口8mm(以能浸没即将插入铜丝为宜)，左侧插入带长颈漏斗的塞子。

b向U形管右侧迅速插入下端悬有螺旋状铜丝的塞子(导气管用止水夹夹住)，即发生剧烈反应。反应产生的红棕色气体将U形管右侧管内酸液压入左侧长颈漏斗中，酸与铜丝分离，反应停止。反应生成的绿色溶液、红棕色气体与白纸板形成鲜明的对照。

（2）稀硝酸与铜反应

a将上述反应中的浓硝酸换为1:1.5的稀硝酸，反应较缓慢，生成蓝色溶液及无色气体。

b打开止水夹，将无色气体导入后面衬着白纸的洁净试管内，可观察到无色气体变为红棕色，然后用橡胶塞塞住试管口，以免二氧化氮扩散到空气中。

4、注意事项

（1）铜丝为螺旋状(长4cm)，以增大接触面积。

（2）稀硝酸以1:1.5为最好，且不需要加热，反应lmin内即可完成。

（二）铜与硝酸反应实验改进方法二

1、实验用品

仪器：A、B为相同型号的具支试管和普通试管,C为20 mL塑料注射器,内装10 mL饱和氢氧化钠溶液,D为20 mL玻璃注射器,内装10 mL空气。

药品：铜丝、浓硝酸、水、饱和氢氧化钠溶液。

2、实验装置（图2）

图2

3、操作及实验现象

（1）向具支试管中加入1mL-2mL浓硝酸,当红棕色二氧化氮升至将近支管口2cm处时向上将铜丝刚好提离浓硝酸液面,此时,铜丝上沾的少许浓硝酸继续与之反应产生的二氧化氮刚好充满具支试管,立即关闭止水夹,已观察到铜与浓硝酸反应的全部现象。

（2）向上拉动注射器C的手柄,部分二氧化氮被氢氧化钠所吸收而使具支试管产生负压,打开止水夹,试管B中的水被倒吸入具支试管中形成稀硝酸(应注意浓硝酸的浓度约为16 mol/L,普通试管中的玻管插入水面下约是具支试管中加入的浓硝酸的体积的4倍左右,因为要考虑玻管部分倒吸后充满的水的体积,使吸入的水的体积约为浓硝酸体积的2-3倍左右,因研究表明当稀硝酸的浓度为 4 mol/L-8 mol/L时,铜与之反应时产生的气体才主要为一氧化氮)，此时具支试管中的二氧化氮被水吸收,红棕色褪去,同时观察到具支试管中的稀硝酸与铜反应产生无色的一氧化氮,一氧化氮缓缓向上通过针头进入装有空气的玻璃注射器,注射器内的气体呈红棕色,一氧化氮被氧气氧化成二氧化氮，完成铜与稀硝酸的反应。

（3）再先后将氢氧化钠溶液和玻璃针筒中的气体推入具支试管中,一氧化氮和二氧化氮都与氢氧化钠反应生成亚硝酸钠,废气被吸收,反应被终止,硝酸铜也被转化成氢氧化铜。

4、改进后的优点

集2个实验于1个密闭容器中完成,避免了教师在演示时因套塑料袋而手忙脚乱导致气体外泄,污染空气。也观察到一氧化氮被氧气氧化的过程,同时集实验与尾气处理于一体。

（三）铜与硝酸反应实验改进方法三

1、实验用品

铁架台、U形管、漏斗、玻璃导管、单孔塞、乳胶管、止水夹、试管；铜丝、

浓硝酸、稀硝酸、1mol/L NaOH溶液

2、实验装置（图3）

图3

说明:①为弯成螺旋状的铜丝,②和③为玻璃导管,中间用乳胶管连接,在乳胶管上有一止水夹K,B试管中装有1mol/L NaOH溶液。

3、操作过程

（1）照图3所示装置安装。

（2）打开止水夹K由漏斗向装置中加入浓硝酸,直到浸没Cu丝为止,关闭止水夹K, Cu与浓硝酸剧烈反应,产生红棕色的NO

2

气体将浓硝酸压回漏斗,铜丝和

浓硝酸脱离接触反应停止。让学生充分观察产生的红棕色的NO

2

气体,断开玻璃管③,由漏斗口倒出浓硝酸(倒酸液时打开K)。

（3）重新固定U型管连上玻璃管③由漏斗中加入1∶3 (体积比)稀硝酸,稀

硝酸将U型管中的NO

2

排入NaOH溶液中被吸收,当稀硝酸将铜丝浸没时,停止加入稀硝酸,关闭K,观察到铜与稀硝酸缓慢反应产生无色的气体将稀硝酸压回到漏斗中，反应停止后,由漏斗倒出稀硝酸,同时打开K,进入部分空气使NO氧化成

红棕色的NO

2

气体。

（四）铜与硝酸反应实验改进方法四

1、实验用品

铁架台、具支试管、三通管、玻璃导管、单孔塞、乳胶管、止水夹、干燥管

烧杯、吸耳球；铜丝、浓硝酸、稀硝酸、NaOH溶液、Na

2CO

3

粉末。

2、实验装置（图4）

图4

3、操作过程

（1）将两反应中的Cu片换成Cu丝,插在胶塞上,通过上下抽拉Cu丝,随时控制反应的进行。

（2）将试管改成具支试管,用三通管将两具支试管连接起来,不但能使两反应同时进行,便于对比,而且解决了NO气体不能直接被NaOH溶液吸收的问题。

（3）Cu与稀HNO

3反应的具支试管中预先加入少量Na

2

CO

3

粉末,Na

2

CO

3

与稀

HNO

3反应产生的CO

2

气体会将装置中的空气排出,排除了氧气对NO气体颜色观察

产生的影响。

（4）在导气管和盛有NaOH溶液的烧杯之间接上一个球形干燥管,防止了倒吸,还可在球形干燥管中塞入浸有NaOH溶液的棉花,有利于有毒气体被充分吸收。

（5）两具支试管的胶塞上各有一根玻璃管,玻璃管上连接一段带止水夹的橡胶管,打开其中一个止水夹,用吸耳球鼓入空气,可检查整个装置的气密性；Cu与

稀HNO

3反应完成后,可通过鼓入空气观察NO气体转化为NO

2

气体的颜色变化；整

个反应完成后,可通过鼓入大量空气,使装置中的有毒气体全部被烧杯中的NaOH 溶液吸收。也可直接用胶头滴管通过玻璃管加入NaOH溶液吸收有毒气体,这样拆卸时不会造成污染和伤害。

4、注意问题

（1）要先做Cu与浓HNO

3

的反应。因为如果先做Cu与稀HNO3的反应,产生的NO气体就不能被NaOH溶液吸收。

（2）稀HNO

3的浓度要控制好。太浓,会产生NO

2

气体,不利观察NO气体的颜

色；太稀,Na

2CO

3

粉末还要与稀HNO

3

反应,消耗稀HNO

3

,使得Cu与稀HNO

3

反应太慢,

产生NO气体较少,导致鼓入空气后产生红棕色现象不是很明显。经过实验,选用69%浓HNO3与蒸馏水以体积比1∶4混合较佳。

（3）由于HNO

3、NO

2

有腐蚀性,装置中的胶塞、胶管最好随时检查,随时更换。