实验改进与创新设计

实验五实验改进与创新设计

小组成员：吴健华（20102401046）刘启梧（20102401144）

陈汉翔（20102401132）布瑞昌（20102401023）

一．探究问题的提出

硝酸是一种氧化剂，其与铜反应，将铜氧化为硝酸铜，并生成氮的氧化物。而不同浓度的硝酸（浓硝酸与稀硝酸），其氧化性强弱不同，因此与铜反应，生成的氮的氧化物均不同。稀硝酸与铜反应生成的是NO（无色气体），而浓硝酸则生成NO2（红色气体），这说明了浓硝酸的氧化性更强。若采用普通的实验方法，分别用浓硝酸、稀硝酸和铜进行反应，分别制备NO2与NO，再进行一系列性质实验，则存在如下缺点：

1.实验所需的药品用量及仪器多，不符合绿色化学的要求；

2.操作步骤冗长，不利于课堂演示；

3.生成的大量NO及NO2，对人体有害，也会污染环境。

二．问题解决与设想

1.对实验过程进行整合，利用反应与反应之间的关系，合理安排实验步骤，可

以达到简化实验仪器装置的效果。能够更好地展示实验。

2.通过控制实验药品的用量，以减少浪费与尾气过多问题。同时，通过尾气处

理实验，进一步减少对人体对环境的影响。做到真正的绿色。

三．实验方案设计

【实验原理】

1.浓硝酸和铜发生氧化还原反应制得红棕色NO2：

Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O

2.NO2和水发生反应：3NO2＋H2O=2HNO3＋NO

3.稀硝酸和铜反应生成NO气体

3Cu＋8HNO3=3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O

4.NO与O2发生反应：2NO＋O2=2NO2

5.NO2与碱反应：

2NO2＋2NaOH=NaNO3＋NaNO2＋H2O

NO＋NO2＋2NaOH=2NaNO2＋H2O

【仪器与试剂】

实验仪器：200mL大烧杯1个；具支试管1支；

带玻管的单孔橡胶塞1个；止水夹2个；

一次性大注射器1支；乳胶管

实验试剂：浓硝酸溶液、氢氧化钠、水、铜丝

【实验装置图】

【实验步骤】

（1）按实验装置图连接实验装置。并检查气密性

（2）浓HNO3与铜反应及NO2气体的制备。在烧杯中放入100mL水，关闭止水夹1、止水夹2，在具支试管中加入1/3管浓硝酸，迅速塞紧单孔塞，倒立，将玻璃导管浸入烧杯的水中，观察现象。有红棕色的气体产生时，打开止水夹1，并将浓硝酸向下排入盛水的烧杯中，此时烧杯中的水与浓硝酸混合成为稀硝酸。关闭止水夹1。有关的方程式为

Cu+4HNO3=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

（3）NO2与水的反应。打开止水夹2，用注射器通过支管向试管内注射约5ml 的水，关闭止水夹2，并振荡试管，注意观察气体颜色的变化，将玻璃导管浸入烧杯的稀硝酸中，打开止水夹1，注意观察涌入试管内的稀硝酸与无色气体的体积。有关的方程式为：

3NO2+2H2O=2HNO3 +NO

（4）稀HNO3与铜反应及NO气体的制备。随着铜与稀硝酸的反应，试管上部无色气体的量不断增加，当气体集满试管时，稀硝酸被排出。关闭止水夹1。有关的反应式为

3Cu+8HNO3=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

（5）NO与O2的反应。用注射器在氧气袋中吸取氧气（制备），通过试管的支管注入约18mL的氧气，观察现象。有关的反应式为

2NO+O2=2NO2

（6）与碱的反应。当注入的O2使试管中的气体变为很浓的红棕色时，把烧杯里的稀硝酸换成稀NaOH溶液。将玻璃导管浸入溶液深处，用注射器吸取5mLNaOH溶液，通过支管注入试管，并打开止水夹1，观察现象。有关的反应式为

2NO2+NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O

NO+NO2+2 NaOH= NaNO2+H2O

【实验现象】

步骤1：浓硝酸与铜反应及NO2气体的制备。在烧杯中

加入100mL水，在具支试管中加入浓硝酸，具支试管

有白雾冒出，迅速塞紧单孔塞，倒立，将玻璃导管浸

入烧杯的水中。在试管底部有红棕色的气体产生，试

管口处生成绿色的硝酸铜溶液。此时，打开止水夹1，

试管内溶液被压入玻璃管中进入盛水的烧杯中，烧杯

中的水与浓硝酸混合成为稀硝酸。发生的反应有：

Cu+4HNO3=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

步骤2：NO2与水的反应。打开止水夹2，用

注射器吸取5mL的水，并经支管向试管内注射，迅

速关闭止水夹，并振荡试管后，气体颜色由红棕色

变成无色。此时打开玻璃管上的止水夹，烧杯内的

稀硝酸被挤压进试管中。发生的反应有：

3NO2+2H2O=2HNO3 +NO

铜与稀硝酸的反应，试管上部无色气体的量不断增

加，当气体集满试管时，稀硝酸被排出。关闭止水

夹1。有关的反应式为

3Cu+8HNO3=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2

步骤4：NO与氧气的反应。用注射器吸取空气，通

过试管的支管注入后，试管中气体由无色变成红棕

色。有关的反应式为：2NO+O2=2NO2

步骤5：与碱的反应。当注入的O2使试管中的气体变

为很浓的红棕色时，把烧杯里的稀硝酸换成稀NaOH溶液。将玻璃导管浸入溶液

溶液，通过支管注入试管，并打开

止水夹1，烧杯中NaOH溶液压入试

管，且红棕色气体变成无色。有关

的反应式为：

2NO2+NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O

NO+NO2+2 NaOH= NaNO2+H2O

四、实验分析讨论

实验中遇到的问题及解决方法

1.实验中所取用的具支试管规格略大，会导致浓硝酸所需用量多，不符合绿色

化学要求

问题分析：使用的具支试管过大，导致浓硝酸用量增多，与铜快速反应生成NO2，

难以控制其反应速率，并易出现安全性问题；

改进方法：（1）改用规格较小的具支试管；

（2）控制浓硝酸的加入量，避免反应速率过快或生成大量的NO2

气体，符合“绿色化学”的原则；