实验五硝酸性质演示实验改进.docx

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实验五硝酸性质演示实验改进

实验五硝酸性质演示实验改进

一、探究问题的提出

铜与硝酸的反应,是高中化学必修教材第一册的第六章第四节“硝酸的性质”，在放有铜片的两支试管里,分别加入少量浓硝酸和稀硝酸,让学生观察实验现象。

通过实验现象可以很清楚的了解铜与浓硝酸和稀硝酸反应的本质，让学生直观清晰的掌握该知识点。

然而，对于该演示实验在实际操作起来却存在一下问题：

1.反应生成的NO2、NO直接排放到教室内,对人体有害、污染空气,因此不能任意排放到空气中；

2.由于一氧化氮气体极易与空气中的氧气化合而生成红棕色的二氧化氮气体，传统的铜与稀硝酸的反应实验直接在试管中进行，气体往往在液面上就变色，即使用排水法收集到一氧化氮气体也缺乏说服力，因为学生可以认为一氧化氮是二氧化氮与水生成的，所以学生很难从实验现象上直观得到的稀硝酸和铜反应生成无色一氧化氮的结论；

3.硝酸的用量问题，做稀硝酸与铜反应的实验时，究竟多少浓度的硝酸是最适合实验的，毕竟课堂时间有限，以最适合的浓度的硝酸最实验，一是可以节约时间，得到明显的实验效果，二是可以节约药品。

二、问题解决设想（思路）

对实验进行设计、改进，既能加强师生的环境保护意识，又能培养学生的分析能力、解决问题能力，激发学生的学习兴趣，同时也是对学生进行生态环境保护教育得好题材。

基于以上存在的三方面的问题，我们实验小组提出以下解决方案：

●硝酸浓度探究，通过对比不同浓度的硝酸与铜丝的反应，选取硝酸与铜丝反应生成一氧化氮的最适合浓度，便于实验。

可用改进后的u形管实验探究。

●对实验装置的改进是实验现象明显，让学生对硝酸的反应有更直接、客观的认识，在此设计了u型管实验，点滴袋实验。

三、实验设计方案

【实验内容】

第一部分—浓度选取实验

以u型管为实验主要仪器进行探究，步骤同下，通过变换硝酸的浓度，观察同样的时间内硝酸生成的多少来比较探究硝酸的最适浓度。

1、实验仪器改进实验

（1）u型管改进方案

用品：

u型管、分液漏斗、铜丝、稀硝酸、铁架台、橡皮塞

实验装置图：

实验步骤：

1、连接好仪器。

2、将绕成螺旋状的铜丝一端插入塞内。

3、在u型管中注入稀硝酸，盖上活塞，使液面在塞子下沿处且不在留有起泡为止，保证铜丝与稀硝酸接触时没有空气。

4、关闭活塞，加热，当铜丝上有气泡产生时停止加热，反应生成无色一氧化氮气体将稀硝酸排向长管，铜丝与稀硝酸脱离接触时反应结束。

5、用针筒注入空气，有棕红色气体生成。

6、最后由U形管B端管口加入过量的氢氧化钠固体,中和没反应完的硝酸并吸收氮的氧化物。

第二部分-用医用塑料点滴瓶进行优化了硝酸浓度值的实验

（1）从点滴瓶瓶口的小孔上插入注射器的针头，通过挤压软质点滴瓶排尽大部分的空气，再用注射器抽出剩余气体。

（2）从袋口插入两根粗铜丝，深度大约4cm，用10mL注射器从瓶口注入约6mL浓硝酸，将点滴瓶倒挂在铁架台上，可看到铜丝与浓硝酸剧烈反应，溶液变为蓝绿色，产生红棕色气体使软质点滴瓶慢慢鼓起。

（3）当NO2即将充满点滴瓶时，将点滴瓶倒转，正挂在铁架台上，此时铜丝与浓硝酸分离，反应停止。

（4）用注射器往瓶中加入约10mL水，振荡，此时可看到袋内气体变为无色，包装袋明显变瘪。

（5）用注射器往瓶中加入约15mL空气，可看到气体迅速变为红棕色，然后颜色又慢慢变浅，用另一个注射器往瓶中加入约8mL浓NaOH溶液，中和硝酸及吸收NO2气体。

【实验仪器及药品】

仪器：

干燥U形管若干，软质医用塑料点滴瓶，瓶橡皮塞若干，长胶头滴管，注射器，绳子，铁架台

药品：

浓硝酸，铜丝若干，粗铜丝两根，氢氧化钠溶液，氢氧化钠固体

【具体实验步骤、现象和分析】

实验步骤

实验现象

现象分析

第一部分.用U形管进行实验

1.实验所需稀硝酸浓度值的计算

根据文献所述，进行稀硝酸和铜反应的硝酸最适合浓度为4.8mol/L，估算成质量分数时约为23.2%；因此确定本实验中探究的稀硝酸浓度分别为：

20%，25%，30%，（实验中增加40%）。

2.稀硝酸的配制

按照上述浓度值的设定，将实验室中65%的浓硝酸用小烧杯和量筒配制成各60mL相应浓度的稀硝酸，待用。

3.进行硝酸浓度值的优化

分别将三根细铜丝从橡胶塞小头扎进并固定在橡皮塞上,铜丝露出部分卷成螺旋状，使铜丝总长度和卷后高度尽量一致；

将稀硝酸倒入U形管内,使液面差不多与管口相平；缓缓将插有铜丝的橡胶塞塞住U形管的一端管口,注意胶塞与硝酸间不能留有气泡；

然后，用去掉针头的针筒将U形管另一端的稀硝酸吸出去，装回原烧杯中。

用酒精灯预热U形管后集中加热反应发生端，此时用秒表计时，当液面与铜丝脱离时,反应停止，记录反应从开始到停止需要的时间。

（实验中产生气体量少，因此改用测量在相同时间内气体于U形管中的高度来表征反应速率）

（将空的长滴管伸入至U形管的底部,向反应端挤压滴管胶头鼓进空气；）试验中发现无法实现该步骤，改用针筒扎入胶塞，在反应结束后将适量空气股进U形管。

4.实验后续处理

最后由U形管另一端管口加入过量的氢氧化钠固体,中和没反应完的硝酸并吸收氮的氧化物。

（各浓度的稀硝酸从稀到浓依次重复上述实验步骤）

四种稀硝酸浓度下反应速率的对比如下表1所示

由于装置密封性好，胶塞与液面之间没有空气，另一端的大气压力就使吸出硝酸后液面保持不变；

稀硝酸与铜的反应较缓慢，需要进行加热才能加快反应，因此在没有加热前铜丝表面只产生极少量气泡；而加热后反应速率提高，反应速率加快。

表一

稀硝酸的百分数

实验现象描述

规律总结

现象

（加热4.5分钟的）气柱高度/mm

20%

反应十分缓慢，铜丝表面有极少量无色气泡冒出，加热后气泡明显增多，速率加快，并逐渐形成一无色透明的气柱，但是对于课堂演示而言费时仍过长；

胶塞周边几乎没有变黄，氧化程度较低；

注入空气后气体浅黄色，一段时间后浅黄色消失。

3

稀硝酸与铜的反应在常温下都十分缓慢，加热才能使反应较快进行。

随着稀硝酸浓度的增大，形成的气柱高度逐渐增大，但是当增大到40%时，于一开始浓度较大时会产生少量NO2，随着反应进行，硝酸浓度降低，则产生无色的NO；

硝酸具有氧化性，会将胶塞氧化。

因此，在浓度为20%时浓度较低，氧化性较低，胶塞的氧化程度低；但是随着浓度增大，胶塞的氧化程度逐渐增大，胶塞会变黄。

25%

室温下铜丝表面附着少量气泡，加热后气泡增多，逐渐形成一无色透明气柱，且同一时间内气柱高度大于20%的。

胶塞周边表面呈黄色，氧化程度较大；

注入空气后气体没有变成红棕色。

6

30%

情况与25%的类似，但是，同一时间内气柱高度大于25%的。

注入空气后气体也没有变成红棕色。

15

40%

铜丝表面先是产生少量黄色的气泡，随反应的进行气泡逐渐变成无色；形成的气柱呈很浅的棕黄色。

同一时间内气柱高度大于30%的；

胶塞氧化成黄绿色。

17

65%（浓硝酸）

反应开始进行时则产生较多气泡，但是仍十分缓慢，加热后，速率加快，但仍十分缓慢。

形成的气柱为十分浅的黄色，无明显红棕色，观察铜丝表面形成浅黄色气泡，周边溶液呈浅绿色。

一段时间后，产生的气泡逐渐减少，反应基本停止。

取出铜丝后发现铜丝表面形成一胶状薄膜。

胶塞氧化程度较大，呈较深的黄色；

浓硝酸的氧化性大，胶塞的氧化非常严重，硝酸的浓度下降使得反应后期绝大部分都只生成NO，所以气柱的颜色为无色透明。

由表1分析可得：

1.进行稀硝酸与铜的反应，硝酸的浓度应该控制在不产生NO2的情况下浓度尽量大些，因为这样可以加快反应的速率，便于教学展示。

因此在本实验中所用的稀硝酸浓度中30%较合适。

因此后续的塑料瓶实验中稀硝酸的浓度使用30%。

2.实验中使用的胶塞较易被硝酸氧化，这使得硝酸浓度降低，反应速率大大减慢；而且在铜丝表面形成的胶状薄膜将铜丝覆盖，使得反应不能继续进行，这些将使得反应进行十分缓慢。

形成的气体也是水蒸气较多，导致开始时产生的NO被稀释，加入空气后颜色变化十分不明显。

3.实验中使用的铜丝过细，与铜的接触面积小，反应慢；相比下与胶塞的氧化作用更强一些，因此硝酸被较快地稀释，而且细铜丝较易被杂质覆盖，妨碍反应的继续进行。

第二部分用医用塑料点滴瓶进行优化了硝酸浓度值的实验

1.从塑料瓶口插入注射器的针头，通过挤压塑料瓶排尽大部分空气，再用注射器抽出剩余的气体；在瓶颈和瓶底用绳子绑住，方便吊挂。

2.从袋口插入两根粗铜丝，深度大约为4cm，再用10mL注射器从袋口注入约10mL浓硝酸。

3.将塑料瓶倒挂在铁架台上，待气体即将充满塑料瓶后将瓶子倒转，正挂在铁架台上，观察实验现象。

4.用注射器往瓶中加入约20mL水，振荡并观察实验现象。

5.再用注射器往瓶中注入空气，观察并记录现象。

6.实验结束后，将针头扎进瓶子，向着通风橱，并用另一注射器往袋中加入适量浓氢氧化钠溶液，中和硝酸以及吸收剩余的气体。

将浓硝酸换成30%的稀硝酸重复上述步骤1和2。

3.将塑料瓶倒挂在铁架台上，用水浴加热的方法加热反应装置。

待气体产生较多时倒转瓶子，使反应停止，并正挂在铁架台上，观察实验现象。

4.用注射器往瓶中注入空气，观察并记录现象。

5.再用注射器往瓶中加入约20mL水，振荡并观察实验现象。

6.实验结束后，重复上述步骤6

→

加入浓硝酸后，反应剧烈进行，产生大量红棕色气体，逐渐充满整个塑料瓶；溶液逐渐变成蓝绿色；

→

倒转塑料瓶并加入水后塑料瓶变扁，红棕色气体颜色逐渐变浅至无色；

再通入空气气体又变成红棕色，振荡塑料瓶后红棕色变浅。

→

在常温下反应缓慢，有少量气泡冒出；

水浴加热后反应加快，产生气体为无色透明，溶液逐渐变成浅蓝色；

挤进少量空气后，气体变成红棕色，振荡塑料瓶后气体红棕色变浅。

四、实验总结与思考

1、稀浓硝酸的界定：

高中化学课程中，铜与浓稀硝酸的反应实验在整个教学中占有很重要的地位，同时也是教学大纲中要求学生必须掌握的实验。

但教师在准备演示实验时不方便，在给同学演示这实验时，也会给同学很模糊的浓稀概念。

这样我们就有必要去探讨一下硝酸的浓稀界限，因此我们选用了U型管装置来进行实验探究，对此，我们也进行了资料查找，一般我们认为浓稀之间的界线是6mol/L，通过用改进实验装置来探究硝酸的浓稀界限，得出硝酸的浓稀界限为4.8mol/L。

2、本套实验演示装置改进后的意义：

（1）这套实验演示装置的改进和创新，构思巧妙，取材方便，装置简单，操作简便，耗时短，节约环保，现象明显，便于观察，随用随停，非常适合学生分组实验和教师上课演示实验。

（2）改进后的实验演示装置真正实现了在隔绝空气条件下铜分别与浓、稀硝酸的反应，让学生能够非常清楚地观察到了NO气体的真实颜色。

（3）此套演示装置克服了传统实验的许多缺陷，而且还整合了铜分别和浓、稀硝酸的反应、一氧化氮与氧气之间的反应及二氧化氮与水的反应等多个实验于一体，实用性强，在中学化学教学中具有很好的推广价值。

3、在我们组的改进实验之中，采用到医用的软质点滴瓶代替试管作为反应仪器，它主要有以下三个优点：

a.软质医用点滴瓶，其塑胶材料较好，不易被硝酸氧化，耐强酸强碱腐蚀，透明度好，能很好地观察到的实验现象为硝酸和铜丝的反应；

b.硝酸与铜丝反应会生成气体，接近真空的干瘪的点滴袋慢慢膨胀，当注入空气时能瞬间看到无色气体变成红棕色，现象明显；

c.操作方便，成功率高，在课堂展示时可以让学生到讲台操作体验。

从我们的实验结果来看，使用医用软质点滴瓶的实验效果非常明显，该方法在课堂演示实验中值得推广，但要注意的是医用点滴瓶毕竟是医院使用过的废弃医用仪器，在用作实验仪器之前，要注意清洁干净，以免不慎弄伤造成细菌感染。

4、实验中遇到的问题及解决方法：

（1）在U形管中开展实验时为什么能看到大量气泡但是注入空气后却不能看到气体颜色变成红棕色？

分析：

塞子为新普通软胶塞，硝酸会先与软胶塞反应，产生气体非NO气体，所以注入空气后看不到实验现象。

改进方法：

可以用一层蜡封住软胶塞浸入硝酸的部分，阻止硝酸与软胶塞的反应。

同时换用更粗的铜丝，能加快反应，减少时间的消耗。

（2）文献中用胶头滴管鼓进空气为什么无法实现？

你有什么改进方法吗？

分析：

我们实验所用的u型管的口径比较小，胶头滴管无法深入u型管的底部，无法成功鼓进空气。

改进方法：

注射器先吸取定量的空气，用针头直接从软胶塞的上部戳进胶塞的底部，再将空气注入。

由于针孔较小，不会使NO泄露，同时又能观察到实验的现象。

（3）用点滴塑料瓶进行稀硝酸与铜的反应时，产生气体速率过慢，耗时太长。

改进方法：

对点滴塑料瓶进行水浴加热，加快反应速率。

5.中学化学有毒实验绿色设计思考：

化学实验过程中常常会伴随有气体液体或固体产物的生成，而这些产物中许多是属于有害或有毒的物质，特别是有毒气体不仅会直接影响到师生的健康，而且逸散到空气中还会对大气造成污染，正如在利用实验研究金属铜与浓稀硝酸的反应时，若按照教材的实验操作，将会产生一定量的二氧化氮或一氧化氮气体，危害师生身体健康并污染大气环境如果从绿色化学的角度出发，把此实验进行改革，既可明显地观察到发生的现象，掌握铜与浓稀硝酸反应的实质，又能避免二氧氮或一氧化氮的逸出，消除对环境污染的危害，并通过教学逐步向学生渗透绿色化学的意识。

化学实验中，师生都要接触有害物质和无害物质，在实验中也会闻到有害和无害气体因此，必须指导学生要严格按照实验操作的程序，有条不紊地进行各种实验，正确地闻气体取药品取有毒性原料，甚至如何盖瓶盖、放置试剂、取药品的各种工具的选用、取用药品量的多少都要向学生交代清楚；改进实验方法，设计合理的实验装置。

尽量采用封闭措施，减少师生被动接受有毒有害气体的污染。

在制取有毒气体时一定要通过演示实验讲清吸收的原因（有害气体不允许直接排放到大气中），强调尾气吸收的重要性，使学生深深认识到只要涉及气体的制备问题就应考虑尾气处理。

6、关于中学化学实验教学反思

随着新课程改革的深入,在化学实验教学中存在的问题也越来越明显,化学实验教学在很多学校不是被强化了,而是弱化了。

其中原因除了容易在实验过程以及分组出现问题外,还与学校领导的管理,以及相关教育主管部门和高考评价机制等有关系。

作为一个中学老师，教师必须进一步提高认识,在平时实验教学过程中还要不断反思,锐意改革,根据学校的实际情况不断改进化学实验教学方法，及时发现学生操作上的错误,让学生体验实验的情境,加深对化学知识的理解，确保每位学生掌握必备的化学基本实验技能和探究能力基础之上,能让学有余力的学生充分挖掘自己的潜能。

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