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一、教材实验
现行人民教育出版社化学室编著的《化学》第二册(2007年1月第2版)第14页[实验1-7]:在两支试管中各放入一小块铜片,分别加入少量浓硝酸和稀硝酸,立即用带导管的胶塞塞住试管口,并将导管通入另一盛有NaOH溶液的试管(如下图)。观察发生的现象。反应片刻后,将加入稀硝酸的试管上的胶塞取下,使空气进入试管,观察发生的现象。
三、实验改进方法——注射器法
反应用品:两个50mL的小烧杯,两个20mL的注射器,试管,试管夹,酒精灯,气球。
实验药品:4片铜片(铜片大小以面积计:每片为7mm×10mm),7.5mol/L的稀硝酸(质量分数为38%左右或体积比为1:1,现用现配),14.6mol/L浓硝酸(质量分数为65-68%)。
实验步骤:
1.铜与稀硝酸反应
①在一支干燥洁净的注射器中放入两片铜片,安上活塞杆并反复推拉(提醒学生观察注射器中空气为无色),最后推到底(示意学生排尽空气),在一个50mL的小烧杯中倒入10mL的 7.5mol/L的稀硝酸。
②用注射器一次将稀硝酸吸尽(注意不能吸入空气),把注射器放在小烧杯中(见上图I),观察发生的现象。
③待反应结束后,提起注射器,推动注射器的活塞杆,将注射器中的溶液排入小烧杯中(如果注射器中没有溶液则不用此步操作),让学生观察注射器中气体的颜色。
④小心拉动注射器活塞杆,吸入稍过量的空气,让学生再观察注射器中气体的颜色。
⑤余气处理可采用书中方法。
2.铜与浓硝酸反应
①在另一支干燥洁净的注射器中放入两片铜片,安上活塞杆并反复推拉(提醒学生观察注射器中空气为无色),在一个50mL的小烧杯中倒入10mL的14.6mol/L的浓硝酸。
②用注射器一次将浓硝酸吸尽(注意不能吸入空气),把注射器放在小烧杯中,观察发生的现象。
③待反应结束后,取浓硝酸与铜反应生成的绿色溶液于试管中,并在试管口套一个气球,在酒精灯上加热试管,观察发生的现象。
④余气处理可采用书中方法。
注意:提醒学生对比观察两支注射器中的反应激烈程度,溶液的颜色以及气体产物的颜色。
实验现象:反应开始后,两支注射器中都有气泡产生。但可以明显看到:
①加浓硝酸的注射器中反应剧烈,溶液呈绿色,产生红棕色的气体;还可看到红棕色的气体迅速增多,绿色溶液被排回到小烧杯中,当溶液被排尽后,注射器中充满了红棕色的气体。加热试管中反应后的溶液,可看到试管中充满了红棕色的气体,试管中的溶液由绿色逐渐变浅,最后变成蓝色。
②加稀硝酸的注射器中反应相对缓慢,溶液呈蓝色,产生的气体呈无色,注射器中的蓝色溶液被排到小烧杯中,当反应结束后,注射器中充满了无色的气体;当拉动注射器活塞杆吸入一定量空气后,立即看到气体由无色变成红棕色。
四、实验改进说明及问题探讨
①如用稀硝酸的浓度为7.5mol/L,体积为10mL,则只需两片铜片(铜片大小以面积计:每片为7mm×10mm,切记!下同),产生的气体就可以将注射器中的溶液大部分排回小烧杯。如果稀硝酸的浓度太小,则反应速率慢,耽误时间;如果铜片取太多,则会增大反应的接触面,加快反应速率,使反應不易控制,导致溶液很快被排出注射器,不利于学生观察反应过程,同时也容易使产生的气体扩散到空气中,引起环境污染。
②所用浓硝酸的浓度要大于14.6mol/L,体积为10mL,此时仅需二片铜片,反应现象明显,利于学生观察反应的过程、产生的气体颜色和生成溶液的颜色。如果铜片取得太多,由于反应接触面大,反应剧烈,产生的NO2气体不但会将溶液迅速排回小烧杯,并且可能导致NO2也部分扩散到空气中,造成环境污染,这就没有达到实验改进的目的,也不符合“绿色化学”的要求。
③反应过程中,观察到浓硝酸与铜反应生成的溶液呈绿色,而稀硝酸与铜反应生成的溶液呈蓝色。可迁移对比:浓硝酸本身呈无色,因溶有硝酸分解产生的NO2而呈黄色。稀硝酸与铜反应生成的溶液颜色是铜离子的水溶液颜色——呈蓝色;浓硝酸与铜反应除生成铜离子外,同时产生的气体是NO2,NO2又溶解在铜离子的蓝色溶液中,从而使浓硝酸与铜反应生成的溶液呈绿色。当加热所得的绿色溶液,让NO2挥发离开溶液,可看到溶液逐渐变为蓝色,试管中充满了红棕色的气体。
④实验后的废气和废液的处理:可将废液倒入一定量的氢氧化钠溶液中,并将注射器中的气体排入此溶液,最后流水冲洗注射器的内外壁、活塞杆和小烧杯,以减少对环境的污染。
⑤不论是做浓硝酸与铜的反应,还是做稀硝酸与铜的反应,整个反应过程一定要将注射器放入到小烧杯中,让学生观察现象。因为注射器的注射筒与活塞杆之间的摩擦力较大,反应过程中产生的气体不能推动活塞杆,溶液只能从从注射器的前端排出。在反应过程中如果将注射器拿离小烧杯,很可能导致反应溶液被产生的气体排出,洒到地板上、学生身体上及学习用具上,发生安全事故等不良后果。(责任编辑:张华伟)
现行人民教育出版社化学室编著的《化学》第二册(2007年1月第2版)第14页[实验1-7]:在两支试管中各放入一小块铜片,分别加入少量浓硝酸和稀硝酸,立即用带导管的胶塞塞住试管口,并将导管通入另一盛有NaOH溶液的试管(如下图)。观察发生的现象。反应片刻后,将加入稀硝酸的试管上的胶塞取下,使空气进入试管,观察发生的现象。
三、实验改进方法——注射器法
反应用品:两个50mL的小烧杯,两个20mL的注射器,试管,试管夹,酒精灯,气球。
实验药品:4片铜片(铜片大小以面积计:每片为7mm×10mm),7.5mol/L的稀硝酸(质量分数为38%左右或体积比为1:1,现用现配),14.6mol/L浓硝酸(质量分数为65-68%)。
实验步骤:
1.铜与稀硝酸反应
①在一支干燥洁净的注射器中放入两片铜片,安上活塞杆并反复推拉(提醒学生观察注射器中空气为无色),最后推到底(示意学生排尽空气),在一个50mL的小烧杯中倒入10mL的 7.5mol/L的稀硝酸。
②用注射器一次将稀硝酸吸尽(注意不能吸入空气),把注射器放在小烧杯中(见上图I),观察发生的现象。
③待反应结束后,提起注射器,推动注射器的活塞杆,将注射器中的溶液排入小烧杯中(如果注射器中没有溶液则不用此步操作),让学生观察注射器中气体的颜色。
④小心拉动注射器活塞杆,吸入稍过量的空气,让学生再观察注射器中气体的颜色。
⑤余气处理可采用书中方法。
2.铜与浓硝酸反应
①在另一支干燥洁净的注射器中放入两片铜片,安上活塞杆并反复推拉(提醒学生观察注射器中空气为无色),在一个50mL的小烧杯中倒入10mL的14.6mol/L的浓硝酸。
②用注射器一次将浓硝酸吸尽(注意不能吸入空气),把注射器放在小烧杯中,观察发生的现象。
③待反应结束后,取浓硝酸与铜反应生成的绿色溶液于试管中,并在试管口套一个气球,在酒精灯上加热试管,观察发生的现象。
④余气处理可采用书中方法。
注意:提醒学生对比观察两支注射器中的反应激烈程度,溶液的颜色以及气体产物的颜色。
实验现象:反应开始后,两支注射器中都有气泡产生。但可以明显看到:
①加浓硝酸的注射器中反应剧烈,溶液呈绿色,产生红棕色的气体;还可看到红棕色的气体迅速增多,绿色溶液被排回到小烧杯中,当溶液被排尽后,注射器中充满了红棕色的气体。加热试管中反应后的溶液,可看到试管中充满了红棕色的气体,试管中的溶液由绿色逐渐变浅,最后变成蓝色。
②加稀硝酸的注射器中反应相对缓慢,溶液呈蓝色,产生的气体呈无色,注射器中的蓝色溶液被排到小烧杯中,当反应结束后,注射器中充满了无色的气体;当拉动注射器活塞杆吸入一定量空气后,立即看到气体由无色变成红棕色。
四、实验改进说明及问题探讨
①如用稀硝酸的浓度为7.5mol/L,体积为10mL,则只需两片铜片(铜片大小以面积计:每片为7mm×10mm,切记!下同),产生的气体就可以将注射器中的溶液大部分排回小烧杯。如果稀硝酸的浓度太小,则反应速率慢,耽误时间;如果铜片取太多,则会增大反应的接触面,加快反应速率,使反應不易控制,导致溶液很快被排出注射器,不利于学生观察反应过程,同时也容易使产生的气体扩散到空气中,引起环境污染。
②所用浓硝酸的浓度要大于14.6mol/L,体积为10mL,此时仅需二片铜片,反应现象明显,利于学生观察反应的过程、产生的气体颜色和生成溶液的颜色。如果铜片取得太多,由于反应接触面大,反应剧烈,产生的NO2气体不但会将溶液迅速排回小烧杯,并且可能导致NO2也部分扩散到空气中,造成环境污染,这就没有达到实验改进的目的,也不符合“绿色化学”的要求。
③反应过程中,观察到浓硝酸与铜反应生成的溶液呈绿色,而稀硝酸与铜反应生成的溶液呈蓝色。可迁移对比:浓硝酸本身呈无色,因溶有硝酸分解产生的NO2而呈黄色。稀硝酸与铜反应生成的溶液颜色是铜离子的水溶液颜色——呈蓝色;浓硝酸与铜反应除生成铜离子外,同时产生的气体是NO2,NO2又溶解在铜离子的蓝色溶液中,从而使浓硝酸与铜反应生成的溶液呈绿色。当加热所得的绿色溶液,让NO2挥发离开溶液,可看到溶液逐渐变为蓝色,试管中充满了红棕色的气体。
④实验后的废气和废液的处理:可将废液倒入一定量的氢氧化钠溶液中,并将注射器中的气体排入此溶液,最后流水冲洗注射器的内外壁、活塞杆和小烧杯,以减少对环境的污染。
⑤不论是做浓硝酸与铜的反应,还是做稀硝酸与铜的反应,整个反应过程一定要将注射器放入到小烧杯中,让学生观察现象。因为注射器的注射筒与活塞杆之间的摩擦力较大,反应过程中产生的气体不能推动活塞杆,溶液只能从从注射器的前端排出。在反应过程中如果将注射器拿离小烧杯,很可能导致反应溶液被产生的气体排出,洒到地板上、学生身体上及学习用具上,发生安全事故等不良后果。(责任编辑:张华伟)