铜与稀硝酸反应实验的探究

  樊耀平

常州市武进区洛阳高级中学  213104

摘要：铜与稀硝酸反应实验的成功与否，对学生学习硝酸的氧化性有着重要的影响。本文从温度、浓度、催化剂多角度探究，完善铜与稀硝酸反应。

关键词：实验探究   改进

一、实验在教学中的作用和地位

硝酸的强氧化性是中学化学教学的重要内容。浓、稀硝酸与铜的反应也是重要的演示实验,通过演示实验可以形成鲜明的对比，使学生掌握不同浓度的硝酸的强氧化性。苏教版教材采用试管实验，如图1装置。在课后“练习与实践”中，对铜与稀硝酸反应已有初步的改进，但还不够完善，存在大气污染。

二、存在的问题

1、教材中的试管实验，铜和稀硝酸反应,由于试管内存在空气, 只能观察到红棕色气体,观察不到无色气体。

2、反应不能自行停止, 只能等到硝酸或者铜片反应完, 浪费药品。

3、NO，NO₂是大气污染物，随意排放不利于师生健康，又污染空气。

三、实验探究

1、实验用品

仪器：U形管、单孔橡皮塞、直型分液漏斗、铁架台、漏斗、注射器、药匙。

药品：稀硝酸、铜丝圈、亚硝酸钠晶体、5%NaOH溶液。

2、实验的反应原理及改进装置

（1）主要反应原理：

   3Cu+8HNO₃（稀）＝3Cu(NO₃)₂+2NO↑+4H₂O

 2NO＋O₂＝2NO₂                                      

   （2）装置，图2 

     在此装置中，U形管右端能收集到无色气体，打开分液漏斗活塞，直型分液漏斗中看到明显的红棕色。有助于学生对铜与稀硝酸反应产物的判断。但是，通过实验发现，在此装置中，铜与稀硝酸反应收集NO气体缓慢，从反应开始到溶液脱离铜丝，时间过长。

3、针对影响化学反应速率的因素----浓度，温度，催化剂逐一研究。

（1）浓度

苏教版教材中没有指明稀硝酸的浓度，浓度过低，不利于反应发生，浓度过高，会产生NO₂ 气体。通过实验，找到最合适的浓度。

表1 不同浓度硝酸对反应速率影响（室温下10℃）

（2）温度

在室温下进行实验，温度较低，反应缓慢。水浴加热，对比反应时间。根据不同浓度对实验影响结果，选择4mol/L、5mol/L、6mol/L硝酸，做对比试验。

表2 水浴加热对反应速率影响（40℃）

硝酸浓度（mol/L）	液面脱离铜丝时间（min)	现象
4	10	溶液变蓝，产生无色气体
5	4	溶液变蓝，产生无色气体
6	2	溶液变蓝，产生淡红棕色气体

（3）催化剂

①　通过查阅武汉大学版《无机化学》P₆₆₆页发现，NO₂在此反应中起催化剂作用，NO₂起传递电子作用：

        Cu-2e^-==Cu²⁺

        NO₂+ e-  == NO₂^-

        NO₂^-+H⁺== HNO₂

        HNO₂+ HNO₃==H₂O+2NO₂

硝酸通过NO₂获得还原剂的电子，反应加速。

但由于先期产生的NO与NO₂在水溶液中反应，生成 NO₂^-：NO+NO₂+H₂O==2HNO₂ ，所以，反应开始阶段收集不到NO。重复操作时，溶液中有一定量的NO₂^-，使反应加快。

②　 NO₂^-离子的存在检验。用试管取2ml酸性高锰酸钾溶液，用滴管吸取U形管中少量反应后溶液，加入试管，酸性高锰酸钾溶液褪色，反应原理是：

2MnO₄^-+5NO₂^-+6H⁺==2Mn²⁺+5NO₃^-+3H₂O。另取少量反应液，逐滴加入氢氧化钠溶液至开始产生蓝色沉淀时，再滴加AgNO₃溶液，产生白色沉淀；最后，滴加稀HNO₃，沉淀溶解。反应原理是： Ag⁺+ NO₂^-==AgNO₂↓ AgNO₂+H⁺== Ag⁺+ HNO₂

表3 NaNO₂晶体对反应速率影响（室温下10℃）

硝酸浓度（mol/L）	液面脱离铜丝时间（min)	现象
4	8	溶液变蓝，产生无色气体
5	6	溶液变蓝，产生无色气体
6	3	溶液变蓝，产生淡红棕色气体

4、实验步骤

(1)将仪器按照装置组装好，图2。

(2)将直型分液漏斗活塞打开 ，U形管加入少量NaNO₂晶体，从U形管的左管口注入稀硝酸，一直注入到液面接触直型分液漏斗活塞下沿，赶走U形管中的空气，关闭直型分液漏斗活塞；

(3)一段时间后可观察到U形管右管上方有无色气体；当反应到一定程度时，稀硝酸与铜丝脱离接触，反应自动停止，图3

  (4)将直型分液漏斗活塞慢慢打开，直型分液漏斗中有红棕色气体出现，图4，U形管的左管中的稀硝酸液面下降；

 (5)实验完毕后,将直型分液漏斗取下， 向直型分液漏斗中加入NaOH溶液，吸收NO₂气体。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5、实验结论

通过实验探究发现，5mol/L硝酸浓度最佳。在水浴和催化剂条件下，反应都明显加快。在此，采用加催化剂简洁、有效的手段完成实验。反应前，在U形管中加少量NaNO₂晶体，可加快反应，适合边讲边实验。

四、实验优点

1、装置简单，操作方便，成功率高。2、铜与稀硝酸反应生成无色气体，解决教材实验生成红棕色气体问题，说服力强。3、整个装置污染小，有害气体直接吸收，安全可靠。4、整个实验时间合适，便于课堂演示 。