“绿色反应”在化学教学中的应用——以铜与硝酸反应的改进为例

　　一、问题的提出

　　化学实验因其简便的操作，魔术般令人印象深刻的现象而深受学生的喜欢。但是化学实验中经常用到或产生有害、有毒的物质，操作不当或者保护措施不到位，就会危害教师和学生的身心健康，大大降低实验带给学生的愉悦感。因此，教师需要对实验精心设计准备，贯彻“绿色环保”理念，力求把污染和危害降到最低。本文以鲁教版高中化学1中铜与稀硝酸的反应为例，来探讨“绿色反应”在化学实验教学中的应用。铜与硝酸的反应是化学教学中较为重要的一个演示实验，教材中演示实验方案为：在2支试管中各放入一小块铜片，分别加入少量的浓HNO3和稀HNO3，立即用浸有NaOH溶液的棉花塞住试管口，观察发生的现象。

　　在加入浓HNO3的试管中的反应为：

　　Cu+4HNO3（浓）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

　　实验现象为：反应剧烈，溶液变绿，有大量红棕色气体产生。此实验的缺点是产生的有毒气体NO2很容易溢散到空气中，造成严重的污染。

　　含有稀HNO3的试管中的反应则为：

　　3Cu+8HNO3=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O；2NO+O2=2NO2

　　该反应的现象理论上应该是，反应缓慢，溶液变蓝，有无色气体产生，试管口呈红棕色。但在实际的操作中，也存在许多缺陷：（1）由于试管中的空气没有排除，所以反应开始后就会观察到红棕色气体产生，学生无法观察到无色气体的产生，实验现象与理论无法吻合；（2）反应不易控制，是一种定性反应，反应一旦开始就只好任由反应进行下去，直到反应物铜或稀硝酸消耗完为止，常常教学过程结束了，化学反应仍继续进行着，浪费了实验药品；（3）反应产生的气体不能被蘸有NaOH溶液的棉花完全吸收，装置拆除时气体会污染教室内的空气，对教师和学生身体造成伤害。

　　不少教师注意到了演示实验的缺陷，提出了不少改进方法或者设计了新的装置[1-3]，但是仍然不理想，如装置所用材料虽然价廉，但组装较为复杂、操作不简便、反应不易控制，药品用量大等。因此有必要对该实验进行改进优化，达到操作简便、易于控制、节约药品、“绿色环保”的要求。

　　二、试验材料及药品

　　材料：铁架台，烧杯，分液漏斗，橡胶塞，塑料滤网，橡胶管，玻璃导气管，2支10mL注射器。

　　药品：浓HNO3（16mol/L），稀HNO3（4mol/L），铜片，NaOH溶液(6mol/L)。

　　三、实验演示

　　1 实验装置：如图1所示

　　a：HNO3；1b：NaOH；2：分液漏斗；3：注射器；4：铁架台；

　　5：止水夹

　　2 实验步骤及现象：

　　2.1 橡胶塞、玻璃导气管、橡胶管、注射器依次连接，橡胶管加上止水夹。

　　2.2 将5g铜片放入分液漏斗中（球形颈底部放有塑料滤网），用铁架台固定分液漏斗，分液漏斗的下端插入盛有5mL浓HNO3的烧杯中，橡胶塞塞入分液漏斗的端口中，导气管另一端塞入盛有50mLNaOH溶液的广口瓶中。

　　2.3 关闭止水夹5b和5c，打开止水夹5a和分液漏斗活塞，用注射器慢慢抽取分液漏斗内的空气，浓HNO3沿着分液漏斗慢慢上升，直到全部抽到漏斗的球形颈中，停止抽拉注射器，立即关闭止水夹5a和分液漏斗活塞，反应剧烈发生，溶液变绿色，有红棕色气体产生；

　　2.4 反应停止后，打开止水夹5b和5c，取一支注射器插入5c处抽气，将红棕色气体抽入广口瓶中，一段时间以后，看到气体颜色逐渐变浅，最后变为无色。

　　实验原理是：2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O。

　　2.5 反应终止后，将分液漏斗活塞和止水夹5a打开，溶液回流到烧杯，注射器取少量水冲洗分液漏斗和铜片。将分液漏斗的下端插入盛有20mL稀硝酸的新烧杯中。

　　2.6 关闭止水夹5b和5c，打开止水夹5a和分液漏斗活塞，用注射器慢慢抽取分液漏斗内的空气，稀硝酸沿着分液漏斗慢慢上升，直到覆盖铜片，停止抽拉注射器，关闭止水夹5a和分液漏斗活塞，铜片逐渐溶解，表面有无色气泡产生，溶液变蓝色；

　　2.7 反应停止后，打开止水夹5b和5c，取一支注射器插入5c处抽气，可以看到广口瓶中有红棕色气体产生，一段时间以后，看到气体颜色逐渐变浅，最后变为无色。实验原理是：3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O；2NO+O2=2NO2；

　　2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O。

　　四、改进优点

　　本设计优点非常明显：操作方便、实验现象明显清晰，装置封闭、简约环保。注射器抽取分液漏斗内的空气，同时将稀HNO3缓慢吸进分液漏斗，直到覆盖铜片，停止抽拉注射器，关闭分液漏斗活塞，这样既避免了生成的NO被空气氧化生成红棕色的NO2，也可以很好地控制反应。此外，反应液可以转移，避免污染烧杯中的硝酸，实现实验的相对定量以节约药品，容易实现多次重复操作，适于多班化教学；对反应过程中和反应结束后的有毒气体进行了充分吸收处理，避免了空气污染，体现了“绿色化学”思想，培养了学生的环保意识。

　　本篇所设计的铜与稀硝酸反应的实验方案，将实验教学与环境保护和“绿色化学”教育巧妙的结合在一起，以现行教材为载体，把绿色教育融入到化学教学中。课堂是教师向学生传递“绿色化学”理念的主阵地，教师要加强对实验的研究和设计，尽可能实现化学反应的“绿色化”，既增强了学生的环保意识，又有助于学生思考问题，增强学生的参与感。

　　参考文献：

　　[1]于永民，邹正良，李胜荣.铜与浓、稀硝酸反应实验装置的创新设计[J].化学教育，2015，36（1）：65-66.

　　[2]潘祥泰.NO的制备和性质实验的改进与创新[J].化学教学，2014，（2）：44-45.

　　[3]王玉芬.在注射器中进行铜和硝酸反应实验[J].化学教学，2013，（7）：41-42.

　　刘全

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