实验研究 浓硝酸与碳反应实验的新设计 曹爱娟 (唐山师范学院滦州分校 ,河北唐山063700) 摘要:为了弥补教材实验的不足,利用三颈瓶、干燥管、一次性注射器等仪器或用品,设计了浓硝酸与碳反应的实验装置 及实验方法,反应产生的气体可以被验证且全部被吸收,既避免了气体产物对教学环境的污染,又能提高实验教学效果。 关键词:浓硝酸与碳反应;实验设计;化学实验探究 文章编号:1005—6629(2015)5 —0072—03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B 现行高中化学教材 『】】‘‘硝酸” 一节在介绍硝 酸的氧化性时,针对浓、稀硝酸与金属铜反应设计 了课堂演示实验,效果很好,通过实验增强了学生 的感性认识,以及对该知识点的理解和记忆,深 受学生的欢迎。但在介绍硝酸与非金属反应,特别 是浓硝酸与碳的反应时,教材中只给出了相应的化 学反应方程式 ],没有相应的实验方法加以验证, 因而缺乏说服力,不利于培养学生的观察能力和 激发学生的学习兴趣,无助于学生对该知识点的 掌握。因此,笔者认为在教学中应该增加浓硝酸与 碳反应课堂演示实验。然而,做好该实验的关键 不外乎有以下三点:其一,必须是炽热的碳与热的 浓硝酸反应;其二,验证反应有二氧化碳气体生成 (二氧化氮的特征颜色是红棕色气体 ,通过观察 便知) ;其三,设法消除浓硝酸加热挥发出的酸蒸 气和反应所产生的二氧化氮有毒气体对教学环境 的污染。近些年来,尽管一些教师对浓硝酸与碳的 反应实验进行了重新设计与改进,但有的比较麻 烦,需要将浓硝酸内的水分吸收掉 ;有的没有考 虑到加热浓硝酸时挥发出的硝酸蒸气和瞬间产生 二氧化氮有毒气体对教学环境的污染 ;还有的 仪器复杂难于制作和组装 】。为此,我们对该反应 实验进行了研究和设计,解决了实验现象不佳和 环境污染等诸多问题,从而提高了教学效果。现将 实验方法介绍如下o 1 实验仪器和用品 三颈瓶 (250mL ) 1只;一次陛注射器 (20mL ) 2 只;注射器针头 (兽医用) 1根;单球干燥管 1支; 在这里,温度对微观分子运动的影响可以为 后续的 “化学反应速率” 等理论铺平道路,提供概 念支持。 4.3一个隐蔽的问题 事实上,在中学化学实验室里,依照实验操作 规程 (例如,禁止将滴管伸入液面以下 ) 是无法排 除对微观分子运动的干扰的。换言之,对实验规则 的遵守可能会引起实验误差。这是一个非常有趣 并且值得探讨的课题,也是一个隐蔽的问题。事实 上,我们在中学科学教科书中已发现了不少此类 问题 。 此类问题 的破解,不仅有助于公众理 解科 学 、学生学习理科,更有助于解释一般意义上限制 科学研究的一些 “惯习” 和文化因素;从而有助于 更多、更好的科学探索。 72 (浙江大学生物科学学院徐子叶等同学对实验 提供了帮助,特此致谢。论文还得到了浙江大学化学 系谢玉群副教授、浙江大学物理学系张寒洁副教授 的指导,在此一并致谢。) 参考文献 : 【111 胡美玲主编 .义务教育课程标准实验教科书· 化学(上 册) ( 第2 版) [M1.北京:人民教育出版社,2006:49. 【2】海道源 .液体中分子扩散现象演示法 L刀.物理教师, 1997,( 12 ) :6. [3] 冯锦湘,马琴芬 .分子扩散与温度有关对比实验 L刀. 物理教 师,1999,(5) :23. [41陈六平,韩世钧 .液体分子自扩散系数的预测 [J1.高 等学校化学学报,1999,( 2) :231~234. 【5】翁庆双,徐煌 .运用创造发明法改进化学实验的 6 个 案例 【J 1.化学教学,2014,(1) :55~58. 化 学教 学 20 15 年 第 5 期 实验研究 1、2 号橡胶塞各 1个;2、3 g-~ TL橡胶塞各 1个; 钢针 1根;玻璃棒 (15cm,略细,可插入玻璃管) 1 根;玻璃管 (10cm,略粗 ) 1根;酒精灯、酒精喷灯 各 1盏;铁架台、铁夹各 1个;橡胶管 (5cm) 1段; 小烧杯 (50mL) 2 只;钢丝钳 1把;火柴 1盒 浓硝酸 (69%) ;木炭 (烤羊肉串专用木炭) ; 碱石灰( 颗粒状) ;新制备的澄清石灰水;蒸馏水; 10%氢氧化钠溶液;凡士林 2仪器的加工与组装 2.1玻璃棒 的加工 取 1根钢针,用钳子剪断;用酒精喷灯将玻璃 棒 的一端加热,使其变软,然后将带尖的一段钢 针 (长 2cm) 尖端朝外镶嵌在玻璃棒内( 如图 1所 示 ) 带尖一 段钢针 玻璃棒 图 1嵌有钢 针的玻璃棒 2.2橡胶 塞的组装 取 3 号单孔橡胶塞,在孔内装入 10cm长的玻 璃管后,在橡胶塞大头端的玻璃管上装上 5cm长 的一段乳胶管;在嵌有钢针的玻璃棒上涂上凡士 林,然后从橡胶塞小头端的玻璃管内穿人 (如图 2 所示 ) 。 2.3组装干燥管 取 1个干燥管,在其细管上安装一个 2 号单 孑L橡胶塞,在干燥管内加入用蒸馏水润湿的碱石 灰颗粒 (如图 3 所示) 。 ——■ 玻璃管-{埘 图 3 组装干燥管 3实验装置 如 图 4 所示 。 镶嵌 一端 润湿 的碱石 灰颗 粒 热 的浓硝酸 图 4实验装置 4实验方法及其现象 将装置固定在铁架台上。 4.1注入 浓 硝 酸 取下带有玻璃棒的橡胶塞,向三颈瓶内加人 1.5~2mL 的浓硝酸。 4.2加热木炭 取 1块木炭 ( 要求直径比玻璃管内径大) ,扎 在玻璃棒的钢$-I-~ 后,用酒精灯的外焰加热木炭 ( 如图5 所示) ,当木炭被点燃后,迅速将带有玻 璃棒的橡胶塞紧紧塞在三颈瓶的中间瓶 口上 ( 如 图 4 所示) 。此时,要求木炭距浓硝酸液面 2cm左 右。 图 5加 热 木炭 4.3加 热浓 硝 酸 用酒 精 灯的外焰 加热 三 颈瓶 内的浓硝 酸 2~3s,当观察到三颈瓶内有白色的硝酸蒸气时,撤 离酒精灯。 4.4上提玻 璃棒 迅速上提玻璃棒,使炽热的木炭掉人热的浓 硝酸中(此时,钢针缩进到玻璃管内,如图 6所示) , 可观察到木炭在浓硝酸中剧烈燃烧 fC+4HNO (浓) 一cO2 T +4NO2 T +2H20],生成红棕色气体,说明 塑堕 一 有二氧化氮气体生成。 图 6炽热的木炭 落到热的浓硝 酸中 4.5二氧化碳 的检验 取 1支一次性注射器 (20mL ) ,吸入 2mL 的 蒸馏水,然后将注射器的针头插入到左侧橡胶塞 内( 如图 7所示) 。拉动注射器的活塞吸取三颈瓶 内的气体 18mL,取下注射器,在注射器的针头上 扎上一个 1号橡胶塞后,振荡注射器,使注射器管 内的二氧化氮气体全部被水吸收掉 (3NO +H O一 2HNO +NO) 。取下针头上的橡胶塞,将注射器管 内的液体全部排入到一只空的小烧杯内。接着再 将注射器管内的气体全部排人到盛有 20mL 澄清 石灰水的小烧杯中( 如图 8 所示) ,可观察到澄清 的石灰水变浑 [CO +Ca(OH)2一 CaCO3 l +H2O】, 由此说明碳与浓硝酸反应除生成二氧化氮气体以 外,还生成了二氧化碳气体。 74 图 7 用注射器吸取三颈瓶内的气体 CO 2 澄清石灰水 图8 检验 CO。气体 5有害物质的处理 待三颈瓶冷却后,用一次性注射器吸取 20mL 的氢氧化钠溶液,通过左侧橡胶塞注入到三颈瓶 内,反复振荡,使瓶内的有害气体和剩余的浓硝酸 全部被吸收掉。 6几点说明 6.1反 应器使 用三 颈瓶 的原 因 使用容积较大的三颈瓶作为反应器,可以保证 容器内有充足的空气,使炭块在反应前始终处于 燃烧或炽热状态;利用三颈瓶的一个瓶颈加人反 应物(炽热的炭) ,一个瓶颈消除污染,调节压强, 一个瓶颈吸取反应后的气体用作检验;实验现象 可见度大,便于学生观察。 6.2实验成功关键 通过反复实验发现,浓硝酸与炭容易发生反 应的关键是热的浓硝酸 (出现硝酸蒸气) 和炽热或 燃烧的炭,倘若二者中有一个温度不够,则会造成 实验失败。所以,为了保障炭块在反应前始终处于 燃烧或炽热状态,浓硝酸用量不能太大,一般 1.5~ 2mL 最为合适,在 3~5s 内,浓硝酸完全可以达到 实验所需的温度。 6.3钢针不会干扰实验 由于玻璃棒上镶嵌的钢针很短,在实验过程 中,先是被炭块包裹,随后是缩进到玻璃管内,不 会被腐蚀,也不会对整个实验造成干扰。 6.4蒸馏水的作用 由于二氧化氮和二氧化碳在水中的溶解度不 同,所以用蒸馏水吸收掉了二氧化氮气体 (其与水 反应生成的无色一氧化氮气体对二氧化碳的检验 无干扰 ) ,而保留了大部分的二氧化碳气体 (二氧 化氮在水中的溶解度远大于二氧化碳在水中的溶 解度 ) 。 参考文献: 【1]【2】课程教材研究所化学课程教材研究开发中心 .全日 制普通高级中学教科书·化学(必修加选修) ( 第二册) 【M].北 京:人 民教育出版社 ,2003:16,17. 【3】杨 玉麟 .碳与浓硝酸反 应的补充实验 LJ】.化学教育, 2001,22 ( 11) :8. [】4 贾绍明 .碳与浓硝酸反应的实验创新设计 U】.新课 程 研究 ( 基础教育 ) ,2008,(5) :38. [5】齐俊林 .碳在浓硝酸里燃烧实验 的新办法 U】.实验 教学与仪 器。1994 .(6) :35. 化 学教 学 20 15 年 第 5 期