铜与浓、稀硝酸反应装置改进设计和测试评价

韩独石

（甘肃省白银市普通高中通用技术课程韩独石工作室，730799）

浙江省绍兴县柯桥中学的韩勇钢老师针对化学教材中铜与浓、稀硝酸反应实验装置存在的一些弊端，参考“套管实验”原理，设计制作了如图1和图2所示的铜与浓硝酸、铜与稀硝酸反应的实验装置，改进了实验方法，使实验效果大为提高。

“任何设计方案都有创新改进的可能性，好方案决不会仅有一个。”况且，创新的好方案不一定完美无缺，不一定再无革新的空间。为不断改进化学实验装置和方法，提高化学新课程实验教学效果，笔者结合技术设计的一般原理和方法，从优化功能、改变结构和材料方面改进了该方案。这是将技术思想和方法渗透到其他课程，实现通用技术与其他课程融合教学的有效措施。

一、发现和明确问题

设计促进技术的革新，“一项技术的创新需要设计，一个技术产品的更新需要设计”，因而，从通用技术课程中的技术设计视角来看，前面所述实验装置的创新及由此引起的实验方法改进，都属技术设计。韩勇钢老师设计的铜与浓稀硝酸反应的实验装置优点为“不会倒吸，有害气体不会外泄，保护了工作环境，反应在无氧条件下进行，使学生观察到了NO的‘庐山真面目’——无色气体，同时可使NO与O2结合生成NO2，检验了NO气体”。笔者以为，如果“不会倒吸”，那么有害气体必会“外泄”。因为“套管实验”只排除了因倒流引发试管爆炸的危险，并非解决有毒气体外泄造成环境污染的问题；既不倒流又不外泄的度，在实验操作中非常难把握，所以该实验装置在绿色环保功能设计上有点美中不足。

二、制订设计方案

受上述铜与浓硝酸、铜与稀硝酸反应的实验装置启发，运用废旧材料，按结构相同、材料不同设计出“套管配气囊实验装置”（如图3）和“套桶配气囊实验装置”（如图4）两种方案；也可按结构不同、材料也不同设计出另一种样式的“观察筒配可控气囊实验装置”（如图5）方案。前两个装置在继承“套管”技术的同时增加了具有防污染功能的气囊，适宜做制备NO2的实验；后一个装置是在保留气囊的同时改“套管”为“观察筒”，适宜做制备NO的实验。

三、制作所需材料

三种装置的共用材料为：5mL注射器管8支，30mL注射器管2支，橡胶塞2个，中号气球3个，小胶帽5个，控制夹1个，输液吊桶1个，输液观察筒1个，控制夹1个，输液导管、中性笔芯杆及乳胶管若干。

四、制作装置原型

（一）制作“套管配气囊实验装置”

1．将2支SmL注射器管通过输液导管连接在中间穿有橡胶塞的一截中性笔芯上，在其中1支注射器管的中间钻一对气孔，再将下端用1个注射器胶塞堵漏，作实验反应器；上面1支注射器供滴加试剂用，制成气体制备内管装置，如图3(a)所示。

2．在1支30mL注射器管上端侧面打孔，并用乳胶管作套管安装1短截中性笔芯杆作为导气嘴，给下端的安针嘴套上小胶帽，制成观测气体外管装置，如图3(b)所示。

3．将气体制备内管装置安装在观测气体外管装置上，再将由半截SmL注射器管套中号气球制成的气囊装置接在观测气体外管上端侧面的导气嘴上，组装成“套管配气囊实验装置”，如图3(c)所示。

（二）制作“套桶配气囊实验装置”

1．同前法，制成气体制备内管装置．如图4(a)所示。

2．在输液吊桶的盖子中间挖1个适当大小的圆孔，排气嘴上套着的橡胶帽不动，在滤气嘴上接一个气囊装置，给输液吊桶下端的输液嘴套上小胶帽封堵，制成观测气体外套桶装置，如图4(b)所示。

3．将气体制备内管装置安装在观测气体外套桶装置上，组装成“套桶配气囊实验装置”，如图4(c)所示。

（三）制作“观察筒配可控气囊实验装置”

1．将1支5mL注射器通过输液导管连接在中间穿有橡胶塞的1截中性笔芯杆上端，中性笔芯杆下端削尖以便滴加试剂，这样就制成了化学试剂滴加器（见图5左上）。

2．在1支30mL注射器管上端侧面打孔，并用乳胶管作套管安装一短截中性笔芯杆作为导气嘴，给下端的安针嘴套上小胶帽，制成气体制备管（如图5左下）。

3．截取输液器上的1个输液观察筒，在筒右端的“丫”形管直管端头套上附有控制夹的气囊装置，用小胶帽封堵“丫”形管斜管端头，制成N0观察与转换装置（如图5右）。

4．将化学试剂滴加器插入气体制备管内，在气体制备管的导气嘴上连接NO观察与转换装置，即组装成“观察筒配可控气囊实验装置”（如图5）。

五、技术测试与评价

（一）对“套管配气囊实验装置”和“套桶配气囊实验装置”测试

因这两个装置同构异形，选用“套管配气囊实验装置”进行铜与浓硝酸反应的实验操作：(1)气密性测试良好（过程略）。(2)拆开实验装置，给观测气体外管里加入约10mL浓氢氧化钠溶液，给气体制备内管装置的内管里加入一两片紫铜皮，上面1支注射器内吸人少许浓硝酸后把内管插入外管，然后将“套管配气囊实验装置”组装如初。(3)推动上面1支注射器推杆给内管滴加数滴浓硝酸，铜与浓硝酸反应产生的红棕色N02气从内管中部的两孔排出，使外管也迅速充满红棕色NO2。同时，多余的气体进入气囊使其慢慢鼓胀。(4)振荡实验装置，外管内的浓氢氧化钠溶液从内管中部的两孔进入内管，与其内的浓硝酸发生中和反应后，红棕色N02停止产生；继续振动，在外管里的红棕色慢慢褪去的过程中，气囊也渐渐被空气压扁。

（二）对“观察筒配可控气囊实验装置”测试

用“观察筒配可控气囊实验装置”进行铜与稀硝酸反应的实验操作：(1)拔掉橡胶塞，向气体制备管内投入几小粒碳酸钙颗粒和一两片紫铜皮，给上面1支注射器内吸人少许浓盐酸后把橡胶塞塞上。(2)给气体制备管内推人少许浓盐酸，碳酸钙颗粒上便有C02气体冒出，不一会气囊会慢慢鼓胀起来。(3)待气囊接近充圆时，换用另1支注射器慢慢滴加稀硝酸，不一会碳酸钙颗粒停止冒气，而铜片上开始产生无色气体NO。(4)少待片刻，若NO观察筒内看不到一丝红棕色时，筒内即为无色的NO气体。此时，用空注射器针头刺穿“丫”形管斜嘴上的小胶帽向观察筒内慢慢注入约5mL空气，观察筒内无色NO气体会渐渐变成显亮的红棕色N02。(5)关上控制夹，迅速换掉上面1支注射器并立即边振荡装置边给气体制备管内推人适量浓氢氧化钠溶液，不一会铜皮表面停止产生气泡，观察筒内的红棕色N02会慢慢倒吸人气体制备管内。(6)待红棕色由浓变淡到一定程度，打开控制夹，气囊会较迅速变扁。

（三）对两种铜与浓硝酸反应装置和一种铜与稀硝酸反应装置的综合技术评价

1．装置特点。

设计科学合理，实验操作简单；材料适宜加工，结构制作容易；废料利用，经济方便；实现了教具低成本微型化和试剂微量化。气囊的应用起到了防止有毒气体泄露的环保作用，彰显了绿色化学理念。铜与浓、稀硝酸反应的三种实验装置，是将创造性想象与批判性思维能力结合，对原有两种铜与浓、稀硝酸反应实验装置进行技术评价后，采用保留优点、改进不足和改变材料的技术方法，采取对结构既保留又改变、将实验方法既继承又创新的技术措施而设计制作的集综合功能于一体的技术作品。它的设计过程处处融合着对知识的整合、应用及物化过程，更体现了对实验装置不断评价、优化和类化的技术创新历程。

2．装置用途。

该装置主要用于NO、NO2气体制取及其性能对比实验，略微改装后还可做SO2、Cl2、H2S等常见有毒气体制备及其性质检验，创新的化学实验教具作为技术设计新作品，蕴含着丰富的技术思想和方法，所以在通用技术课程必修1和必修2的教学中，可作为案例使用。

*此文系甘肃省“十二五”2013年度规划课题《提高普通高中学生技术素养综合工程方略研究》（编号：GS[2013lGHB0120）的阶段性研究成果。