首页 -> 2008年第5期

碳与浓硝酸反应的实验创新设计

作者：贾绍明

　　浓硫酸、浓硝酸分别与铜反应的实验表明，它们有强氧化性，而现行教材中对浓硫酸、浓硝酸分别与碳等非金属反应的介绍意在更好地说明这类酸的强氧化性，遗憾的是这部分内容只限于反应介绍而无相应演示实验，说服力有限，给教学带来了一些不便。如果能在课堂上补充这一实验，肯定能为教学增色不少。为此，笔者查阅了资料，发现已经有一些公开发表的“碳与浓硝酸反应”的实验设计方案，但这些方案往往存在着仪器生僻、装置烦琐、效果欠佳和污染严重等诸多不足，不仅增加了实验操作的难度，而且影响了教师的教学积极性和学生的学习兴趣。于是，笔者重新设计并完成了该实验，以下即是在实验设计中巧妙解决难题的一个小结，供同行参考。
　　
　　（一）有关难题及其妙解
　　难题1：主反应的有效证明。
　　在碳与浓硝酸反应的同时，往往伴随着浓硝酸的分解，即
　　C+4HNO₃=4NO₂ +CO₂ +2H₂O
　　红棕色 无色
　　4HNO₃=4NO₂ +O₂ +2H₂O
　　红棕色 无色
　　因为两个反应都产生NO₂，所以主反应的发生就不能简单通过观察红棕色气体的产生来判断，而应该通过检验CO₂加以确认。如果用澄清石灰水，一方面CO₂在整个气体混合物中所占比例小于20%，另一方面NO₂的溶解会优先消耗掉碱，那么检验CO₂必须在主反应装置以外的地方进行，且使用较浓的氢氧化钡溶液比用澄清石灰水更好，其反应方程式为
　　CO₂+Ba(OH)₂=BaCO₃ +H₂O
　　实验结果证明了笔者的预测是正确的。
　　难题2：主反应条件的准确把握。
　　碳与浓硝酸反应需要加热，但加热的方法有四种选择，即：①将木炭与浓硝酸一同放在装置中加热；②先加热浓硝酸，然后将木炭投入其中；③先加热木炭，再加入冷浓硝酸；④先加热木炭，再将木炭投入冷浓硝酸之中。因为浓硝酸分解的温度很低，所以①②两种方法将使装置中产生太多的NO₂，同时也会使装置中的压强过大；方法③④中反应物的受热主要集中在接触面上，但方法③还需添加分液漏斗和铁架台等仪器，装置将变得复杂，综上所述，方法④是把握加热条件的最佳选择。
　　难题3：实验时间的轻松掌控。
　　因为反应中有毒性气体NO₂产生，所以实验必须在密闭装置中完成，这时装置中的气体流动和 CO₂与氢氧化钡溶液的反应快慢就成为影响实验所需时间的又一难题。解决的思路是用一种仪器，既能反复吸气和吹气又能将氢氧化钡溶液搅动，于是想到了洗耳球和胶头滴管（后改为胶头直角导管），再结合比较操作简便、保持装置密闭性等方面的优劣，最终选择了后者，并让其下端略低于氢氧化钡溶液的液面。
　　难题4：毒性尾气的安全处理。
　　众所周知，一个好的实验设计方案应该是绿色环保的实验方案，但是现在设计者一般只注意到不让有害气体排放到空气中，相应地往往也只在末端增加尾气吸收装置，至于装置内的残留有害气体肯定没有得到妥善处理，当把这样的装置拿回实验室洗涤时，仍然免不了被教师吸入的后果。为了彻底解决类似的问题，在本实验中，笔者根据NO₂和氢氧化钡溶液的性质，用检验CO₂后过量的氢氧化钡溶液吸收装置内的NO₂，收到了很好的效果。反应为：4NO₂+O₂+2Ba(OH)₂=2Ba(NO₃)₂+2H₂O。
　　
　　难题5：整套实验装置的简化。
　　本实验所需装置必须满足以下要求：①有碳与浓硝酸的反应装置；②有CO₂的检验装置并与装置①相连；③胶头直角导管与装置②相连；④整个装置处于密闭状态。经多方比较，确定的装置如左图所示：
　　
　　（二）实验步骤及主要现象
　　1.在H型试管的右管中加入适量氢氧化钡溶液，液面略高于胶头导管的下端，塞紧橡皮塞；
　　2.取1ML左右浓硝酸于H型试管的左管，将一小块花生米大小的硬实木炭放在火焰上灼烧至红热，投入到浓硝酸中，立即塞紧橡皮塞，观察左管内很快充满红棕色气体；
　　3.在胶头导管内的液面上升至拐角前开始挤压乳胶头，反复将吸入的液体压回，增大装置内气体的流动性，使气液接触更加充分，观察右管内白色沉淀的产生；
　　4.逆时针旋转装置90度，让未反应完的氢氧化钡溶液流入H型试管的左管，用以中和残留的硝酸并吸收NO₂，防止毒气逸出。