淺析銅與硝酸反應(yīng)的實驗探究與拓展

1、淺析銅與硝酸反應(yīng)的實驗探究與拓展長沙市第21中學(xué) 410007 邵國光一、問題探究探究1濃HNO3與Cu反應(yīng)生成NO2，稀HNO3與Cu反應(yīng)生成NO。濃、稀硝酸哪種氧化性強？甲認為稀HNO3的氧化性強，原因是濃HNO3和Cu反應(yīng)產(chǎn)生NO2，氮元素的化合價降低1，而稀HNO3和Cu反應(yīng)時產(chǎn)生NO，氮元素的化合價降低3，氮元素得電子數(shù)后者大于前者；乙認為濃HNO3的氧化性強，原因是從反應(yīng)條件看，濃HNO3與Cu反應(yīng)時速率快，稀HNO3與Cu反應(yīng)的速率很慢，加熱時才有明顯反應(yīng)。怎樣確定哪種解釋正確?分析：根據(jù)反應(yīng)：Cu + 4HNO3（濃）= Cu(NO3)2 + 2 NO2+ 2H2O，3Cu+8

2、HNO3（?。?3Cu(NO3)2+2NO+4H2O可推測濃HNO3與NO不能共存，因為反應(yīng)產(chǎn)物是NO2，而稀HNO3和NO能共存。因此只要設(shè)計一個實驗可證明濃HNO3能氧化NO，稀HNO3不能氧化NO，就能說明濃HNO3的氧化性比稀HNO3強。方案如下：用排水法收集兩試管NO氣體，用膠塞塞好，然后用注射器向一支試管中注入一定量的濃HNO3，另一支試管里注入一定量的稀HNO3，看哪種酸能將NO氧化成紅棕色的NO2。能將NO氧化成紅棕色NO2的酸氧化性強?；瘜W(xué)方程式為：2HNO3+NO=3NO2+H2O探究2銅和濃硝酸反應(yīng)生成紅棕色NO2氣體，銅和稀硝酸反應(yīng)生成無色的NO氣體，這是新人教版普通高

3、中課程標準實驗教科書化學(xué)必修1第102面的提法。在學(xué)生做這兩個實驗時，發(fā)現(xiàn)了兩個有趣現(xiàn)象：（1）銅和稀硝酸反應(yīng)應(yīng)生成無色的NO氣體，但NO的生成實驗，現(xiàn)象不太明顯，氣體顏色還是紅棕色，對照性不強。（2）分別將等質(zhì)量的銅片與等體積均過量的濃硝酸、稀硝酸反應(yīng),所得到的溶液前者呈綠色,后者呈藍色。在此可設(shè)計兩個極好的探究題材給學(xué)生討論：（一）、為什么銅和稀硝酸反應(yīng)看不到無色的NO氣體？怎樣改進實驗才能看到？（二）、為什么銅和濃HNO3反應(yīng)所得到的溶液呈綠色？提議要學(xué)生猜想，并為每個猜想進行實驗探究。分析：（一）可提出如下問題讓學(xué)生思考：是什么原因引起現(xiàn)象不明顯呢？（NO遇O2立即變色。裝置中存在空氣

4、，造成干擾。）怎樣解決？（清除裝置系統(tǒng)中的空氣。常見的清除空氣的方法有兩種：用“惰性”氣體驅(qū)趕；用液體驅(qū)趕。）設(shè)計方案：經(jīng)學(xué)生分組討論，各組均設(shè)計了一套方案，其中較好的方案有如圖1和圖2所示。操作和現(xiàn)象：方案一（如圖1）先將Cu絲上提，打開漏斗活塞，往燒瓶中加入稀HNO3至液體占燒瓶容積的一半左右。待（II）中澄清石灰水變渾濁，把Cu絲插入稀HNO3中。觀察到Cu絲上產(chǎn)生無色氣泡，溶液變藍，（I）中氣體無色，過一會兒，（II）中a管出口處有明顯的紅棕色氣體。 圖1 圖2方案二（如圖2），先按圖裝好U形管左邊的帶Cu絲的漏斗，打開b、c，從U形管右口注入稀HNO3到與活塞b處平齊，關(guān)閉b。右口塞

5、上帶導(dǎo)管的膠塞，并在U型管左邊微熱，一段時間后，Cu絲與液面分離。再輕啟活塞b，觀察。在此過程中，Cu絲上會產(chǎn)生大量無色氣泡，氣體將液面壓下，某時刻后Cu絲與液面分離，右端液體被壓入燒杯中，左端可觀察到無色氣體。輕啟活塞b，在漏斗中可看到明顯的紅棕色現(xiàn)象。實驗結(jié)論：Cu與稀HNO3反應(yīng)產(chǎn)生無色NO，NO不溶于水，也不和堿反應(yīng)。對（二）可啟發(fā)學(xué)生猜想，然后進行實驗探究。猜想一、可能是Cu2+的濃度不同造成的。分組實驗與現(xiàn)象：組m（Cu）/g硝酸（過量）現(xiàn)象A1濃HNO3(4mL)溶液為綠色,試管內(nèi)有紅棕色氣體1稀HNO3(4mL)溶液為藍色,試管口有紅棕色氣體B0.5濃HNO3(4mL)溶液為綠

6、色,試管內(nèi)有紅棕色氣體1稀HNO3(4mL)溶液為藍色,試管口有紅棕色氣體C2濃HNO3(4mL)溶液為綠色,試管內(nèi)有紅棕色氣體1稀HNO3(4mL)溶液為藍色,試管口有紅棕色氣體在上面的三組實驗中提供的硝酸的體積均一樣，僅僅是銅的質(zhì)量不相同。A組中，銅的質(zhì)量相同，即反應(yīng)后溶液中Cu2+的濃度相同，而濃硝酸反應(yīng)后溶液為綠色，稀硝酸為藍色；B組中，與濃硝酸反應(yīng)的銅的質(zhì)量要小一些，即反應(yīng)后Cu2+濃度低一些，然而溶液仍然為綠色；C組中Cu2+的濃度大，溶液仍然是綠色?？梢?，Cu(NO3)2溶液為綠色不是由Cu2+濃度引起的。猜想二、可能是硝酸銅溶于濃硝酸引起的。將Cu(NO3)2晶體溶于濃硝酸，溶

7、液仍然為藍色。可見此假設(shè)不成立猜想三、可能是溫度不同引起的方案1：將綠色的Cu(NO3)2溶液加熱。溶液仍然為綠色，且在試管中產(chǎn)生大量的紅棕色氣體。原因是在加熱的時候，濃硝酸不斷的分解，致使NO2源源不斷的生成，因此不可能將NO2和Cu(NO3)2分開，因此溶液仍為綠色。方案2：將正在反應(yīng)的試管壁不斷地用流水沖，溶液顏色為藍色。這個改變的核心因素是降低溫度。因為Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2+2H2O的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降溫反應(yīng)速度減慢，產(chǎn)生的NO2減少；而2NO2=N2O4（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），因此降溫平衡向右移動，生成無色的N2O4，NO2的量逐漸減少，故溶液很快變成藍色

8、。猜想四、可能是NO2溶于Cu(NO3)2溶液形成的。方案1：將Cu和濃硝酸反應(yīng)后的溶液迅速倒入干燥的燒杯中，再轉(zhuǎn)移到另一個干燥的燒杯中，溶液迅速變藍。方案2：在Cu和濃硝酸反應(yīng)后的試管口上塞一團沾有NaOH溶液的棉花，放置半天后，溶液為藍色。其原因是隨著時間的推移，反應(yīng)后的溶液溫度降低，NO2慢慢從溶液中逸出被棉花中的NaOH吸收，溶液的顏色僅僅由Cu(NO3)2呈現(xiàn)出來。由此可見，Cu(NO3)2溶液的綠色是由藍色的Cu(NO3)2溶液和黃色的HNO3溶液（溶有NO2）的兩者混合而成的。二、原型拓展1方案評價型例1某化學(xué)課外興趣小組在做銅與濃硝酸、稀硝酸反應(yīng)實驗時發(fā)現(xiàn)：“相同質(zhì)量的銅分別與

9、等體積且足量的濃硝酸、稀硝酸充分反應(yīng)后，前者溶液顏色是綠色的，后者溶液的顏色是藍色的?！币环N觀點認為：這可能是Cu2+濃度差異的結(jié)果，你同意這種看法嗎？（填“同意”或“不同意”）_,原因是_。另一種觀點認為：溶液呈綠色是銅與濃硝酸反應(yīng)時產(chǎn)生的NO2溶于過量濃硝酸顯黃色，加上和藍色的硝酸銅溶液混在一起，使溶液呈綠色。為了驗證推斷是否正確，甲、乙、丙三位同學(xué)分別設(shè)計了三種方案進行驗證： 甲同學(xué)方案：將盛綠色溶液的試管加熱，看是否有紅棕色氣體產(chǎn)生。你認為甲同學(xué)的方案是否妥當？為什么？_。 乙同學(xué)方案：用雙氧水和二氧化錳制得氧氣，并把氧氣通入綠色溶液中，觀察其溶液是否變藍色。請用方

10、程式表示其中的反應(yīng)原理_ 丙同學(xué)方案：在通風(fēng)櫥內(nèi)，將一根下端彎成螺旋狀且可抽動的銅絲插在盛有足量濃硝酸的試管甲中，立即可觀察到試管中充滿紅棕色的NO2氣體。將氣體經(jīng)導(dǎo)管通入到傾斜的另一支盛有淡藍色Cu(NO3)2試管乙中，隨著實驗進行，試管乙中的溶液藍色加深，很快又變成綠色，繼續(xù)通入NO2，綠色保持不變，向上抽起銅絲，使反應(yīng)停止。 寫出銅與濃硝酸反應(yīng)的離子方程式_ 從環(huán)保的角度看，你認為三個方案中最好的是哪一個_，其原因是_。 解析：（1）因“足量的濃硝酸、稀硝酸且體積相同，與相同質(zhì)量的銅反應(yīng)”，所以C(Cu2+)相同，此觀點不正確。（2）加熱的目的是趕

11、出溶液中的NO2氣體，但是忘記了4HNO3=2H2O+4NO2+O2，所以甲同學(xué)的方案不妥當。乙同學(xué)方案妥當。既然硝酸銅溶液的“綠色”是溶解了NO2的緣故，氧氣通入，4NO2+O2+2H2O=4HNO3，“綠色”應(yīng)變?yōu)樗{色。此即“對癥下藥”驗證法。丙同學(xué)方案也可以，此即反向驗證法。 答案：（1）不同意。因為銅片質(zhì)量相同，溶液體積相同，生成的銅離子濃度相同。 （2）不妥當，硝酸是過量的，即使溶液里沒有二氧化氮，加熱過程中因為硝酸的分解也會產(chǎn)生二氧化氮，應(yīng)當通過觀察其溶液是否變藍色來加以驗證。4NO2+O2+2H2O=4HNO3.Cu+4H+2NO3-=Cu2+2NO2+2H2

12、0.乙，因為乙方案中沒有有毒氣體產(chǎn)生。 2裝置改進型例2下圖甲是課本中驗證銅和濃硝酸反應(yīng)的裝置，乙、丙是師生對演示實驗改進后的裝置： b可上下移動的Cu絲可上下移動的Cu絲濃硝酸aNaOH溶液NaOH溶液Cu片濃硝酸濃硝酸 水 丙甲乙（1）甲、乙、丙三個裝置中共同發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式是 。（2）和甲裝置相比，乙裝置的優(yōu)點是 。（3）為了進一步驗證NO2和水的反應(yīng)，某學(xué)生設(shè)計了丙裝置。先關(guān)閉彈簧夾 ，再打開彈簧夾 ，才能使NO2氣體充滿試管。（4）當氣體充滿試管后，將銅絲提起與溶液脫離，欲使燒杯中的水進入試管應(yīng)如何操作 。（5）當試管中的NO2和水充分反應(yīng)，所得溶液物質(zhì)的量濃度的最大值

13、是 （氣體按標準狀況計算）。解析：（1）由圖中試劑可知：甲、乙、丙三個裝置中共同發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式是Cu + 4HNO3（濃）= Cu(NO3)2 + 2 NO2+ 2H2O。（2）乙裝置中的銅絲可上下移動，將銅絲提起與溶液脫離，反應(yīng)停止，將銅絲插入溶液，反應(yīng)發(fā)生?？梢钥刂品磻?yīng)。用NaOH吸收NO2，防止污染環(huán)境。（3）要使NO2氣體充滿試管，必須排凈空氣，先關(guān)閉彈簧夾c，再打開彈簧夾a、b。（4）欲使燒杯中的水進入試管，必須使試管產(chǎn)生負壓，其操作是：先關(guān)閉b，再關(guān)閉a，然后打開c，用手捂?。崴?、熱毛巾、加熱）試管。（5）根據(jù)反應(yīng)：3NO2+H2O=2HNO3+NO，可設(shè)NO2為3mol，

14、則生成HNO3為2mol，NO為1mol。此時溶液的體積為減少的氣體體積，即：（3-1）molx22.4 L·mol-1=44.8L,c(HNO3)=n(HNO3)/V(溶液)=2mol/44.8L=1/22.4 mol·L-1。答案：（1）Cu + 4HNO3（濃）= Cu(NO3)2 + 2 NO2+ 2H2O。（2）可以控制反應(yīng)。吸收NO2氣體，防止污染環(huán)境。（3）關(guān)閉c；打開a、b。（4）先關(guān)閉b，再關(guān)閉a，然后打開c，用手捂住（熱水、熱毛巾、加熱）試管。（5）1/22.4 mol·L-1或0.045 mol·L-13材料分析型例3以下素材是某課

15、外實驗小組的實驗記錄，請根據(jù)實驗記錄回答有關(guān)問題。實驗內(nèi)容：銅與硝酸反應(yīng)有關(guān)問題的探討。實驗器材：電線細銅絲，1molL-1HNO3，14molL-1HNO3，堿石灰，Cu(NO3)2晶體，玻璃絲，酒精燈，試管，夾持器械，火柴。實驗記錄如下。步驟實驗操作現(xiàn)象記錄1將1g細銅絲放入盛有10mL1molL-1 HNO3的試管中加熱銅絲表面有無色氣體逸出，溶液變成天藍色2將1g細銅絲放入盛有10mL的14molL-1HNO3的試管中產(chǎn)生大量紅棕色氣體，溶液變?yōu)榫G色，綠色由深到淺，未見到藍色。3將硝酸銅晶體配成飽和溶液深藍色溶液4向飽和的硝酸銅溶液中不斷滴加14molL-1HNO3溶液仍呈深藍色已知：

16、Cu2可以和NH3形成類似Ag(NH3)2的復(fù)雜離子Cu(NH3)42，NH3分子也可以換成其他分子或離子。請回答： 稀硝酸與銅絲反應(yīng)后，所得溶液呈天藍色的化學(xué)粒子符號是 (寫化學(xué)式)。 使飽和硝酸銅溶液呈深藍色的化學(xué)粒子符號可能是 。有資料上介紹濃硝酸與銅絲反應(yīng)后所得溶液顏色顯藍色，實驗中得到卻是綠色溶液，試寫出顯綠色的可能原因 ，設(shè)計兩種不同的簡單的實驗方法證明你的解釋： 方案 ；方案 。解析：(1)根據(jù)實驗記錄和已知信息可知：稀硝酸與銅絲反應(yīng)后，所得溶液呈天藍色的化學(xué)粒子符號是Cu(H2O)42+；（2）與（1）對比：飽和硝酸銅溶液中c（(NO3 ）大，根據(jù)已知信息推測：使飽和硝酸銅溶液

17、呈深藍色的化學(xué)粒子符號可能是Cu(H2O)4x(NO3)x(2x)(1<x<4)；（3）由實驗記錄：濃硝酸與銅絲反應(yīng)產(chǎn)生大量紅棕色氣體，溶液變?yōu)榫G色，綠色由深到淺，未見到藍色。由此可見，Cu(NO3)2溶液的綠色是由藍色的Cu(NO3)2溶液和黃色的HNO3溶液（溶有NO2）的兩者混合而成的。驗證方案：向飽和的硝酸銅藍色溶液中通入大量的NO2氣體，觀察其溶液是否變綠色；將溶液中溶有的NO2除去，用水稀釋或把氧氣通入綠色溶液中，觀察其溶液是否變藍色。答案如下： Cu(H2O)42+ Cu(H2O)4x(NO3)x(2x)(1<x<4) 可能是還原產(chǎn)物NO2溶入其中引起的。

18、方案向飽和的硝酸銅溶液中通入大量的NO2氣體；方案用水稀釋； 方案并把氧氣通入綠色溶液中，觀察其溶液是否變藍色。 4實驗設(shè)計型例4為了證明銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生一氧化氮，某校學(xué)生實驗小組設(shè)計了一個實驗，其裝置如下圖所示（加熱裝置和固定裝置均已略去）B為一個用金屬絲固定的干燥管，內(nèi)裝塊狀碳酸鈣固體；E為 一個空的蒸餾燒瓶；F是用于鼓入空氣的雙連打氣球。（1）實驗時，先將B裝置下移，使碳酸鈣與稀硝酸接觸產(chǎn)生氣體當C處產(chǎn)生白色沉淀時，立刻將B裝置上提，使之與稀硝酸分離該組學(xué)生設(shè)計此步操作的目的為_ _。（2）將A中銅絲放入稀硝酸中，給裝置A微微加熱，在裝置A中產(chǎn)生無色氣體，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為： 。用F

19、向E中鼓入空氣后，裝置E中開始時出現(xiàn)淺紅棕色氣體，可觀察到燒瓶E內(nèi)氣體顏色逐漸加深。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是 。一段時間后，C中白色沉淀溶解，其原因是 。（3）裝置D的作用是_ 。解析：（1）為了證明銅與稀HNO3反應(yīng)產(chǎn)生NO，所以應(yīng)將裝置中的空氣排凈，防止NO被氧化為NO2。（2）由于CO2密度比空氣大，所以E中空氣并沒有完全排凈，致使部分NO與剩余空氣中的O2反應(yīng)，生成少量NO2，顯淺紅棕色，當F向E中鼓入空氣后，會生成更多的NO2，使紅棕色加深。E中鼓入空氣時，E中生成的NO2會溶于C中生成HNO3，使CaCO3溶解。（3）D裝置是為了吸收NO、NO2，防止污染大氣。答案（1）用碳酸鈣和稀硝

20、酸反應(yīng)產(chǎn)生的CO2趕走裝置內(nèi)的空氣（2）3Cu+8HNO3（?。?3Cu(NO3)2+2NO+4H2O 由于CO2密度比空氣大，從長管進入E后,并沒有完全排凈空氣, 致使部分NO與空氣中的O2反應(yīng)，生成少量NO2，顯淺紅棕色，當F鼓入空氣時，E中會生成更多的NO2，使紅棕色加深。 NO2溶于水生成HNO3，HNO3與CaCO3沉淀反應(yīng)使沉淀溶解。（3）吸收NO、NO2，防止污染大氣。5實驗驗證型例5 選擇使用下列儀器(含藥品),驗證由Cu與適量濃HNO3反應(yīng)產(chǎn)生的氣體中含有NO(N2和O2的用量可自由控制).已知NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O;氣體液化溫度:NO2:210C;NO:

21、-1520C. (1) 現(xiàn)有甲、乙、丙三位同學(xué)分別設(shè)計了以下三個實驗方案(用儀器的連接順序表示):甲:ACFDB 乙:ABCE丙:AFDB 甲、乙、丙三位同學(xué)提出的實驗方案是否能驗證Cu與適量濃HNO3反應(yīng)的氣體中含有NO(填”能”或”不能”)甲_;乙_;丙_.具體說明不能驗證的主要原因(若三個實驗方案都能驗證,則此小題不用回答)甲方案_乙方案_丙方案_(2) 反應(yīng)前應(yīng)先通入足量N2,其目的是_(3) 確認氣體中含有NO的現(xiàn)象是_(4) 如果O2過量,則裝置B中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是_.解析：本題是一道綜合性很強的實驗題,要證明銅跟適量濃硝酸反應(yīng)時,生成的NO2中含有少量的NO,首先要確定檢驗

22、NO存在的方法,由圖可知是利用NO與O2反應(yīng)氣體由無色變?yōu)榧t棕色這實驗現(xiàn)象確定;其次要在檢驗NO之前要將NO2和NO分離,由題意可知,NO2在210C時就會液化而除去.因為NO2可以跟H2O反應(yīng)生成NO和HNO3,所以從A裝置出來的氣體應(yīng)先進行干燥再進行其它實驗.NO和NO2均污染環(huán)境,故要進行尾氣處理,最后必須用NaOH溶液吸收.綜合上述:儀器連接順序應(yīng)為ACFDB,故甲方案能驗證NO;乙方案:ABCE中的AB:發(fā)生反應(yīng) NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O,不能驗證NO;丙方案:AFDB中的AF:未除去H2O(g),就冷卻, 因為NO2可以跟H2O反應(yīng)生成HNO3和NO, 故不能驗證

23、銅跟適量濃硝酸反應(yīng)時,生成的NO2中含有少量的NO.本題答案為:(1)甲:能 乙:不能,乙方案:ABCE中的AB:發(fā)生反應(yīng) NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O,不能驗證NO 丙:不能, 丙方案:AFDB中的AF:未除去H2O(g),就冷卻, 因為NO2可以跟H2O反應(yīng)生成HNO3和NO, 故不能驗證銅跟適量濃硝酸反應(yīng)時,生成的NO2中含有少量的NO. (2)排盡裝置中的空氣,防止NO被氧化 (3)D中通入O2,有紅棕色氣體生成. (4) 4NO2+O2+4OH-=4NO3-+2H2O6綜合型例6下圖中,a是250mL的燒瓶其中盛有標準狀況下的空氣(O2占1/5)和1.2mol.L-1硝

24、酸10mL;b是未充氣且放有0.384gCu粉的氣球;c是夾緊的彈簧夾;d是盛有足量Na2O2的干燥管;e是充有CO2的注射器,整套裝置不漏氣. (1)將氣球b中的Cu粉小心倒入燒瓶中,要使Cu粉發(fā)生反應(yīng),是否一定需要對反應(yīng)混合物進行加熱_(填是或否),發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為_;充分反應(yīng)后Cu粉有剩余,在反應(yīng)過程中可觀察到的現(xiàn)象是_,_,_,_;(2)欲加快銅與硝酸反應(yīng)速率,可采用多種不同的措施,若采用化學(xué)試劑法,下列試劑中可以使用的是(填代號)_.A.蒸餾水 B.無水醋酸鈉 C.石墨 D.AgNO3溶液(少量)(3)將燒瓶不斷振蕩,發(fā)現(xiàn)氣球逐漸變小,直至被吸入燒瓶內(nèi),發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是(用化學(xué)方程式表示)_.(4)打開彈簧夾將CO2推入干燥管內(nèi)繼續(xù)振蕩,使氣體與氣體,氣體與液體間充分接觸,可使剩余銅粉完全溶解,上述整個過程用一個總化學(xué)方程式表示則為_,在此過程中,至少需要CO2_mL(標準狀況)。解析：（1）Cu粉和稀硝酸在常溫下能發(fā)生反應(yīng),因此不一定需要對反應(yīng)混合物進行加熱,發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為3Cu+8HNO3（?。?3Cu(NO3)2+2NO+4H2O。在反應(yīng)過程中可觀察到的現(xiàn)象是銅粉減少，有氣泡產(chǎn)生；溶液變藍色；氣體顏色由無色變?yōu)榧t棕色；氣球漲大；(2)