1、影響銅與稀硝酸反應(yīng)速率因素的研究廣州市第6 中學(xué)本課題的來源是廣州市6 中高三化學(xué)班期中考試中的一道實驗題。題目是：銅和稀硝酸在常溫常壓下反應(yīng)，開始時反應(yīng)速率非常慢，但是隨著反應(yīng)的進行，反應(yīng)速率不斷地加快。這是什么原因？大多數(shù)學(xué)生意見不一，有的說是因為銅和稀硝酸的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進行不斷放出熱量，是溫度升高而使反應(yīng)的速率增大；有的則說是反應(yīng)過程中生成了氣體，使反應(yīng)體系的壓強增大，因而后來的反應(yīng)速率也隨之增大。大家都為此爭論不休，溫度、濃度、壓強，到底是哪一個因素使反應(yīng)后來的速率增大了呢?為了尋根究底，3個學(xué)生決定自己動手去做實驗。 老師點評：課題來源于課本，來源于練習(xí)，這是研究性學(xué)習(xí)

2、實施的具體化。 （一）試驗階段 針對影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素濃度、壓強、溫度，學(xué)生逐一進行了分析。學(xué)生認為，隨著銅和稀硝酸反應(yīng)的進行，硝酸的濃度應(yīng)該是不斷減少的，而銅的量則不影響該體系的速率，由上只能推論反應(yīng)速率應(yīng)不斷減少，故不可能是濃度因素引起后來反應(yīng)速率的增大。濃度這一因素被排除了。 學(xué)生通過認真觀察分析發(fā)現(xiàn)，整套實驗發(fā)生裝置是與大氣相通的，因而該反應(yīng)體系可看作是恒壓體系，生成的氣體會不斷地向外排出，故生成的氣體不會使體系的壓強增大，因此壓強也不是影響該反應(yīng)后來反應(yīng)速率增大的主要因素。那么，到底主要因素是不是溫度呢? 學(xué)生翻閱了手頭上的文獻資料，文獻對于溫度這一因素予以肯定，注解是說反應(yīng)放出

3、的熱量加快了后來的反應(yīng)速率。針對這一說法，學(xué)生做了以下實驗。 老師點評：學(xué)會提出問題是研究性學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容之一。實驗一：探討溫度對反應(yīng)速率的影響 1.實驗準備 試劑：濃度為13的稀硝酸，5片小指頭大的銅片(已除氧化膜)，10的NaOH溶液(用于吸收實驗產(chǎn)生的尾氣) 儀器：平底燒瓶，帶導(dǎo)管和溫度計的膠塞，燒杯。(實驗裝置如圖1)圖1銅與稀硝酸反應(yīng)的裝置2.實驗過程：常溫常壓下，讓稀硝酸和銅充分反應(yīng)，觀察并記錄實驗現(xiàn)象，每隔5分鐘記錄溶液的溫度。 3.實驗結(jié)果和實驗現(xiàn)象隨著反應(yīng)的進行，溫度的變化如表1所示：(實驗結(jié)果如表1)表l 在反應(yīng)過程中，溫度的變化和實驗現(xiàn)象時間（min）溫度（）現(xiàn)象025銅

4、片表面出現(xiàn)小氣泡，但是速度比較緩慢52526溶液有很淺的藍色，氣泡生成速度有少許加快3026.2溶液淺藍色加深，氣泡開始均勻冒出3526.5氣泡均勻不斷冒出4026.7在燒瓶中出現(xiàn)很淡的黃色4526.9淡黃色逐漸清晰可見508027溶液中藍色明顯變深，燒瓶中出現(xiàn)淺棕色  4.數(shù)據(jù)處理： 溫度變化隨著反應(yīng)時間的函數(shù)關(guān)系如圖2所示。 5.實驗結(jié)論 雖然此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，但在一個多小時的反應(yīng)過程中，溫度僅升高2，并且在反應(yīng)速率增大的同時，溶液溫度并沒有明顯提高。因此，我們認為，溫度不是影響反應(yīng)后來速率增大的最主要因素。 老師點評：提出問題實驗設(shè)計數(shù)據(jù)分析和處理（實驗現(xiàn)象和討論）實驗結(jié)論，這

5、是科學(xué)素質(zhì)的具體體現(xiàn)。三位學(xué)生提出的實驗設(shè)計思路，以及采取數(shù)據(jù)處理的方式，例如，表1的設(shè)計，圖2的設(shè)計均具有很高的科學(xué)素養(yǎng)。 （二）進一步探討 既然以上各種都不是主要因素，那么會是什么呢?根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的理論得知，除了溫度、濃度、壓強，就只有催化劑了。我們又想到，既然是反應(yīng)到一定階段速率才逐漸加快，那么不可能是反應(yīng)中段另外加入催化劑，那么只可能是反應(yīng)的產(chǎn)物對該反應(yīng)有催化作用。到底是什么呢?3Cu+8HNO3=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O， 我們首先想到的是生成的銅離子。于是，我們做了以下試驗：用兩支試管分別盛等量的銅片和稀硝酸，標號A、B，在A試管中加入少量的CuSO4

6、83;5H2O晶體，然后對比兩支試管的現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)，A的反應(yīng)速率并不比B快。而且兩試管的現(xiàn)象基本相同。這就告訴我們，Cu2+并不是反應(yīng)的催化劑。 老師點評：在中學(xué)學(xué)習(xí)中所涉及到的催化劑均是指加入催化劑加快了化學(xué)反應(yīng)速率。三位學(xué)生針對此課題提出了：“在反應(yīng)過程中產(chǎn)生了催化劑的假設(shè)”是一種創(chuàng)新思維。這一點是他們課題的精華。 我們有點百思不得其解，畢竟我們熟悉的催化劑并不多，這個失敗了，也就一點線索都沒有了，我們失望了，有點前功盡棄的感覺。無助之時，想到的還是向老師請教。老師建議我們?nèi)フ乙恍└叩然瘜W(xué)教材看一下，可能會有意外收獲。在圖書館里轉(zhuǎn)啊轉(zhuǎn)，一本又一本地瀏覽著。正是“山窮水盡疑無路，柳暗花明又

7、一村”，我們終于找到了答案。 老師點評：學(xué)會查閱文獻是解決問題的方法之一。 文獻中指出：“作為氧化劑，稀硝酸不同于濃硝酸之處在于稀硝酸的反應(yīng)速率慢，氧化能力較弱，被氧化的物質(zhì)不能達到最高價態(tài)，如Hg2+。稀硝酸的氧化作用可以認為首先被還原為NO2，但是因為速度慢，NO2的產(chǎn)量不多，所以它來不及逸出反應(yīng)體系就又被進一步還原成NO或N2、NH4+等。 從反應(yīng)機理上看，硝酸的氧化性與硝酸中經(jīng)常會存在由光化分解而來的NO2催化作用有關(guān)。NO2起著傳遞電子的作用： NO2+e-=NO2- NO2-+H+=HNO2 HNO2+HNO3=H2O+2NO2 硝酸通過NO2獲得還原劑的電子，反應(yīng)便被加速。發(fā)煙硝

8、酸有很強的氧化性，就是因為在酸中溶解有很多的NO2的緣故。” 原來催化劑是反應(yīng)生成的氣體NO2，經(jīng)過一番波折，我們終于弄明白了。知道了反應(yīng)的機理，我們決定自己用實驗去驗證一下，好讓自己有更深刻的印象。當然，第一步就是設(shè)計實驗。應(yīng)該怎樣驗證NO2能增大反應(yīng)速率呢?做一個對比實驗吧!實驗二 驗證NO2對反應(yīng)速率的影響 1.實驗準備 試劑：濃度為14的稀硝酸，小銅片，濃硝酸(用于制NO2作為催化劑)，10的NaOH溶液。 儀器：試管，導(dǎo)氣管，帶膠塞的導(dǎo)氣管，帶鐵夾的鐵架臺，燒杯等。(實驗裝置如圖3所示)圖3 驗證NO2對反應(yīng)速率影響的對比實驗裝置 2.實驗過程 用A、B兩支試管，分別取等量的稀硝酸和

9、銅片，往其中A試管中通入NO2，對比并記錄兩試管內(nèi)現(xiàn)象的變化。 老師點評：對比性實驗設(shè)計是判斷某物質(zhì)是否為催化劑的常用方法。 3.實驗結(jié)果與實驗現(xiàn)象： 如表2所示：表2 驗證NO2對反應(yīng)速率影響的對比實驗現(xiàn)象通入NO2 （通入時間為4min）沒有通入NO2反應(yīng)時間（min）現(xiàn)象反應(yīng)時間（min）現(xiàn)象0反應(yīng)開始0反應(yīng)開始2銅片表面出現(xiàn)小氣泡40看不到現(xiàn)象3氣泡不斷增多，生成速度加快43銅片上出現(xiàn)極少量氣泡4溶液顯出淺藍色，氣泡連續(xù)不斷地生成，速度很快53氣泡逐漸增多變大5-30反應(yīng)繼續(xù)，溶液藍色逐漸明顯，且在試管中出現(xiàn)淺黃色，氣泡生成速度較前段時間慢69溶液顯出淺藍色，氣泡繼續(xù)增多變大，反應(yīng)速度

10、很慢40反應(yīng)結(jié)束，試管中出現(xiàn)淺棕色，導(dǎo)氣管口出現(xiàn)倒流   4.實驗結(jié)論 NO2對該反應(yīng)的確能加快銅與稀硝酸的反應(yīng)速率，使反應(yīng)開始后幾十分鐘才能觀察到的反應(yīng)現(xiàn)象在幾分鐘內(nèi)迅速可見。可見反應(yīng)中生成的NO2為催化劑才是銅與稀硝酸反應(yīng)后期反應(yīng)速率不斷增大的主要因素。為了進一步驗證NO2作催化劑的催化歷程，是否由NO2得電子轉(zhuǎn)化為NO2-從而起到加快反應(yīng)速率的作用，我們想到了用亞硝酸鹽做催化劑進行試驗。實驗三 進一步驗證NO2的催化歷程 1.實驗準備及過程 取試管加入銅片，再加入幾粒NaNO2晶體，注入硝酸，觀察記錄其現(xiàn)象。 2.實驗結(jié)果與實驗現(xiàn)象 通過仔細觀察和計時，得到的實驗結(jié)果

11、和實驗現(xiàn)象如表3所示：表3 在銅與稀硝酸反應(yīng)體系中加入少量NaNO2晶體的實驗現(xiàn)象反應(yīng)時間（s）現(xiàn)象0反應(yīng)開始1銅片上出現(xiàn)氣泡30 氣泡數(shù)目增多，生成速度變快60 溶液變成淺藍色，氣泡不斷均勻生成240 試管中出現(xiàn)淺棕色氣體30(min)  銅片全部溶解，溶液藍色明顯變深，反應(yīng)結(jié)束 3.實驗結(jié)論 可見，NO2-同樣起催化作用，即NO2催化歷程的確是由于得電子形成NO2-而加快速率的。 這是一次實踐的鍛煉。另外，我們也明白到，對于科學(xué)研究，耐性和信心是很重要的，銅與稀硝酸反應(yīng)初期的速率實在很慢，我們在做對比實驗的時候，用希望的眼神盯住那試管已經(jīng)40多分鐘之久了，它還是沒有任何現(xiàn)象。我們

12、甚至懷疑是否硝酸有問題了，于是用pH試紙去測其pH值。測得的結(jié)果是1，讓我們有了繼續(xù)等下去的決心和動力。終于，堅持就是勝利，等了一個多小時，我們終于取得了第一手實驗資料，為課題的研究奠定了基礎(chǔ)。這是一次成功的嘗試。實驗使我們獲得了一大堆零散的實驗數(shù)據(jù)，我們需要總結(jié)、處理、加以利用。我們冷靜地分析與討論，將數(shù)據(jù)以不同的圖表形式表現(xiàn)出來，完成了研究報告。所以說，這是一次能力的提高。 研究性學(xué)習(xí)，使我們學(xué)會了提出、分析和解決問題，學(xué)會了與人合作和分享，學(xué)會了堅持不懈、不斷嘗試，更深一點來說，是學(xué)會了擺脫安逸感，體驗生活和體驗人生。也許，這正是研究性學(xué)習(xí)的意義所在吧! 點評歸納：1課題來源于課本，來源于練習(xí)，這是研究性學(xué)習(xí)實施的具體化。2進行理論的探討和分析，提出假設(shè)，學(xué)會提出問題是研究性學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容之一。3提出問題實驗設(shè)計數(shù)據(jù)分析和處理(實驗現(xiàn)象和討論)實驗結(jié)論提出新問題，這是科學(xué)素質(zhì)的具體體現(xiàn)。三位學(xué)生提出的實驗設(shè)計思路，以及采取數(shù)據(jù)處理的方式，例如，表1的設(shè)計，圖2的設(shè)計均具有很高的科學(xué)素養(yǎng)。4提高學(xué)生記錄、處理和分析表格數(shù)據(jù)的能力，是新課程理念對化學(xué)教學(xué)的要求，也是近幾年的高考試題中的熱點考查的類型。我們相信，學(xué)生在“我與化學(xué)”活動中經(jīng)歷過一次實際的訓(xùn)練，不僅能體驗科學(xué)研究的思路與方法，而且能