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1、影响铜与稀硝酸反应速率因素的研究 本课题的来源是广州市高三化学班期中考试中的一道实验题。题目是：铜和稀硝酸在常温常压下反应，开始时反应速率非常慢，但是随着反应的进行，反应速率不断地加快。这是什么原因？大多数学生意见不一，有的说是因为铜和稀硝酸的反应是放热反应，随着反应的进行不断放出热量，是温度升高而使反应的速率增大；有的则说是反应过程中生成了气体，使反应体系的压强增大，因而后来的反应速率也随之增大。大家都为此争论不休，温度、浓度、压强，到底是哪一个因素使反应后来的速率增大了呢?为了寻根究底，3个学生决定自己动手去做实验。 老师点评：课题来源于课本，来源于练习，这是研究性学习实施的具体化。 （一
2、）试验阶段 针对影响化学反应速率的因素浓度、压强、温度，学生逐一进行了分析。学生认为，随着铜和稀硝酸反应的进行，硝酸的浓度应该是不断减少的，而铜的量则不影响该体系的速率，由上只能推论反应速率应不断减少，故不可能是浓度因素引起后来反应速率的增大。浓度这一因素被排除了。 学生通过认真观察分析发现，整套实验发生装置是与大气相通的，因而该反应体系可看作是恒压体系，生成的气体会不断地向外排出，故生成的气体不会使体系的压强增大，因此压强也不是影响该反应后来反应速率增大的主要因素。那么，到底主要因素是不是温度呢? 学生翻阅了手头上的文献资料，文献对于温度这一因素予以肯定，注解是说反应放出的热量加快了后来的反
3、应速率。针对这一说法，学生做了以下实验。 老师点评：学会提出问题是研究性学习的重要内容之一。实验一：探讨温度对反应速率的影响 1.实验准备 试剂：浓度为13的稀硝酸，5片小指头大的铜片(已除氧化膜)，10的NaOH溶液(用于吸收实验产生的尾气) 仪器：平底烧瓶，带导管和温度计的胶塞，烧杯。(实验装置如图1)图1铜与稀硝酸反应的装置2.实验过程：常温常压下，让稀硝酸和铜充分反应，观察并记录实验现象，每隔5分钟记录溶液的温度。 3.实验结果和实验现象随着反应的进行，温度的变化如表1所示：(实验结果如表1)表l 在反应过程中，温度的变化和实验现象时间（min）温度（）现象025铜片表面出现小气泡，但
4、是速度比较缓慢52526溶液有很浅的蓝色，气泡生成速度有少许加快3026.2溶液浅蓝色加深，气泡开始均匀冒出3526.5气泡均匀不断冒出4026.7在烧瓶中出现很淡的黄色4526.9淡黄色逐渐清晰可见508027溶液中蓝色明显变深，烧瓶中出现浅棕色 4.数据处理： 温度变化随着反应时间的函数关系如图2所示。 5.实验结论 虽然此反应为放热反应，但在一个多小时的反应过程中，温度仅升高2，并且在反应速率增大的同时，溶液温度并没有明显提高。因此，我们认为，温度不是影响反应后来速率增大的最主要因素。 老师点评：提出问题实验设计数据分析和处理（实验现象和讨论）实验结论，这是科学素质的具体体现。三位学生提
5、出的实验设计思路，以及采取数据处理的方式，例如，表1的设计，图2的设计均具有很高的科学素养。 （二）进一步探讨 既然以上各种都不是主要因素，那么会是什么呢?根据影响化学反应速率因素的理论得知，除了温度、浓度、压强，就只有催化剂了。我们又想到，既然是反应到一定阶段速率才逐渐加快，那么不可能是反应中段另外加入催化剂，那么只可能是反应的产物对该反应有催化作用。到底是什么呢?3Cu+8HNO3=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O， 我们首先想到的是生成的铜离子。于是，我们做了以下试验：用两支试管分别盛等量的铜片和稀硝酸，标号A、B，在A试管中加入少量的CuSO45H2O晶体，然后对比两支试管的现象。
6、我们发现，A的反应速率并不比B快。而且两试管的现象基本相同。这就告诉我们，Cu2+并不是反应的催化剂。 老师点评：在中学学习中所涉及到的催化剂均是指加入催化剂加快了化学反应速率。三位学生针对此课题提出了：“在反应过程中产生了催化剂的假设”是一种创新思维。这一点是他们课题的精华。 我们有点百思不得其解，毕竟我们熟悉的催化剂并不多，这个失败了，也就一点线索都没有了，我们失望了，有点前功尽弃的感觉。无助之时，想到的还是向老师请教。老师建议我们去找一些高等化学教材看一下，可能会有意外收获。在图书馆里转啊转，一本又一本地浏览着。正是“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”，我们终于找到了答案。 老师点评：学会
7、查阅文献是解决问题的方法之一。 文献中指出：“作为氧化剂，稀硝酸不同于浓硝酸之处在于稀硝酸的反应速率慢，氧化能力较弱，被氧化的物质不能达到最高价态，如Hg2+。稀硝酸的氧化作用可以认为首先被还原为NO2，但是因为速度慢，NO2的产量不多，所以它来不及逸出反应体系就又被进一步还原成NO或N2、NH4+等。 从反应机理上看，硝酸的氧化性与硝酸中经常会存在由光化分解而来的NO2催化作用有关。NO2起着传递电子的作用： NO2+e-=NO2- NO2-+H+=HNO2 HNO2+HNO3=H2O+2NO2 硝酸通过NO2获得还原剂的电子，反应便被加速。发烟硝酸有很强的氧化性，就是因为在酸中溶解有很多的
8、NO2的缘故。” 原来催化剂是反应生成的气体NO2，经过一番波折，我们终于弄明白了。知道了反应的机理，我们决定自己用实验去验证一下，好让自己有更深刻的印象。当然，第一步就是设计实验。应该怎样验证NO2能增大反应速率呢?做一个对比实验吧!实验二 验证NO2对反应速率的影响 1.实验准备 试剂：浓度为14的稀硝酸，小铜片，浓硝酸(用于制NO2作为催化剂)，10的NaOH溶液。 仪器：试管，导气管，带胶塞的导气管，带铁夹的铁架台，烧杯等。(实验装置如图3所示)图3 验证NO2对反应速率影响的对比实验装置 2.实验过程 用A、B两支试管，分别取等量的稀硝酸和铜片，往其中A试管中通入NO2，对比并记录两
9、试管内现象的变化。 老师点评：对比性实验设计是判断某物质是否为催化剂的常用方法。 3.实验结果与实验现象： 如表2所示：表2 验证NO2对反应速率影响的对比实验现象通入NO2 （通入时间为4min）没有通入NO2反应时间（min）现象反应时间（min）现象0反应开始0反应开始2铜片表面出现小气泡40看不到现象3气泡不断增多，生成速度加快43铜片上出现极少量气泡4溶液显出浅蓝色，气泡连续不断地生成，速度很快53气泡逐渐增多变大5-30反应继续，溶液蓝色逐渐明显，且在试管中出现浅黄色，气泡生成速度较前段时间慢69溶液显出浅蓝色，气泡继续增多变大，反应速度很慢40反应结束，试管中出现浅棕色，导气管口
10、出现倒流 4.实验结论 NO2对该反应的确能加快铜与稀硝酸的反应速率，使反应开始后几十分钟才能观察到的反应现象在几分钟内迅速可见。可见反应中生成的NO2为催化剂才是铜与稀硝酸反应后期反应速率不断增大的主要因素。为了进一步验证NO2作催化剂的催化历程，是否由NO2得电子转化为NO2-从而起到加快反应速率的作用，我们想到了用亚硝酸盐做催化剂进行试验。实验三 进一步验证NO2的催化历程 1.实验准备及过程 取试管加入铜片，再加入几粒NaNO2晶体，注入硝酸，观察记录其现象。 2.实验结果与实验现象 通过仔细观察和计时，得到的实验结果和实验现象如表3所示：表3 在铜与稀硝酸反应体系中加入少量NaNO2
11、晶体的实验现象反应时间（s）现象0反应开始1铜片上出现气泡30 气泡数目增多，生成速度变快60 溶液变成浅蓝色，气泡不断均匀生成240 试管中出现浅棕色气体30(min) 铜片全部溶解，溶液蓝色明显变深，反应结束 3.实验结论 可见，NO2-同样起催化作用，即NO2催化历程的确是由于得电子形成NO2-而加快速率的。 这是一次实践的锻炼。另外，我们也明白到，对于科学研究，耐性和信心是很重要的，铜与稀硝酸反应初期的速率实在很慢，我们在做对比实验的时候，用希望的眼神盯住那试管已经40多分钟之久了，它还是没有任何现象。我们甚至怀疑是否硝酸有问题了，于是用pH试纸去测其pH值。测得的结果是1，让我们有了
12、继续等下去的决心和动力。终于，坚持就是胜利，等了一个多小时，我们终于取得了第一手实验资料，为课题的研究奠定了基础。这是一次成功的尝试。实验使我们获得了一大堆零散的实验数据，我们需要总结、处理、加以利用。我们冷静地分析与讨论，将数据以不同的图表形式表现出来，完成了研究报告。所以说，这是一次能力的提高。 研究性学习，使我们学会了提出、分析和解决问题，学会了与人合作和分享，学会了坚持不懈、不断尝试，更深一点来说，是学会了摆脱安逸感，体验生活和体验人生。也许，这正是研究性学习的意义所在吧! 点评归纳：1课题来源于课本，来源于练习，这是研究性学习实施的具体化。2进行理论的探讨和分析，提出假设，学会提出问
13、题是研究性学习的重要内容之一。3提出问题实验设计数据分析和处理(实验现象和讨论)实验结论提出新问题，这是科学素质的具体体现。三位学生提出的实验设计思路，以及采取数据处理的方式，例如，表1的设计，图2的设计均具有很高的科学素养。4提高学生记录、处理和分析表格数据的能力，是新课程理念对化学教学的要求，也是近几年的高考试题中的热点考查的类型。我们相信，学生在“我与化学”活动中经历过一次实际的训练，不仅能体验科学研究的思路与方法，而且能提高他们的高考的应考能力5在中学学习中所涉及到的催化剂均是指加入催化剂加快了化学反应速率。三位学生针对此课题提出了：“在反应过程中产生了催化剂的假设”是一种创新思维。这一点是他们课题的精华。6学会查阅文献是解决问题的方法之一。7对比性实验设计是判断某物质是否为催化剂的常用方法。8学会与人合作和分享，学会坚持不懈、不断尝试，培养严谨的科学态度和尊重客观事实、善于合作等优良品质是研究性学习的重要目标之一。
