# 铜和浓硝酸

拉普拉斯的迷你世界 · 图版 88 · 物质、光与声 · 物质

> 铜屑放进浓硝酸，溶液变绿，瓶里涌出红棕色的二氧化氮，比空气重，漫过瓶口往下沉。

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- 更新于：2026-11-03

## 01 铜遇上浓硝酸

实验室的浓硝酸约含 68% 到 70% 的硝酸，每升约 15 摩⁠尔。铜屑放进去，几乎马上起反应：铜的表面冒出气泡，溶液很快变绿，瓶里涌出红棕色的气体。

这是二氧化氮：Cu + 4 HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2 NO₂ + 2 H₂O。铜交出电子，变成铜离子溶进去；硝酸里的氮接过电子，变成二氧化氮。反应里没有氢气。

英国皇家化学会的演示用 5 克铜屑和 40 立⁠方⁠厘⁠米浓硝酸，在通风橱里由老师来做，拉下的窗扇挡在前面。反应很快，约 80 秒后才慢下来。

*Cu + 4 HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2 NO₂ + 2 H₂O · 浓硝酸 约 68⁠–⁠70%，每升 约 15 摩⁠尔*

## 02 一瓶装不下

按方程式，5 克铜能生成约 0.16 摩⁠尔二氧化氮，在 20 °C、一个大气压下约 3.8 升，是这只 250 毫⁠升锥形瓶的 15 倍。瓶子很快就满了，气体从瓶口涌出来。

二氧化氮的蒸气密度是空气的 1.58 倍。它不往上飘，漫过瓶口往下沉，积在低处。

通风橱从前面的开口吸进空气，从后壁的缝里抽走。处理很重的气体时，要让贴近台面的那道缝抽得最多。

*5 克铜 → 约 3.8 升二氧化氮（20 °C）· 蒸气密度 1.58（空气 = 1）*

## 03 红棕和无色

氮和氧能结合成好几种分子。二氧化氮 NO₂ 是红棕色的，一氧化氮 NO 却没有颜色。

颜色来自被吸收的光。按测得的吸收截面，NO₂ 在 400 纳⁠米的紫光处吸收最强，450 纳⁠米的蓝光还有它的四分之三，到 650 纳⁠米的红光只剩约五十分之一。紫光和蓝光被吸掉，透过来的光偏黄、偏红，看起来就是红棕色。NO 吸收的光不在可见光里，所以看不见。

教科书说，NO₂ 的颜色来自它的一个未成对电子。两个 NO₂ 还能连成无色的 N₂O₄，天冷时颜色会变淡；这个可逆的变化，留给以后讲化学平衡的一页。

*吸收截面：400 纳⁠米最强 · 650 纳⁠米 约为五十分之一 · NO 不吸收可见光*

## 04 先绿，后蓝

铜溶进硝酸，变成铜(II)离子。溶在水里的铜离子是蓝色的。可是在浓硝酸里，溶液一开始是绿的。

英国皇家化学会的解释是：浓酸里硝酸根很多，围在铜离子周围，这样的铜显绿色；加水稀释，水把硝酸根换下来，就变成常见的蓝色。演示里把水引进瓶里，绿色的溶液就变蓝。

蓝色来自溶液里的铜离子，不是铜块的颜色，也不是二氧化氮的颜色。

*浓的时候绿 · 稀释以后蓝 · 蓝色来自溶液里的铜离子*

## 05 稀酸里，无色的气体

旁边的大试管里是稀硝酸，泡着一圈铜丝。铜丝上也冒气泡，溶液慢慢变蓝，管里的气体却看不出颜色。

铜和稀硝酸反应，主要生成一氧化氮：3 Cu + 8 HNO₃ → 3 Cu(NO₃)₂ + 2 NO + 4 H₂O。同样 1 克铜，浓酸给出约 757 毫⁠升二氧化氮，稀酸只给出约 252 毫⁠升一氧化氮。

一氧化氮遇到空气里的氧，就变成二氧化氮：2 NO + O₂ → 2 NO₂。所以在试管口、空气进来的地方，才泛出棕色。实际上两种气体总是混在一起：酸越浓，NO₂ 越多；2024 年的一项测量里，8 到 11 摩⁠尔⁠每⁠升、80 °C 的硝酸溶解铜，NO₂ 也只占约九成。

*3 Cu + 8 HNO₃ → 3 Cu(NO₃)₂ + 2 NO + 4 H₂O · 2 NO + O₂ → 2 NO₂*

## 06 几个小时以后

二氧化氮有毒，而且伤害可能来得很晚。美国毒物与疾病登记署写道：吸进去以后，可能先有 3 到 30 小⁠时没有症状，然后才出现肺水肿。

英国的工作场所接触限值是 8 小⁠时平均 0.5 ppm、15 分⁠钟 1 ppm。美国 NIOSH 认为，到 13 ppm 就会立即危及生命或健康。

所以这个演示只由老师在通风橱里做，用量很小，窗扇拉下来挡在前面。这一页只画它，不讲怎么做。

*症状可能晚 3⁠–⁠30 小⁠时 · 英国限值 0.5 ppm（8 小⁠时）、1 ppm（15 分⁠钟）· NIOSH IDLH 13 ppm*

## 07 把氨烧成硝酸

工厂里的硝酸从氨来，氨怎么造，见“从空气里取氮”一页。氨和空气穿过一叠铂铑合金丝网，在 810 到 940 °C 烧成一氧化氮：4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O。丝网约九成是铂、一成是铑，95% 到 97% 的氨变成一氧化氮。

气体冷下来，一氧化氮和氧结合成二氧化氮，正是试管口的那一步。二氧化氮在吸收塔里遇水，变成硝酸：3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO，放出的一氧化氮再去和氧结合。出来的是 50% 到 65% 的硝酸。

合起来是 NH₃ + 2 O₂ → HNO₃ + H₂O。大部分硝酸用来做硝酸铵化肥。这个方法叫奥斯特瓦尔德法；Wilhelm Ostwald 1909 年得诺贝尔化学奖，是因为他对催化、化学平衡和反应速率的研究。

*4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O · 铂铑网 810⁠–⁠940 °C · NH₃ + 2 O₂ → HNO₃ + H₂O*

## 08 很热的空气

空气里有氮也有氧，平时它们并不结合：N₂ + O₂ → 2 NO 要吸收很多热。按热力学数据估算，室温下空气里平衡的一氧化氮几乎为零；热到 1500 K 约 0.13%，2000 K 约 0.8%，2500 K 约 2.3%。

教科书说，把氮和氧一起加热，会生成少量一氧化氮。美国环保署说，空气里的二氧化氮主要来自燃烧燃料；汽车尾气里的氮氧化物九成以上是一氧化氮，到了空气里，主要靠和臭氧反应变成二氧化氮。

闪电也这样：全球的闪电每年约生成含 500 万⁠吨氮的氮氧化物（200 万到 800 万⁠吨），约占全部来源的十分之一，化石燃料约是它的 6 倍。见“先看见闪电，再听见雷”一页。1785 年，Henry Cavendish 让电火花一次次穿过封在管里的空气，管里的碱液变成了硝石的溶液。

*N₂ + O₂ → 2 NO · 空气里的平衡 NO：1500 K 约 0.13% · 2000 K 约 0.8% · 2500 K 约 2.3%（估算）*

## 09 城市的空气里

美国环保署列出的二氧化氮来源是汽车、卡车、公交车、电厂和非道路机械。2023 年美国的氮氧化物排放里，公路车辆约占 22%，非道路的移动源约占 24%；欧盟 27 国这一年约 57% 来自交通。

二氧化氮刺激呼吸道，会加重哮喘。美国的标准是 1 小⁠时平均 100 ppb、年平均 53 ppb；世界卫生组织 2021 年的指导值是年平均每立方米 10 微克，约 5.3 ppb。

汽油车的三元催化器把氮氧化物还原成氮气，前提是发动机的空燃比接近化学计量；柴油机的尾气里氧气多，三元催化不适用，要另外喷尿素，用选择性催化还原把氮氧化物变成氮气和水。

*美国 2023：公路车辆 22% · 非道路移动源 24% · 标准 100 ppb（1 小⁠时）· 世卫 10 微⁠克⁠每⁠立⁠方⁠米（年平均）*

## 10 一枚铜币

美国化学家 Ira Remsen 在一次演讲里讲过他年轻时的事：在书上读到“硝酸作用于铜”，他想看看“作用于”是什么意思，就把一枚铜币放在桌上，倒上硝酸。

他说：绿蓝色的液体在铜币上起泡、冒烟，漫到桌上；附近的空气变成暗红色，升起一大团有颜色的云，难闻又呛人。他想把这摊东西扔出窗外，才知道硝酸也作用于手指；疼得在裤子上一擦，又发现硝酸作用于裤子。

这段话 1920 年印在 Benjamin Harrow 的书里。他看到的绿色液体和暗红色的气体，和今天通风橱里的演示一样。

*Ira Remsen 的回忆 · B. Harrow，Eminent Chemists of Our Time，1920*

## 11 逐件拆开

七样东西：锥形瓶、托盘、铁架台、夹子、试管架、大试管、试剂瓶。最要紧的是用量小，在通风橱里，窗扇挡在前面。

*锥形瓶 · 托盘 · 铁架台 · 夹子 · 试管架 · 大试管 · 试剂瓶*

## 12 浓一点，稀一点

这是本页的模型，按上面的方程式在网页里算：40 立⁠方⁠厘⁠米硝酸，选它的浓度、铜的质量和温度。气体里 NO₂ 占多少，是模型自己定的一条曲线，只对上两头的说法：约 5 摩⁠尔⁠每⁠升主要生成 NO，8 到 11 摩⁠尔⁠每⁠升 NO₂ 约占九成。反应的快慢也是模型取的：演示那一份约 80 秒后慢下来，温度每高 10 °C 快一倍。溶液的绿和蓝只跟着酸的浓度变。

每改一次，就重新放一次铜：看生成多少气体、其中 NO₂ 占多少、铜有没有剩下、溶液是什么颜色。这是网页上的模型，不是做实验的方法。

*本页的模型 · 气体的量按方程式算 · NO₂ 所占的份额和快慢是模型取的*

**试一试**：实验台上用 5 克铜，把硝酸调到 5 摩⁠尔⁠每⁠升：生成的气体里 NO₂ 约占多少？铜有没有剩下？再调到 15.2 摩⁠尔⁠每⁠升，气体多了还是少了？

## 模型省略了什么

台上是老师在通风橱里演示的模型：一只 250 毫⁠升锥形瓶夹在铁架台上，放在托盘里，旁边一支大试管和一瓶浓硝酸，不是哪一套实物的复制。英国皇家化学会的演示用的是 1 升的厚壁圆底烧瓶。窗扇没有画出来。试管里起初也有空气，开头一阵管里也会变棕；这里画的是空气被赶出去以后。气体按方程式、都按 NO₂ 单个分子算；实际上一部分 NO₂ 会两两结合成 N₂O₄，体积会少一些。气体怎样涌出、往下流、被抽向挡板下的缝，是画出来的，不是算出来的；它的颜色按测得的吸收截面算，浓度是画面取的。溶液的颜色也是画的。反应热按教科书的标准状态算，不是真实浓酸里的数。空气里平衡的一氧化氮是按热力学数据的估算，发动机里实际生成多少还取决于燃烧的时间和混合。实验台上 NO₂ 所占的份额和反应快慢是模型自己取的。

## 几个容易误会的地方

一氧化氮不是棕色的，棕色是它在空气里变成的二氧化氮。浓酸并不只生成 NO₂，稀酸也不只生成 NO，两种总是混在一起，只是多少不同；也没有一个浓度是截然的分界。铜和硝酸反应不放出氢气。蓝色来自溶液里的铜离子，不是铜块，也不是 NO₂。绿色的原因，这里用的是英国皇家化学会的说法。二氧化氮比空气重，不会飘走。街道上的一氧化氮主要靠和臭氧反应变成二氧化氮。闪电只占氮氧化物来源的约十分之一。Ostwald 的诺贝尔奖是因为催化和反应速率等研究，不是因为硝酸工艺。

## 常见问题

### 二氧化氮比空气重吗？

二氧化氮的蒸气密度是空气的 1.58 倍。它不往上飘，漫过瓶口往下沉，积在低处。

见：[02 一瓶装不下](https://world.lapla.si/zh/nitric/#pour)

### 一氧化氮和二氧化氮各是什么颜色？

二氧化氮 NO₂ 是红棕色的，一氧化氮 NO 却没有颜色。

见：[03 红棕和无色](https://world.lapla.si/zh/nitric/#colour)

### 铜和浓硝酸反应后，溶液为什么是绿色的？

英国皇家化学会的解释是：浓酸里硝酸根很多，围在铜离子周围，这样的铜显绿色；加水稀释，水把硝酸根换下来，就变成常见的蓝色。

见：[04 先绿，后蓝](https://world.lapla.si/zh/nitric/#green)

### 铜和稀硝酸反应生成什么气体？

铜和稀硝酸反应，主要生成一氧化氮：3 Cu + 8 HNO₃ → 3 Cu(NO₃)₂ + 2 NO + 4 H₂O。

见：[05 稀酸里，无色的气体](https://world.lapla.si/zh/nitric/#dilute)

### 二氧化氮为什么危险？

二氧化氮有毒，而且伤害可能来得很晚。美国毒物与疾病登记署写道：吸进去以后，可能先有 3 到 30 小⁠时没有症状，然后才出现肺水肿。

见：[06 几个小时以后](https://world.lapla.si/zh/nitric/#hours)

## 资料来源

1. [OpenStax：Chemistry 2e，18.7（铜和稀硝酸主要生成一氧化氮；浓硝酸生成二氧化氮；NO 无色、NO₂ 的颜色来自未成对电子；低温下生成无色的 N₂O₄）](https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/18-7-occurrence-preparation-and-properties-of-nitrogen)
2. [OpenStax：Chemistry 2e，17.1（铜和浓、稀硝酸的配平）](https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-1-review-of-redox-chemistry)
3. [OpenStax：Chemistry 2e，17.2（铜(II)离子使溶液呈蓝色）](https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-2-galvanic-cells)
4. [OpenStax：Chemistry 2e，附录 G（标准生成焓、熵）](https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/g-standard-thermodynamic-properties-for-selected-substances)
5. [美国国家标准与技术研究院：NIST-⁠JANAF 热化学表（NO、NO₂、N₂O₄、NH₃、水）](https://janaf.nist.gov/tables/N-005.txt)
6. [英国皇家化学会：D. Fleming，Exhibition chemistry: Dissolving copper in nitric acid（2011，安全说明 2021；5 克铜屑、40 立⁠方⁠厘⁠米浓硝酸、窗扇当防护屏、先绿后蓝、约 80 秒后变慢）](https://edu.rsc.org/exhibition-chemistry/dissolving-copper-in-nitric-acid/2020047.article)
7. [H. Takeda、E. Okita、T. Horie、M. Asano、M. Yasuda（2024）：Amount and Composition of NOx Generated by Metal (Cu, Ni, and Fe) Dissolution Reaction with Nitric Acid，J. Chem. Eng. Japan 57（摘要）](https://doi.org/10.1080/00219592.2024.2438086)
8. [MPI-⁠Mainz UV/VIS Spectral Atlas：NO₂ 吸收截面，JPL-⁠2010 推荐值（S. P. Sander 等，JPL Publication 10-6；A. C. Vandaele 等 1998 的测量）](https://www.uv-vis-spectral-atlas-mainz.org/uvvis_data/cross_sections/Nitrogen%20oxides/NO2_JPL-2010(2011)_294K_240-662.5nm(rec).txt)
9. [美国国家医学图书馆：PubChem，二氧化氮（HSDB 转引 Merck Index、CRC 手册、ICSC：红棕色、沸点、蒸气密度 1.58）](https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/3032552)
10. [Fisher Scientific：Nitric acid (65 - 70%) 安全数据表（2025）](https://www.fishersci.com/store/msds?partNumber=A200212&productDescription=NITRIC+ACID+TRACE+METAL+2.5L&vendorId=VN00033897&countryCode=US&language=en)
11. [国际纯粹与应用化学联合会 CIAAW：标准原子量](https://www.ciaaw.org/abridged-atomic-weights.htm)
12. [德保罗大学环境健康与安全：Fume hoods（导流板和缝；重的蒸气要贴近台面抽走）](https://offices.depaul.edu/facilities-operations/environmental-health-safety/Pages/fume-hoods.aspx)
13. [美国 NIOSH：Pocket Guide，二氧化氮（短时限值 1 ppm，IDLH 13 ppm）](https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0454.html)
14. [英国健康与安全执行局：EH40 工作场所接触限值（二氧化氮 0.5 ppm、1 ppm）](https://www.hse.gov.uk/pubns/books/eh40.htm)
15. [美国毒物与疾病登记署 ATSDR：Medical Management Guidelines，氮氧化物（3 到 30 小⁠时以后的肺水肿）](https://wwwn.cdc.gov/TSP/MMG/MMGDetails.aspx?mmgid=394&toxid=69)
16. [欧盟联合研究中心：BREF，Large Volume Inorganic Chemicals – Ammonia, Acids and Fertilisers（2007，硝酸）](https://eippcb.jrc.ec.europa.eu/sites/default/files/2019-11/lvic_aaf.pdf)
17. [Fertilizers Europe（EFMA）：BAT Booklet 2，Production of Nitric Acid（2000）](https://www.fertilizerseurope.com/wp-content/uploads/2019/08/Booklet_2_final.pdf)
18. [美国环保署：AP-⁠42，8.8 Nitric Acid（铂铑网、产率、用途）](https://www.epa.gov/sites/default/files/2020-09/documents/8.8_nitric_acid.pdf)
19. [诺贝尔奖官网：1909 年化学奖，Wilhelm Ostwald](https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1909/summary/)
20. [美国环保署：Basic Information about NO2（来源和对健康的影响）](https://www.epa.gov/no2-pollution/basic-information-about-no2)
21. [美国环保署：Overview of Nitrogen Dioxide (NO2) Air Quality in the United States（2026；尾气里九成以上是 NO；2023 年排放份额）](https://www.epa.gov/system/files/documents/2026-06/no2_2025.pdf)
22. [美国环保署：NAAQS 表（二氧化氮 100 ppb、53 ppb）](https://www.epa.gov/criteria-air-pollutants/naaqs-table)
23. [欧洲环境署：Sustainability of Europe’s mobility systems 2025，Air pollution（2023 年交通占欧盟 NOx 的 57.3%）](https://www.eea.europa.eu/en/analysis/publications/sustainability-of-europes-mobility-systems-2025/air-pollution)
24. [世界卫生组织：全球空气质量指导值（2021；二氧化氮年平均 10 微⁠克⁠每⁠立⁠方⁠米）](https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228)
25. [DieselNet（W. A. Majewski）：Diesel Catalysts、Selective Catalytic Reduction（三元催化要接近化学计量的空燃比；柴油车用尿素 SCR）](https://dieselnet.com/tech/cat_scr.php)
26. [U. Schumann、H. Huntrieser（2007）：The global lightning-⁠induced nitrogen oxides source，Atmos. Chem. Phys. 7](https://acp.copernicus.org/articles/7/3823/2007/)
27. [H. Cavendish（1785）：Experiments on Air，Phil. Trans. R. Soc. 75（1785 年 6 月 2 日宣读）](https://archive.org/details/jstor-106766)
28. [B. Harrow（1920）：Eminent Chemists of Our Time，Ira Remsen 一章（他在演讲里讲的铜币）](https://archive.org/details/cu31924012363143)

## 数据

The reactions and the colours of NO, NO₂ and the copper(II) ion from OpenStax Chemistry 2e; enthalpies and entropies from OpenStax (appendix G) and the NIST-⁠JANAF tables (M. W. Chase, 1998); NO₂’s cross sections from the JPL-⁠2010 evaluation (S. P. Sander et al., JPL Publication 10-6) of the measurements of A. C. Vandaele et al. (1998), through the MPI-⁠Mainz UV/VIS Spectral Atlas; vapour densities, boiling points and concentrated acid’s strength from the Merck Index, the CRC Handbook and the ICSC cards (via PubChem’s HSDB records) and a Fisher Scientific safety data sheet; atomic weights from IUPAC’s CIAAW; R and the standard atmosphere are the exact CODATA 2022 values. The gas volumes, the heats, the NO in hot air and the colours of the gas are computed here; the lab is the page’s own model. The demonstration after the Royal Society of Chemistry’s Exhibition Chemistry column by D. Fleming (2011, safety notes 2021) and its Practical Chemistry pages; fume cupboard baffles after DePaul University’s safety pages; exposure limits from NIOSH and the HSE (EH40), the delayed harm from ATSDR; the mixture of NO and NO₂ after H. Takeda et al., J. Chem. Eng. Japan (2024); the Ostwald process after the EU’s Best Available Techniques reference (JRC, 2007), Fertilizers Europe (2000) and the US EPA’s AP-⁠42; NOx in the air after the US EPA, the EEA, the WHO (2021) and DieselNet; lightning after U. Schumann and H. Huntrieser, Atmos. Chem. Phys. (2007); H. Cavendish’s Experiments on Air (1785); Ira Remsen’s account as printed by B. Harrow (1920). The bench is this page’s model of a teacher’s demonstration in a fume cupboard: a 250 mL conical flask in a retort stand’s clamp, a spill tray, a boiling tube in a rack and a stock bottle; not a copy of any one set. Material presets and the model kit as on the site’s other model plates (public/looks/CREDITS.md).

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## 引用这幅图版

拉普拉斯的迷你世界，图版 88《铜和浓硝酸》，https://world.lapla.si/zh/nitric/，CC BY-NC 4.0，2026-11-03 更新。