氨與氯化氫反應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王發(fā)應(yīng)

摘要：針對(duì)教材中氨與氯化氫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、易造成環(huán)境污染等不足，利用醫(yī)用注射器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不僅解決了教材實(shí)驗(yàn)方法存在的不足，還將原來(lái)的定性實(shí)驗(yàn)從定量的角度進(jìn)行了研究。同時(shí)，將實(shí)驗(yàn)的功能進(jìn)行了拓展，使其具有驗(yàn)證“分子運(yùn)動(dòng)”、“阿伏伽德羅定律”和“氣體擴(kuò)散定律”等多種功能，擴(kuò)大了學(xué)生的視野，降低了實(shí)驗(yàn)成本，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：氨與氯化氫反應(yīng)；分子運(yùn)動(dòng)氣體擴(kuò)散定律；阿伏伽德羅定律；測(cè)定空氣中氧氣含量

文章編號(hào)：1005-6629（2016）1-0069-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

人教版高中化學(xué)1（必修）第98頁(yè)圖4-28的氨與氯化氫的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作方便，但因?qū)嶒?yàn)是在敞開(kāi)的體系中進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)中濃氨水和濃鹽酸揮發(fā)出的氨和氯化氫氣體分散到空氣中，不僅污染環(huán)境，而且只有少部分接觸生成微小的NH4Cl固體，分散在空氣中而形成白煙。由于空氣的流動(dòng)，形成的白煙很快消散到空中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很不明顯，近處的學(xué)生只能在短時(shí)間內(nèi)看到現(xiàn)象，稍遠(yuǎn)的學(xué)生就會(huì)觀察不到任何現(xiàn)象，教學(xué)效果不理想。為此，筆者查閱了有關(guān)該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的眾多文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這些文獻(xiàn)只是從定性的角度進(jìn)行分析和探討，于是筆者利用醫(yī)用注射器從定量的角度對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。通過(guò)多次嘗試和改進(jìn)，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。不僅使氨與氯化氫的反應(yīng)在一密閉裝置中進(jìn)行，避免了環(huán)境污染，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從定性的角度說(shuō)明分子運(yùn)動(dòng)和氣體擴(kuò)散定律，而且由于注射器上帶有刻度，還能從定量的角度測(cè)量?jī)煞N氣體間反應(yīng)的體積關(guān)系，從而驗(yàn)證阿伏伽德羅定律。現(xiàn)介紹如下，供同行參考。

1.實(shí)驗(yàn)原理

（1）無(wú)色的氨氣和氯化氫氣體反應(yīng)，生成白色的氯化銨固體，細(xì)小的氯化銨固體顆粒分散在空氣中形成白煙：

NH3（無(wú)色氣體）+HCl（無(wú)色氣體）=NH4Cl（白色固體）。

（2）分子總是在不斷運(yùn)動(dòng)（分子運(yùn)動(dòng)論之一）。

（3）同溫同壓下，相同體積的任何氣體含有相同的分子數(shù)（阿伏伽德羅定律）。

（4）同溫同壓下各種不同氣體擴(kuò)散速度與氣體密度的平方根成反比（氣體擴(kuò)散定律）。

2.研究思路

（1）實(shí)驗(yàn)中所用的濃氨水和濃鹽酸揮發(fā)出的氨氣和氯化氫氣體均為有毒有害氣體，如按教材方法進(jìn)行操作，兩種氣體分散到空氣中，會(huì)污染環(huán)境，危害師生健康。如要解決實(shí)驗(yàn)的污染問(wèn)題，就必須讓兩種氣體在一密閉容器中反應(yīng)。

（2）我們研究的最終目的是該實(shí)驗(yàn)的定量反應(yīng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程要能顯示氣體體積的變化情況，那就需要能比較準(zhǔn)確地量取兩種氣體的裝置或儀器。而這種裝置或儀器還要具有操作簡(jiǎn)單方便、氣密性好等特點(diǎn)。而玻璃注射器不僅帶有刻度，而且其活塞與筒壁間能根據(jù)裝置內(nèi)外的壓強(qiáng)大小自動(dòng)移動(dòng)，從而自動(dòng)顯示反應(yīng)過(guò)程中氣體總體積的變化情況，因此是該實(shí)驗(yàn)的最佳儀器。

（3）針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的問(wèn)題，所改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)須使得參加反應(yīng)的氣體的量足夠多，從而產(chǎn)生較多的白煙，以增加實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度，最終達(dá)到增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的目的。因此我們選擇兩支20mL玻璃注射器來(lái)分別抽取氨氣和氯化氫氣體。

（4）在試驗(yàn)的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，如果用一根細(xì)管將兩支注射器直接連接，則反應(yīng)中產(chǎn)生的氯化銨固體有時(shí)會(huì)堵塞注射器出口和中間的細(xì)管，或者附著在注射器筒壁，影響活塞的移動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)效果。為此我們用一容積較大的直玻管（或50mL注射器筒截去前端部分制成的透明塑料筒）在兩端配一單孔塞（其孔徑比注射器針頭柱外徑稍?。﹣?lái)連接并固定兩支注射器（筒內(nèi)空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)無(wú)影響），不僅避免了氯化銨固體堵塞注射器出口和影響活塞移動(dòng)的問(wèn)題，而且反應(yīng)產(chǎn)生的白煙主要停留在中間的直管中，能長(zhǎng)時(shí)間保存和觀察，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯。

3.實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖l所示。

4.實(shí)驗(yàn)方法、現(xiàn)象及解釋

如圖2所示。

（1）用兩支20mL玻璃注射器，一支抽取10mL干燥的氨氣（或氯化氫氣體），另一支抽取20mL干燥的氯化氫氣體（或氨氣），然后按圖1所示組裝好反應(yīng)裝置，并靜置在桌面上。

（2）開(kāi)始時(shí)，塑料注射器筒內(nèi)靠近盛有氯化氫氣體的玻璃注射器一端的直管內(nèi)先出現(xiàn)白煙，這一現(xiàn)象說(shuō)明了兩個(gè)問(wèn)題：①分子在不停地運(yùn)動(dòng)；②氨氣的密度較小，氣體擴(kuò)散速率大。

（3）隨后，白煙逐漸充滿中間的直管，并逐漸向盛有氯化氫氣體的玻璃注射器內(nèi)蔓延，兩支玻璃注射器的活塞迅速向內(nèi)移動(dòng)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，兩種氣體快速發(fā)生反應(yīng)，生成氯化銨固體，導(dǎo)致裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)迅速減小，在大氣壓的作用下，注射器的活塞迅速向內(nèi)移動(dòng)。

（4）約2分鐘后反應(yīng)結(jié)束，裝置內(nèi)壓強(qiáng)不再減小，當(dāng)裝置內(nèi)、外壓強(qiáng)相等時(shí)兩支注射器活塞移動(dòng)停止。將其中—支玻璃注射器的活塞歸零，發(fā)現(xiàn)另一支注射器中剩余氣體的體積恰好為10mL。而且無(wú)論推動(dòng)哪支注射器活塞，最終另一支注射器中剩余氣體的體積都恰好為10mL，這一現(xiàn)象說(shuō)明：在常溫常壓下氯化氫氣體和氨氣是等體積反應(yīng)的，從而驗(yàn)證了阿伏伽德羅定律，“常溫常壓下，相同體積的任何氣體含有相同數(shù)目的分子”。

（5）取下活塞歸零后的注射器，將中間的連接管插入盛有紫色石蕊（或無(wú)色酚酞）試液的燒杯中，推動(dòng)收集有剩余氣體的注射器活塞，將剩余氣體推人紫色石蕊（或無(wú)色酚酞）試液中，溶液變紅。說(shuō)明剩余氣體為所抽取的20mL的那種氣體（氯化氫氣體或氨氣）。

（6）反復(fù)推拉注射器活塞，進(jìn)行抽取和推出液體的操作，使剩余氣體和反應(yīng)產(chǎn)生的氯化銨固體充分溶解，以消除污染。由于氯化銨是一種常用化肥，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可將廢液倒入花園中，不僅能避免環(huán)境污染，還能給花草施肥，起到了廢物利用的作用。

5.改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

5.1有利于環(huán)保

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)在密閉裝置中進(jìn)行，無(wú)氣體泄漏，又對(duì)尾氣進(jìn)行了水處理，無(wú)環(huán)境污染。

5.2現(xiàn)象明顯，可視性好

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)在密閉裝置中進(jìn)行，兩種氣體比較集中，產(chǎn)生的白煙多，且不受空氣流動(dòng)的影響，能夠長(zhǎng)時(shí)間觀察。兩端的氣體為無(wú)色，而中間反應(yīng)的產(chǎn)物為白煙，現(xiàn)象對(duì)比明顯，可視性好。還可在教室內(nèi)讓學(xué)生互相傳看，使每個(gè)學(xué)生都能清楚地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提高學(xué)生課堂教學(xué)的參與度，從而提高教學(xué)效果。

5.3操作簡(jiǎn)單

由于玻璃注射器活塞與筒壁間摩擦小，其活塞能根據(jù)裝置內(nèi)外的壓強(qiáng)大小自動(dòng)移動(dòng)，保持裝置內(nèi)外的壓強(qiáng)大小一致。所以只需將裝置組裝好后靜置在桌面上，直到反應(yīng)結(jié)束，最后進(jìn)行剩余氣體的體積讀取和性質(zhì)檢驗(yàn)即可，中間反應(yīng)過(guò)程不需要進(jìn)行任何操作。

5.4多功能

一套簡(jiǎn)單的裝置，卻能用來(lái)證實(shí)①氨氣與氯化氫氣體極易發(fā)生反應(yīng)；②分子運(yùn)動(dòng)；③氣體擴(kuò)散定律；④阿伏伽德羅定律這四個(gè)基本化學(xué)原理或定律，起到了一器多用的作用。

6.拓展應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)除了能用于改進(jìn)氨與氯化氫反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)外，去掉中間的連接管，用一個(gè)單孔塞（孔徑比針頭柱外徑稍小，便于固定和密封兩支注射器）將兩支注射器連接后，還能用來(lái)改進(jìn)測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)，操作方法如下。

6.1實(shí)驗(yàn)方法

將其中一支注射器取下，連接在NO氣體發(fā)生器上收集10mL NO氣體后，將其與另一支吸有20mL空氣的注射器分別插在單孔塞兩端的孔中（如圖3a所示），反復(fù)推拉其中一支注射器活塞，使NO氣體與空氣中的氧氣充分反應(yīng)（裝置中的氣體變?yōu)榧t棕色），約2分鐘后將裝置平放在桌面上，靜置，當(dāng)注射器活塞停止不動(dòng)后，一只手捏住其中一支注射器筒，另一只手輕輕推動(dòng)該注射器活塞，慢慢調(diào)整使其活塞停留在20mL刻度處，而另一支注射器活塞會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到另一刻度處。讀取兩支注射器中氣體的體積后相加，即得反應(yīng)后氣體的總體積（如圖3b所示）。重復(fù)實(shí)驗(yàn)2～3次，結(jié)果測(cè)得反應(yīng)后剩余氣體的平均體積約為25.7mL。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將剩余氣體注入濃氫氧化鈉溶液中吸收，以避免污染環(huán)境（實(shí)驗(yàn)條件：98.3kPa，23℃）。