利用數(shù)字化實驗探究銀氨溶液主要成分

劉和平 張敏

摘要：利用pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器進行數(shù)字化實驗，通過測定Ag（NH3）2OH和Ag（NH3）2NO3溶液pH和理論計算的方法，證明了向AgNO3溶液中加氨水制備的銀氨溶液主要成分并非Ag（NH3）2OH而是Ag（NH3）2NO3。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；銀氨溶液；Ag（NH3）2OH；Ag（NH3）2NO3

文章編號：1008-0546（2016）05-0000-00 中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.000

一、問題的提出

人教版化學(xué)選修5對銀氨溶液的制備方法陳述如下：在潔凈的試管中加入l mL 2%的AgNO3溶液，然后邊振蕩試管邊逐滴滴入2%的稀氨水，至最初產(chǎn)生的沉淀恰好完全溶解為止，制得銀氨溶液。并在教材58頁資料卡片中給出了制備銀氨溶液的化學(xué)反應(yīng)方程式[1]：

AgNO3+NH3·H2OAgOH↓+NH4·NO3

AgOH+2NH3·H2OAg（NH3）2OH+2H2O

教材指出銀氨溶液的主要成分為Ag（NH3）2OH，多數(shù)教師也將此溶液的主要成分視為Ag（NH3）2OH，但是也有一些研究者對此提出了不同的看法，通過理論和實驗的研究證明了其中的主要成分應(yīng)為Ag（NH3）2NO3。[2][3][4][5][6]其中具有代表性的有楊洪雷（2008）：利用pH試紙比較制備的Ag（NH3）2OH和Ag（NH3）2NO3溶液的pH并比較二者制備過程中消耗氨水的體積來說明教材中制備出來的銀氨溶液的主要成分；李成剛，何小穩(wěn)（2013）：利用酸度計比較2%氨水、Ag（NH3）2OH和Ag（NH3）2NO3溶液的pH說明了銀氨溶液主要成分，并提出教材中制備的銀氨溶液呈堿性來自于氨水的電離平衡。

但是在之前的研究中也存在著一些問題，比如：利用肉眼觀察氨水加入硝酸銀時沉淀恰好完全溶解的點不夠精確；采用pH試紙測量溶液pH不夠準(zhǔn)確，不同研究者的數(shù)據(jù)結(jié)果相差很大；利用pH計或pH試紙均難以連續(xù)記錄溶液制備中的pH變化過程以及制備Ag（NH3）2OH的過程牽扯到離心、洗滌等過程較為繁瑣。

所以，筆者在本研究中基于前人的研究基礎(chǔ)，利用數(shù)字化實驗這種具有實時性、準(zhǔn)確性和直觀性的新型實驗裝置對銀氨溶液主要成分的探究方法進行進一步的改進。

二、改進思路

“沉淀恰好完全溶解”的判定在先前的研究中，研究者幾乎均為憑借肉眼觀測來判斷沉淀是否恰好完全溶解了，這樣很可能會使得所滴加的氨水過量而影響后面的pH測定，降低了實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

電導(dǎo)率傳感器是測量溶液中電荷流動難易程度的傳感器，在溶液中，因離子的移動而導(dǎo)電，所以在一定的濃度范圍內(nèi)，溶液離子濃度越高，導(dǎo)電能力就越強[7]。在本研究中，當(dāng)向AgNO3溶液中滴加氨水后由于會生成沉淀（AgOH，Ag2O）所以電導(dǎo)率先下降，當(dāng)繼續(xù)滴加氨水后由于沉淀的溶解會生成銀氨絡(luò)合物，所以電導(dǎo)率將會逐漸上升，并且隨著沉淀的消耗電導(dǎo)率上升的趨勢也將放緩，而當(dāng)沉淀恰好完全溶解時電導(dǎo)率將上升到最高點，之后若繼續(xù)滴加氨水，電導(dǎo)率將會下降。比如，采用向AgNO3溶液先滴加氫氧化鈉溶液至沉淀生成完全，再滴加氨水至沉淀完全溶解的方法制備Ag（NH3）2OH的方法時，用電導(dǎo)率傳感器在上述過程中持續(xù)測定混合溶液的電導(dǎo)率，在電導(dǎo)率降低到最低點開始有上升趨勢時立即停止滴加NaOH溶液。這樣實驗者便可以通過電導(dǎo)率的變化來判定沉淀的生成和溶解情況，克服肉眼觀看時可能產(chǎn)生的誤差。

利用pH傳感器可以準(zhǔn)確、實時的記錄銀氨溶液整個制備過程中pH變化情況，所以將電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器聯(lián)合使用，并且在同一時刻開始啟動，實驗者便可以根據(jù)電導(dǎo)率上升到最高點時所對應(yīng)的pH來得出所制備銀氨溶液的pH。通過這一改進方法即使氨水滴加過量，實驗者只要讀出電導(dǎo)率最高點對應(yīng)的pH便可以知道所制銀氨溶液的pH，并不會受到氨水滴加過量的影響。

三、實驗原理

實驗一：當(dāng)按照書本實驗用2%的稀氨水滴加2%硝酸銀溶液將產(chǎn)生如下反應(yīng)：

AgNO3+NH3·H2OAgOH↓+NH4·NO3（1）

AgOH+2NH3·H2OAg（NH3）2OH+2H2O（2）

Ag（NH3）2OH+NH4·NO3Ag（NH3）2NO3+

NH3·H2O（3）

合并后：AgNO3+3NH3·H2OAg（NH3）2NO3+

NH3·H2O+H2O（4）

由方程（4）知該銀氨溶液制備過程中雖然消耗了氨水但是又會生成氨水，所以溶液呈弱堿性。因而，可以根據(jù)反應(yīng)后溶液中氨水的量來計算銀氨溶液Ⅰ的酸堿度pH1。

實驗二：當(dāng)先向2%硝酸銀溶液滴加1mol/LNaOH溶液后將發(fā)生如下反應(yīng)：

AgNO3+NaOH= AgOH↓+NaNO3 （5）

當(dāng)沉淀完全后向溶液中滴加2%的稀氨水后：

AgOH+2NH3·H2OAg（NH3）2OH+2H2O（6）

Ag（NH3）2OH是強電解質(zhì)，所以O(shè)H-離子將會被完全電離出，因此可以根據(jù)反應(yīng)生成的Ag（NH3）2OH的量來計算銀氨溶液Ⅱ的酸堿度pH2。同時，通過這種方法制備Ag（NH3）2OH的過程比李成剛等（3013）提到的方法要簡單地多，當(dāng)然這種方法的實現(xiàn)也要依賴于電導(dǎo)率的使用，否則無法判斷沉淀恰好完全生成的點，從而導(dǎo)致NaOH溶液過量。

由方程式（4）和（6）可知在銀氨溶液Ⅰ中主要成分為Ag（NH3）2NO3，銀氨溶液Ⅱ中的主要成分為Ag（NH3）2OH，所以在同樣的條件下比較pH1 與pH2的相對大小可以說明向AgNO3溶液中加氨水制備的銀氨溶液書本上制備的銀氨溶液要成分是Ag（NH3）2NO3還是Ag（NH3）2OH。

四、實驗過程

1. 實驗儀器和藥品

實驗儀器：鐵架臺，磁力攪拌器，50ml三口燒瓶，電導(dǎo)率傳感器，pH傳感器，10ml量筒，5ml、10ml注射器

實驗藥品：1mol/LNaOH溶液，2%AgNO3溶液，2%氨水

2. 實驗裝置

3. 實驗步驟

實驗一：

（1）按照上圖搭建好實驗裝置（由于電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器同時使用存在干擾，所以需要利用兩臺數(shù)據(jù)采集器和電腦進行測量），向三口燒瓶中注入15ml 2%AgNO3溶液，再向其中注入25ml蒸餾水（保證兩個傳感器可以浸沒在溶液中），開啟磁力攪拌器；

（2）同時開啟電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器以記錄溶液的電導(dǎo)率和pH變化；

（3）用注射器吸取10ml 2%的氨水，然后向溶液中逐滴緩慢滴加氨水，觀察數(shù)字化實驗的圖像變化情況；

（4）一段時間后等溶液中電導(dǎo)率開始第二次下降時（即圖2中A點）視為沉淀恰好完全溶解，讀出注射器的氨水體積，得出使沉淀恰好完全溶解時所滴加的氨水的體積V1；

（5）根據(jù)電導(dǎo)率達到A點所需要的時間，從圖3讀出該時刻的pH值（pH1），該值即為利用方法一制得的銀氨溶液Ⅰ的pH值。

實驗二：

（1）按照上圖搭建好實驗裝置，向三口燒瓶中注入15ml 2%AgNO3溶液，再向其中注入25ml蒸餾水；

（2）同時開啟電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器以記錄溶液的電導(dǎo)率和pH變化；

（3）用注射器吸取5ml 1mol/LNaOH溶液，然后向溶液中逐滴緩慢滴加NaOH溶液，觀察數(shù)字化實驗的圖像變化情況；

（4）一段時間后等溶液中電導(dǎo)率下降到圖5中的最低點B處時立即停止滴加NaOH溶液，讀出消耗的NaOH溶液的體積V2，在此時刻溶液中Ag+視為達到完全沉淀的狀態(tài)；

（5）用注射器向溶液中逐滴緩慢滴加2%氨水，一段時間后等溶液中電導(dǎo)率開始第二次下降時（即圖4中C點），讀出注射器的氨水體積，得出使沉淀恰好完全溶解時所滴加的氨水的體積V3；

（6）根據(jù)實驗一同樣的方法從圖6讀出銀氨溶液Ⅱ的pH值pH2。

4. 實驗結(jié)果

5. 理論計算與分析

2%AgNO3溶液的密度為1.015g/mL，轉(zhuǎn)化成物質(zhì)的量濃度：

2%氨水密度為0.990g/mL，轉(zhuǎn)化成物質(zhì)的量濃度：

實驗一（第一次）：15mL2%AgNO3加25mL水，在沉淀完全溶解至澄清時，發(fā)現(xiàn)消耗2%氨水的體積V1=4.5mL。

根據(jù)銀氨絡(luò)離子的配位平衡：

Ag++2NH3=Ag（NH3）2+

起始濃度（mol/L） a b 0

平衡濃度（mol/L） x b-2×（a-x） a-x

查手冊知[8]：銀氨絡(luò)離子的配合常數(shù)為K不穩(wěn)=5.89×10-8，K穩(wěn)=1.69×107，所以近似：x很小，故b-2×（a-x）≈b-2a

因為a、b都是混合后體積增大后的濃度，可求出：

則平衡時氨水的濃度為：

則pH1？鄢≈10.98

實驗二（第一次）：15mL2%AgNO3加25mL水，在沉淀完全生成時理論計算消耗1mol/L的NaOH溶液1.8mL，而實際發(fā)現(xiàn)沉淀完全時消耗的NaOH溶液的體積V2也為1.8mL。沉淀完全溶解至澄清時消耗的2%氨水的體積V3=8.3mL。

由于Ag（NH3）2OH是強堿性化合物，在水溶液中完全電離，所以溶液中的OH-的濃度主要是由其產(chǎn)生，因此可進行以下計算：

pH2？鄢≈12.56

觀察圖3和圖6可以知道兩種銀氨溶液的pH實驗值分別為pH1=11.32、pH2=13.01，分別接近于二者的理論值pH1？鄢和pH2？鄢，這說明本實驗的結(jié)果和理論計算是基本吻合的。銀氨溶液Ⅰ呈堿性是由于生成了氨水，而氨水是弱堿所以導(dǎo)致銀氨溶液Ⅰ的pH明顯比銀氨溶液Ⅱ的 pH小，所以可以根據(jù)pH1小于pH2說明書本實驗中銀氨溶液主要成分為Ag（NH3）2NO3。

6. 實驗總結(jié)

通過數(shù)字化實驗、理論分析和計算說明了中學(xué)化學(xué)教材上制備的銀氨溶液主要成分是Ag（NH3）2NO3而非Ag（NH3）2OH。則教材中配制銀氨溶液的化學(xué)方程式應(yīng)改為：

AgNO3+NH3·H2O=AgOH↓+NH4·NO3

AgOH+2NH3·H2O=Ag（NH3）2OH+2H2O

Ag（NH3）2OH+NH4·NO3=Ag（NH3）2NO3+NH3·H2O

既然銀氨溶液的溶質(zhì)是Ag（NH3）2NO3，那么銀鏡反應(yīng)的方程式也要做相應(yīng)的修改。例如：銀氨溶液與乙醛發(fā)生的銀鏡反應(yīng)的反應(yīng)方程式應(yīng)修改為：

2Ag（NH3）2NO3+CH3CHO+H2OCH3COONH4+2NH4NO3+2Ag↓+NH3

作為教育工作研究者，我們應(yīng)該持有一種批判的態(tài)度對待每一個化學(xué)事實，并通過實驗去驗證它，而數(shù)字化實驗以其直觀性、準(zhǔn)確性、實時性的特點為我們開展實驗研究提供了便利。

參考文獻

[1] 宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書，有機化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：人民教育出版社，2007：57-58.

[2] 李先栓，銀氨溶液呈堿性的探究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2011.

[3] 李成剛與何小穩(wěn)，用于銀鏡反應(yīng)的銀氨溶液成分及堿性的探究[J].化學(xué)教學(xué)，2013（09）：第39-41頁.

[4] 楊洪雷，銀氨溶液中的溶質(zhì)是[Ag（NH3）2]OH嗎[J].化學(xué)教育，2008（06）：第67-68頁.

[5] 宋志貴，中學(xué)化學(xué)教材中2種溶液成分的探討[J].化學(xué)教育，2011（05）：第64-65頁.

[6] 尤素蘭，銀氨溶液的主要成分是Ag（NH3）20H嗎[J]. 化學(xué)教與學(xué)，2011.

[7] 傅獻彩等，物理化學(xué)第二冊（第5版）[M].高等教育出版社，2010，18：19.

[8] 北京師范大學(xué)化學(xué)系，簡明化學(xué)手冊[M].北京.北京出版社出版，1980，6：208.