中學化學《氨》的一體化實驗裝置設計

劉藝　吳雙桃　黃沔銣　顏冬微

[摘要]對人教版《普通高中課程標準實驗教科書·化學（必修一）》中的《氨的性質(zhì)和實驗室制法》進行改進，設計一體化實驗裝置，以方便教師對教學內(nèi)容和實驗現(xiàn)象進行講解和演示。此裝置操作簡單方便，現(xiàn)象明顯，易于觀察，且能快速地完成氨的制備和性質(zhì)檢驗，為中學課堂教學節(jié)約時間。裝置設計尾氣回收環(huán)節(jié)，有利于保護師生健康，是與環(huán)境和諧相處的綠色化學實驗。

[關(guān)鍵詞]氨的實驗室制法；氨的性質(zhì)實驗；一體化實驗裝置；綠色化學

[中圖分類號]G633.8 [文獻標識碼]A [文章編號]1674-6058（2017）05-0105-02

研究的問題：人教版《普通高中課程標準實驗教科書·化學（必修一）》教學大綱中要求掌握氨的性質(zhì)、用途和實驗室制法，教師對氨的化學性質(zhì)和實驗室制法需進行演示實驗。必修一（P97～100）對氨的性質(zhì)和氨的實驗室制法進行了詳細的介紹，對需驗證的性質(zhì)實驗分別給出了實驗裝置圖，但相關(guān)驗證內(nèi)容零散，裝置也較簡單，每個檢驗裝置單獨存在，缺乏完整的實驗一體化裝置設計。教師如要演示此實驗，課前需做大量的準備工作，且對裝置的氣密性要求嚴格。如此安排實驗，不但操作不方便，且實驗大多在開放的空氣中進行，無尾氣回收裝置，對室內(nèi)的師生健康存在嚴重的威脅。

研究的目的：為了克服上述不足，我們根據(jù)中學教學的特點以及學生的認知情況，以教材為基礎(chǔ)，對實驗裝置進行整合和改進，設計出一體化實驗裝置。該裝置符合以下條件：操作簡單，為教師在課堂上做演示實驗提供方便；現(xiàn)象明顯，便于學生觀察實驗過程和了解實驗原理；能快速地完成氨的制備和性質(zhì)檢驗，從而為課堂教學節(jié)約時間；根據(jù)氨有損人體健康的特點，裝置設計尾氣回收環(huán)節(jié)，滲透環(huán)境教育，促進學生樹立環(huán)保理念。

一、原理

1.氨的實驗室制法

以NH₄Cl和Ca（OH）₂粉末為原料，通過固固加熱反應生成氨氣?；瘜W反應為2NH₄Cl+Ca（OH）₂=CaCl₂+2H₂O+2NH₃↑。

2.氨的性質(zhì)實驗

氨的揮發(fā)性實驗：氨有揮發(fā)性，可以和同樣有揮發(fā)性的濃氯化氫反應產(chǎn)生白煙，化學反應為NH₃+HCl=NH₄C1。

氨的弱堿性實驗：氨能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍色，說明氨溶于水的水溶液呈弱堿性，化學反應為NH₃+H₂O=NH₃·H₂O。

噴泉實驗：氨氣在水中的溶解度很大，可在短時間內(nèi)使容器內(nèi)外產(chǎn)生足夠的壓強差，從而形成噴泉狀。噴泉實驗趣味性強，直觀效果好，可說明氨具有極易溶于水的性質(zhì)。

二、教材實驗的缺點

1.氨的實驗室制法

圖1為教材中氨氣的制備圖。由圖1可知，其制備和收集裝置是用橡膠塞和棉花密封，而實驗過程中難以控制反應壓力，容易因為氣體膨脹過快導致試管爆裂或污染環(huán)境；其次，裝置沒有設計尾氣處理環(huán)節(jié)，由于氨是有難聞的刺激性氣味、易溶于水的氣體，對皮膚和黏膜組織有極強的腐蝕性，直接排到空氣中易引起感官不適，并可能對師生健康造成威脅，不符合當前綠色化學的理念；而且氨極易溶于水，如沒有干燥管除去水分，則極易造成弱堿性檢驗、噴泉實驗等實驗現(xiàn)象不明顯或者收集的時間過長等問題。

2.氨的揮發(fā)性和弱堿性實驗

圖2為書本中的實驗裝置圖。由圖2可知，氨和濃氯化氫反應驗證氨揮發(fā)性的實驗是在開放的環(huán)境中進行的，強酸（濃氯化氫）和堿性氣體（氨）對人體有一定的傷害。濃氯化氫為無色液體，圖2教材中氨的揮

發(fā)性檢驗裝置在空氣中會產(chǎn)生白霧（鹽酸有強揮發(fā)性，與水蒸氣結(jié)合形成小液滴），有刺鼻氣味，高濃度鹽酸對鼻黏膜和結(jié)膜有刺激作用。鹽酸是六大無機強酸之一，在裸露的環(huán)境中進行實驗，如操作不當，鹽酸滴到身體的任何部位，都會給師生帶來一定的傷害。

3.噴泉實驗

氨易溶于水的性質(zhì)可用噴泉實驗來檢驗，圖3為教材中氨的噴泉實驗裝置圖。由于制備實驗和性質(zhì)實驗分離，因此操作煩瑣，且存在泄漏隱患。教師上課前需提前制備好氨氣，并收集裝入瓶中，攜帶至教室。因為氨氣是極易揮發(fā)的氣體，所以如果收集時裝置氣密性不好，很可能造成課堂演示實驗的失敗，且只可操作一次，如需多次操作課前則要準備多瓶氨氣以備用。

三、實驗改進

1.用品、儀器

NH₄Cl、Ca（OH）₂、濃HCl、堿石灰、酚酞，均為市售分析純試劑。

試管、燒杯、漏斗、導管、針筒、玻璃棒、三頸圓底燒瓶、干燥管、酒精燈、橡膠塞、木塊、鐵架臺、止水夾、石蕊試紙、橡皮膠管。

2.結(jié)果與討論

（1）一體化實驗裝置圖

針對以上問題，對書本中的實驗做了如圖4所示的改進。圖4為氨的一體化實驗裝置圖，此裝置可分為三個部分，能分別完成氨的制備、氨的揮發(fā)性和弱堿性檢驗實驗以及噴泉實驗等多個實驗，且現(xiàn)象明顯，操作方便。需要注意的是：氨的制備采用固固加熱，反應中生成水，因此反應裝置的試管口要朝下，以防止冷凝水回流使試管炸裂造成危險。氨在水中的溶解度大，一體積水大約可溶解700體積氨氣，故在試管尾部加裝堿石灰干燥管，吸收水分，以減少氨氣的消耗。干燥管和反應裝置之間的連接導管盡量短，以盡可能減短產(chǎn)生的氨溶于水的時間；同時左邊A裝置添加了防倒吸的尾氣處理裝置，在右邊B裝置中氨收集滿時，用尾氣處理裝置吸收反應剩余的氨，此操作在避免剩余氨對師生造成傷害的同時，又能控制反應速率。另外，氨的密度比空氣小，收集氨氣時采用向下排空氣法，使收集到的氨更加純凈。

（2）改進結(jié)果

其一，改進實驗在相對密封的環(huán)境中進行，可控制氨氣的收集和尾氣處理，并在收集氨的同時對氨的化學性質(zhì)進行檢驗。在B裝置④號口處分別用濕潤的石蕊試紙和濃氯化氫驗證氨的弱堿性，圖5為氨的弱堿性實驗操作圖，實驗過程中觀察到紅色石蕊試紙變藍，很好地說明氨的水溶液呈弱堿性，且操作簡便，進入空氣中的氨極少。既方便教師安全地進行演示實驗，也可以讓學生親自操作此步驟，激發(fā)學生對化學的學習興趣，提高動手能力。

其二，改進設計將反應裝置和收集裝置合二為一，既避免了收集過程中氨氣泄漏，濃度降低，導致使實驗現(xiàn)象不明顯，同時減少化學氣體帶來的不適感和健康上的損害。實驗開始之前，將①號口的止水夾打開，②、③、⑤號口的止水夾關(guān)閉，同時④號口處插上含有少量水的針筒，三頸燒瓶下的燒杯中裝有水和幾滴酚酞。先用針筒擠少量水，使少部分液體進入燒瓶吸收瓶中氣體，這樣瓶中的壓強就會小于外界大氣壓，此時將⑤號口處的止水夾打開，大氣壓便將燒杯中的水壓人燒瓶中，燒瓶中形成噴泉（如圖6所示）。本裝置將⑤上方的噴頭做得小而尖，觀察到的噴泉現(xiàn)象尤其明顯，有力地說明了氨易溶于水的性質(zhì)。由于實驗所用水中有酚酞試劑，酚酞在8.2%pH%10.0溶液中呈粉紅色，又因氨極易溶于水生成NH₃·H₂O，水溶液呈弱堿性，故氨溶于酚酞溶液所形成的噴泉顏色為紫紅色，這也驗證了氨溶于水呈弱堿性的性質(zhì)。

四、結(jié)論

以教材為基礎(chǔ)，將氨的實驗室制法和性質(zhì)檢驗設計成一體化實驗，方便教師進行演示實驗，操作簡單，節(jié)約了課堂演示實驗的時間。實驗裝置通過止水夾的使用使其處于受控狀態(tài)，實驗現(xiàn)象明顯，同時又能做到綠色環(huán)保，有利于保護室內(nèi)空氣質(zhì)量，保障師生健康，符合高中課程標準提出的“倡導探求性學習”和“綠色化學”的基本理念。

（責任編輯 羅艷）