氨氣的制備及性質(zhì)探究一體化實(shí)驗(yàn)

林夢(mèng)思

摘要：針對(duì)新人教版高中化學(xué)必修2教材中關(guān)于氨氣的3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)方案的不足，經(jīng)過查閱文獻(xiàn)和反復(fù)研究，設(shè)計(jì)了集氨氣的制備、收集、性質(zhì)探究及尾氣處理于一體的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案操作簡便、成功率高、安全環(huán)保，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象新奇有趣，既能進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)，又能讓學(xué)生自行動(dòng)手完成，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：氨氣；一體化；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1008-0546（ 2022）11x-0084-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.021

一、問題的提出

現(xiàn)行新人教版高中化學(xué)必修2教材中，針對(duì)氨氣的制備與性質(zhì)共設(shè)計(jì)了3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，分別是：加熱NH4Cl和Ca（OH）2的固體混合物制取氨氣、氨氣溶于水的噴泉實(shí)驗(yàn)、氨氣與氯化氫的白煙實(shí)驗(yàn)。所采用的裝置如圖1所示。

以上3個(gè)實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)必做的演示實(shí)驗(yàn)，但教材實(shí)驗(yàn)存在以下幾點(diǎn)不足。

1．氨氣需要預(yù)先制備

新人教版必修2中的噴泉實(shí)驗(yàn)需要事先用固體NH4CI和Ca（OH）2共熱制取氨氣。制取氨氣時(shí)，加熱過程中試管容易炸裂，比較危險(xiǎn)；收集氣體時(shí)．氨氣會(huì)透過棉花散布到空氣中，造成環(huán)境污染。

2．噴泉實(shí)驗(yàn)易失敗

教材上的噴泉實(shí)驗(yàn)要求氨氣必須充滿燒瓶，為了保證收集到足夠的氨氣，往往需要加大試劑用量，造成藥品浪費(fèi)；同時(shí)，在氨氣的制備、收集、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)都容易造成氨的泄漏，不能保證實(shí)驗(yàn)成功率，并且污染環(huán)境。該實(shí)驗(yàn)對(duì)氨氣和收集氨氣的裝置的干燥程度要求高，稍有水分易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。[1]

3．噴泉顏色變化單一

噴泉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象震撼，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，但教材上噴泉實(shí)驗(yàn)的顏色變化僅僅是由無色變?yōu)榧t色，略顯單一。[2]

4．白煙實(shí)驗(yàn)固體產(chǎn)物不明顯

教材中的白煙演示實(shí)驗(yàn)是用兩根玻璃棒分別蘸取少量濃氨水和濃鹽酸，相互靠近后發(fā)現(xiàn)有白煙生成，說明NH3能與HCI化合生成NH4Cl（白煙）。該實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便、現(xiàn)象直觀，但也有明顯的不足之處。[1]一是在開放環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，NH3與HCl泄露在空氣中，污染環(huán)境；二是玻璃棒上蘸取的試劑量有限，反應(yīng)現(xiàn)象微弱，后排的學(xué)生可能無法觀察到白煙。

5．沒有一體化

分開進(jìn)行氨氣的制備、收集、噴泉實(shí)驗(yàn)以及白煙實(shí)驗(yàn)，過程比較繁瑣、耗時(shí)長，不利于學(xué)生系統(tǒng)建構(gòu)主干實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系。

針對(duì)以上不足，筆者經(jīng)過查閱文獻(xiàn)和反復(fù)研究，設(shè)計(jì)了集氨氣的制備、收集、性質(zhì)探究及尾氣處理于一體的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置。

二、實(shí)驗(yàn)藥品、儀器及裝置

藥品：NaOH固體、無水氯化鈣、濃鹽酸、濃氨水、紅色石蕊試紙、自制紫甘藍(lán)指示劑溶液、蒸餾水。

儀器：帶鐵圈的鐵架臺(tái)2個(gè)、廣口瓶1個(gè)、約300 mL礦泉水瓶2個(gè)、500 mL燒杯1個(gè)、250 mL燒杯1個(gè)、普通漏斗1個(gè)、20 mL注射器1個(gè)、5 mL注射器2個(gè)、T形玻璃管1根、彎導(dǎo)管4根、直導(dǎo)管1根、止水夾4個(gè)、短橡膠管5根。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示（夾持裝置略去）。

三、實(shí)驗(yàn)原理

1．氨氣的制備

本實(shí)驗(yàn)改用向NaOH固體中滴加濃氨水的辦法，可以瞬間制得大量氨氣。NaOH固體溶于水放出大量的熱，加速濃氨水的揮發(fā)；同時(shí)，溶液中的c（OH-）增大，促使氨氣的溶解平衡逆向移動(dòng)，其相關(guān)方程式如下：

NH3+ H2O=NH3.H2O= NH4++ OH-

2．氨氣的檢驗(yàn)

氨氣的水溶液呈堿性，因此氨氣能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍(lán)。

3．氨氣與酸的反應(yīng)

濃氨水易揮發(fā)出氨氣，可以與揮發(fā)性酸（如濃鹽酸）反應(yīng)產(chǎn)生白煙（NH4CI固體顆粒）。

NH3+ HCl= NH4Cl

4．噴泉實(shí)驗(yàn)

紫甘藍(lán)溶液中含有豐富的花青素，在不同的pH下可呈現(xiàn)出不同的顏色（如表1所示），故可作酸堿指示劑。氨氣極易溶于水（溶解度1：700），將注射器中的水?dāng)D入礦泉水瓶后，氨氣迅速溶解，使得瓶內(nèi)壓強(qiáng)迅速減小，燒杯中的紫甘藍(lán)溶液被壓入瓶中，形成多彩噴泉。[2]

四、實(shí)驗(yàn)操作

1．檢查裝置的氣密性

按圖2連接好實(shí)驗(yàn)儀器。先關(guān)閉止水夾D，形成密閉體系。向下推動(dòng)20 mL注射器的活塞，可觀察到500 mL燒杯中的導(dǎo)管末端有氣泡冒出，再將活塞恢復(fù)原狀，導(dǎo)管內(nèi)形成一段相對(duì)穩(wěn)定的水柱，證明裝置的氣密性良好。

2．氨氣的制取與收集

在廣口瓶中加入約一藥匙的NaOH固體，向500 mL燒杯中加入大約400 mL的紫甘藍(lán)溶液，向250 mL燒杯加入約200 mL蒸餾水，最后在右側(cè)彎導(dǎo)管處放置好濕潤的紅色石蕊試紙。

關(guān)閉止水夾C，打開止水夾D，用20 mL注射器向廣口瓶中緩慢注入約8 mL的濃氨水；可以看到濃氨水與NaOH劇烈反應(yīng)，250 mL燒杯中的漏斗下端很快產(chǎn)生氣泡，右側(cè)彎導(dǎo)管處的紅色石蕊試紙變藍(lán)，說明兩個(gè)礦泉水瓶的氨氣已經(jīng)收集滿。待廣口瓶中反應(yīng)停止時(shí)，先后關(guān)閉止水夾A、B、D。

3．氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)

打開止水夾C，用5 mL注射器迅速向右側(cè)礦泉水瓶中注入約3 mL蒸餾水，片刻后即可觀察到瓶身變癟并聽到清脆的響聲；同時(shí)，500 mL燒杯中的紫甘藍(lán)溶液沿玻璃管急速上升，進(jìn)入礦泉水瓶中形成噴泉。由于噴入礦泉水瓶內(nèi)的紫甘藍(lán)溶液由少漸多，使得瓶內(nèi)溶液的pH值不斷變化，故噴泉顏色呈現(xiàn)了“紫色一藍(lán)色一青色”的多彩變化。[1]

4．氨氣與氯化氫的白煙實(shí)驗(yàn)

緩慢推動(dòng)5 mL注射器活塞，向左側(cè)礦泉水瓶中注入約1 mL濃鹽酸，瓶內(nèi)立即產(chǎn)生大量白煙，瓶身逐漸變癟，并可看到瓶壁或瓶口有白色固體物質(zhì)生成。

5．尾氣處理

實(shí)驗(yàn)完畢后，打開止水夾D，對(duì)裝置內(nèi)剩余的氨氣進(jìn)行尾氣吸收處理。

五、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

1．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)綜合性強(qiáng)

該實(shí)驗(yàn)將氨氣的制備、性質(zhì)探究以及尾氣處理綜合在一起進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)創(chuàng)新，能讓學(xué)生親眼看到氨氣的制取和收集，感受“噴泉”和“白煙”產(chǎn)生的過程，從而完成對(duì)主干實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系的系統(tǒng)構(gòu)建。

2．微型微量、省時(shí)高效

該裝置能在8 min內(nèi)完成氨氣的制取、收集、性質(zhì)探究與尾氣處理。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，本實(shí)驗(yàn)大大減少了固體NaOH和氨水的用量；同時(shí)，制取氨氣時(shí)不需要加熱就能瞬間產(chǎn)生大量氣體，由于無需提前制備與存儲(chǔ)氨氣，減少了教師的準(zhǔn)備工作量。

3．凸顯綠色化學(xué)理念

實(shí)驗(yàn)體系全封閉，可以有效避免氨氣與氯化氫泄露造成的空氣污染，引導(dǎo)學(xué)生樹立環(huán)保意識(shí)，凸顯綠色化學(xué)理念。

4．噴泉實(shí)驗(yàn)效果理想

該裝置無需提前制備與儲(chǔ)存氨氣，避免了在制備、收集、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)造成的氨氣泄漏；同時(shí)對(duì)裝置的干燥程度要求較低，即使裝置存有少許水分，也會(huì)在氨氣充滿裝置前被氨氣飽和，噴泉實(shí)驗(yàn)成功率高。

5．巧妙利用礦泉水瓶

用礦泉水瓶替代原來的圓底燒瓶，經(jīng)濟(jì)便利；其次，礦泉水瓶質(zhì)地較軟，將蒸餾水快速注入盛滿氨氣的礦泉水瓶后，礦泉水瓶立即變癟并聽到清脆的響聲，有一定的視聽覺沖擊效果，利于學(xué)生理解氨氣極易溶于水且溶解度大的性質(zhì)。[3]

6．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象趣味性強(qiáng)

本實(shí)驗(yàn)用紫甘藍(lán)溶液代替常規(guī)的水加酚酞溶液，使得噴泉產(chǎn)生多彩的顏色變化，同時(shí)利用氨氣易與氯化氫反應(yīng)的特性制造出白煙繚繞的景象，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性和可觀賞性，提高學(xué)生對(duì)化學(xué)的濃厚興趣。[2]

六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

開始實(shí)驗(yàn)前必須進(jìn)行裝置的氣密性檢驗(yàn)。

根據(jù)所用礦泉水瓶的大小合理選擇藥品用量，避免浪費(fèi)。

滴入廣口瓶中的濃氨水不宜過多過快（8 mL左右），用紅色石蕊試紙驗(yàn)滿后立刻停止注入濃氨水。

使用注射器時(shí)注意安全。

七、結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)將氨氣的制取、收集、驗(yàn)滿、性質(zhì)探究及尾氣處理進(jìn)行綜合，克服了已有噴泉實(shí)驗(yàn)的不足，實(shí)驗(yàn)成功率提高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也更加明顯，給學(xué)生帶來強(qiáng)烈的視覺、聽覺沖擊，同時(shí)大大減少了氨氣外逸的幾率，安全性得到保證。該實(shí)驗(yàn)裝置既可以進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)，又能供學(xué)生自行完成，在幫助學(xué)生系統(tǒng)建構(gòu)實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、科學(xué)精神和環(huán)保意識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王秀榮，聞鈺，基于綠色理念的氨的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]．化學(xué)教與學(xué)，2020（07）：89-91，62.

[2] 張阿芳，敖渝涓，錢鳴來，王媛媛，陳波，陳啟明．云蒸霞蔚——多色雙噴泉實(shí)驗(yàn)[J].大學(xué)化學(xué)，2020，35（04）： 43-49．

[3]譚文生，袁彥杰．氨的噴泉實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]．教育與裝備研究，2020，36（10）：45-46．