一體化噴泉實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

易勝

摘要：基于教材氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)裝置的不足，設(shè)計(jì)了一體化噴泉實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行多種氣體的制備、收集、驗(yàn)滿(mǎn)、尾氣處理等連續(xù)性實(shí)驗(yàn)。從定性觀察和壓強(qiáng)傳感器定量分析兩個(gè)角度認(rèn)識(shí)噴泉實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、思維能力、創(chuàng)新能力。該裝置可以拓展應(yīng)用于氣體性質(zhì)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，趣味性增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：氣體；噴泉實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；應(yīng)用拓展

文章編號(hào)：1008-0546（ 2022 ）11x-0094-02

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.025

氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)是人教版新教材高中化學(xué)必修第二冊(cè)中的重要實(shí)驗(yàn)之一。傳統(tǒng)噴泉實(shí)驗(yàn)一般需提前制備氨氣，用倒置的圓底燒瓶收集，往往由于制備及儲(chǔ)存不當(dāng)而造成實(shí)驗(yàn)失敗，這無(wú)疑會(huì)影響到教師的教學(xué)進(jìn)度及學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，筆者通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)一體化噴泉實(shí)驗(yàn)裝置，快速制氣體并引發(fā)噴泉實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成功率高，還可重復(fù)使用實(shí)驗(yàn)探究氣體的性質(zhì)。

一、實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：圓底燒瓶（250 mL）、橡膠塞，玻璃導(dǎo)管、T形三通管、橡膠管、燒杯（250 mL）、止水夾、注射器（10 mL）、鐵架臺(tái)、壓強(qiáng)傳感器。

實(shí)驗(yàn)藥品：濃氨水、氫氧化鈉固體、濃鹽酸、酚酞溶液、蒸餾水、硅膠干燥劑。

二、實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象分析

為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的部分問(wèn)題，探索將演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的可能性，本文采用實(shí)驗(yàn)室中易獲取的儀器，組裝出一套成本低、制作簡(jiǎn)單的氣體制備、收集、除雜、檢驗(yàn)一體化氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。

1．氨氣與水的噴泉實(shí)驗(yàn)

（1）按圖1搭建實(shí)驗(yàn)裝置，然后檢查裝置的氣密性。圓底燒瓶甲中加入少量硅膠干燥劑，圓底燒瓶乙中加入4 g片狀氫氧化鈉固體蓋緊橡膠塞，用注射器吸取7 mL濃氨水。

（2）打開(kāi)止水夾K1和K3，關(guān)閉K2，將針筒中的濃氨水逐漸注入到圓底燒瓶乙，稍微減慢反應(yīng)速率，防止液體噴沸的危險(xiǎn)，使實(shí)驗(yàn)更加安全。[1]

（3）將濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙放在夾有K1的橡膠管口，觀察試紙顏色變化。

（4）將夾有K2的橡膠管浸沒(méi)在盛滿(mǎn)蒸餾水的燒杯中，并滴人3滴無(wú)色酚酞溶液。關(guān)閉止水夾K1和K3，打開(kāi)K2。用注射器吸取2 mL蒸餾水，然后注入到燒瓶甲中，觀察燒瓶中現(xiàn)象。

（5）將夾有K2的導(dǎo)管從燒杯中取出，將燒杯放在夾有K1的導(dǎo)管下方，打開(kāi)K1。

現(xiàn)象：乙中產(chǎn)生大量無(wú)色氣體，當(dāng)K1下方的導(dǎo)管口濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙變藍(lán)，說(shuō)明氨氣收集滿(mǎn)。打開(kāi)K2后燒杯中的蒸餾水經(jīng)玻璃管?chē)娙藞A底燒瓶，形如噴泉，溶液變成紅色。打開(kāi)K1后燒瓶甲中的紅色溶液順利流出，重新進(jìn)入燒杯。

結(jié)論：氨氣極易溶于水，水溶液顯堿性，NH3+H2O=NH3.H2O。

2．一水合氨受熱分解實(shí)驗(yàn)

取適量燒杯中收集的紅色溶液（稀氨水和酚酞溶液）于潔凈的試管，用酒精燈加熱，觀察溶液顏色變化。

現(xiàn)象：試管中溶液紅色逐漸變淺。

結(jié)論：一水合氨不穩(wěn)定，加熱時(shí)易分解產(chǎn)生氨氣，NH3.H2O=△=NH3↑+H2O。

3．氨氣與鹽酸的噴泉實(shí)驗(yàn)

采用與1中相同的步驟，改變引發(fā)的操作，左側(cè)注射器中改加2 mL濃鹽酸，然后注入到燒瓶甲中。

現(xiàn)象：圓底燒瓶甲中有大量白煙產(chǎn)生，燒杯中的蒸餾水倒流進(jìn)入燒瓶，形成噴泉。

結(jié)論：氨氣遇到氯化氫迅速反應(yīng)生成氯化銨晶體，NH3+ HCl==NH4Cl。

4．氨氣與氯氣反應(yīng)

采用與1中相同的步驟，圓底燒瓶甲中收集滿(mǎn)氨氣，推動(dòng)注射器活塞，向燒瓶中注入適量氯氣。

現(xiàn)象：氣體黃綠色逐漸變淺，最后變成無(wú)色，產(chǎn)生白煙并在燒瓶?jī)?nèi)壁凝結(jié)。 結(jié)論：氨氣具有還原性，被氯氣氧化生成氮?dú)狻．?dāng)氨氣過(guò)量時(shí)，得到氯化銨晶體，8NH3+3Cl2==N2+6NH4Cl。

5．利用傳感技術(shù)定量分析噴泉實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)觀察燒杯中蒸餾水進(jìn)入燒瓶的快慢和噴泉的量只能定性判斷反應(yīng)快慢，無(wú)法充分理解反應(yīng)原理。將壓強(qiáng)傳感器插入圓底燒瓶甲中，既可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)測(cè)量燒瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)需求，又可以依托測(cè)量數(shù)據(jù)并利用電腦繪出“壓強(qiáng)一時(shí)間”圖像，進(jìn)而可利用該圖像對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析。[2]具體如圖2所示，實(shí)現(xiàn)噴泉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)化、圖形化、定量化分析，根據(jù)壓強(qiáng)變化曲線可理解氨氣與水反應(yīng)的原理。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以估算氨氣的溶解度，[3]直觀感受到氨氣極易溶于水（約為1：700）。

三、實(shí)驗(yàn)拓展應(yīng)用

拓展運(yùn)用于制備比空氣密度大的氣體，進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)和其他性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，以SO2為例進(jìn)行分析。SO2的密度大于空氣，制備收集時(shí)改變圓底燒瓶甲中兩導(dǎo)管的長(zhǎng)度，短口進(jìn)長(zhǎng)口出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

固體和液體不加熱反應(yīng)制備氣體，拓展運(yùn)用于SO2、CO2、H2S、Cl2、NO2等氣體，進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)和其他性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于需要加熱的反應(yīng)，可增加酒精燈對(duì)圓底燒瓶乙進(jìn)行加熱，促進(jìn)氣體揮發(fā)，拓展運(yùn)用于HCl、HBr、HI等氣體。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表1。

四、一體化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)手段的創(chuàng)新性：系列實(shí)驗(yàn)融合了手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)，定性證據(jù)與定量證據(jù)相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的能力、基于證據(jù)的科學(xué)思維、定量探究能力、創(chuàng)新意識(shí)及科學(xué)精神。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置的綜合性：實(shí)驗(yàn)裝置具有綜合性、一體化、實(shí)時(shí)性、可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn)。過(guò)程簡(jiǎn)單，既串聯(lián)多個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，綜合了“制備一收集一檢驗(yàn)”三大實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；操作方便，省時(shí)省力，又提高了實(shí)驗(yàn)展示效率和課堂教學(xué)效果，解決了課堂演示耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題；改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)成功率高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀可見(jiàn)，降低了學(xué)生收集證據(jù)的難度。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程的綠色化：在封閉系統(tǒng)中制取氣體，裝置中的氣體現(xiàn)用現(xiàn)制，減少了有毒氣體的泄露，用液封法吸收尾氣，環(huán)保、無(wú)污染。而且裝置可循環(huán)使用，一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)止水夾K1，使燒瓶甲中的液體向下重新流人大燒杯中。用熱毛巾捂住圓底燒瓶甲，加入硅膠顆粒充分干燥，重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)現(xiàn)噴泉實(shí)驗(yàn)的連續(xù)化，可以滿(mǎn)足多個(gè)班級(jí)的實(shí)驗(yàn)需求。

（4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推廣性：噴泉實(shí)驗(yàn)一體化整合裝置提供了一套實(shí)操性極強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)范式。從氨氣與水的反應(yīng)，可遷移至“氨氣與鹽酸的反應(yīng)”“氨氣與氯氣的反應(yīng)”“SO2的制備和性質(zhì)驗(yàn)證”“Cl2的制備和性質(zhì)探究”等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，具有推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]潘祥泰，黃清輝．適合學(xué)生動(dòng)手的“一體化”氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)研究[J]．化學(xué)教與學(xué)，2019（03）：92-93.

[2]張嬌蛟，錢(qián)揚(yáng)義，謝敏．利用手持技術(shù)研究噴泉實(shí)驗(yàn)中的氣壓變化[J].化學(xué)教育，2012，33（09）：109-112，122.

[3] 蔣紅年，用氣壓傳感器測(cè)定氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中壓強(qiáng)的變化[J].化學(xué)教與學(xué)，2016（07）：96-97.