侯氏制堿模擬實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

孫鵬

摘要： 用注射器代替膠頭滴管和量筒轉(zhuǎn)移飽和食鹽水，用醫(yī)用引流袋代替集氣瓶收集氨氣和二氧化碳，成功地將侯氏制堿模擬實(shí)驗(yàn)帶進(jìn)課堂。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)象明顯、成功率高、見效快等優(yōu)點(diǎn)，“碳酸氫鈉飽和而析出”這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象尤為突出?？勺鳛槌?、高中“侯氏制堿法”原理教學(xué)的輔助實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 侯氏制堿法； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 學(xué)生實(shí)驗(yàn)； 碳酸氫鈉

文章編號(hào)： 10056629（2023）08006203中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 提出問題

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》［1］關(guān)于物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用的情境素材建議中提出可以將侯德榜對(duì)我國制堿工業(yè)的貢獻(xiàn)作為教學(xué)情境。在《上海市中學(xué)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（試行稿）》［2］中，對(duì)“制堿原理”規(guī)定的學(xué)習(xí)水平是“理解”，對(duì)“侯氏與索氏法的比較”的規(guī)定是“掌握”，屬學(xué)習(xí)水平中的最高要求。無論在初中還是高中“侯氏制堿法”都是教學(xué)中重要的知識(shí)點(diǎn)和高頻考點(diǎn)。它關(guān)聯(lián)著鈉及其化合物等元素化合物知識(shí)；關(guān)聯(lián)著綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)流程設(shè)計(jì)；關(guān)聯(lián)著溶解平衡、電離平衡、水解平衡等基本化學(xué)反應(yīng)原理；承載著弘揚(yáng)民族自信、進(jìn)行愛國主義教育的情感態(tài)度價(jià)值觀的教育［3］。侯氏制堿法模擬實(shí)驗(yàn)可分為兩步：第一步是向飽和食鹽水中先后通入氨氣和二氧化碳，生成碳酸氫鈉和氯化銨?？偡磻?yīng)的方程式可表示為NaCl+H2O+NH3+CO2NaHCO3↓+NH4Cl，碳酸氫鈉在常溫下溶解度較小，達(dá)到飽和而析出；第二步是將過濾所得的碳酸氫鈉固體加熱分解，制得產(chǎn)品——純堿。教師模擬制堿的難點(diǎn)是第一步“碳酸氫鈉飽和而析出”的現(xiàn)象難以在短時(shí)間內(nèi)被觀察到。查閱資料，針對(duì)這一問題的改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)較多。例如案例一：飽和食鹽水和飽和碳酸氫銨溶液混合［4］，筆者嘗試多次均未在40分鐘內(nèi)觀察到沉淀。分析原因，兩種溶液混合使溶劑約增加至原溶液的三倍，碳酸氫鈉難以達(dá)到飽和。將兩種飽和溶液混合制堿也不符合侯氏制堿工藝原理；案例二：現(xiàn)場(chǎng)制備氨氣和二氧化碳先后通入飽和食鹽水中［5］，這是最原始的方法。但現(xiàn)場(chǎng)制取氨氣容易泄露且耗時(shí)較長(zhǎng)，結(jié)晶速度非常慢，需要長(zhǎng)時(shí)間靜置；案例三：利用超聲霧化器和恒溫器等設(shè)備制堿［6］，存在設(shè)備不易獲取的困難。

為了解決上述問題，筆者將醫(yī)療器械融合在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過教師實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組測(cè)試，獲得不錯(cuò)的效果。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 儀器與藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：醫(yī)用一次性引流袋（容積1000mL）×2、醫(yī)用10mL注射器×1、固體加熱型發(fā)生裝置一套、固液不加熱型發(fā)生裝置一套、燒杯1只、小試管1支、酒精燈1個(gè)、寬膠帶若干

實(shí)驗(yàn)藥品：硫酸銨固體和氧化鈣固體、大理石和稀鹽酸、氯化鈉和蒸餾水等

2.2 準(zhǔn)備階段

（1） 硫酸銨和氧化鈣固體混合后加熱，見圖1。將產(chǎn)生的氨氣通入引流袋至體積不再變化（此處耗時(shí)較長(zhǎng)，約15分鐘）。關(guān)閉引流袋自帶旋塞，貼上標(biāo)簽，并在引流袋中下部粘貼長(zhǎng)約5cm寬膠帶，備用。粘貼膠帶處即是學(xué)生注射和取出液體位置，膠帶作用是密封針孔。

（2） 用大理石和稀鹽酸制取二氧化碳，見圖2。將產(chǎn)生的二氧化碳通入引流袋中至體積不再變化。關(guān)閉引流袋自帶旋塞，貼上標(biāo)簽和寬膠帶，備用。

（3） 在燒杯中配制20mL飽和氯化鈉溶液，備用。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

步驟1：揭開盛有氨氣的引流袋外側(cè)寬膠帶一角，用注射器吸取約5mL飽和食鹽水，然后注入引流袋中，重新貼好膠帶防止漏氣。

步驟2：手握兩端，快速、上下振蕩引流袋10次。觀察到裝有氨氣的引流袋完全變癟。

步驟3：再次撕開膠帶，用注射器將袋中液體全部吸出，得到氨鹽水。

步驟4：參照步驟1，將所得上述液體注入裝有二氧化碳的引流袋中，快速、用力振蕩引流袋20次。將引流袋向同一方向甩動(dòng)，使液體和析出的固體集中在引流袋一角，靜置10秒。

步驟5：重復(fù)振蕩、甩動(dòng)和靜置引流袋3次。觀察到引流袋體積變小，約為原氣體體積的一半。

步驟6：用注射器吸取全部混合物，轉(zhuǎn)移到干凈的小試管中，觀察到有較多懸浮的固體。靜置12小時(shí)后有更多晶體沉降。實(shí)驗(yàn)過程環(huán)境溫度在6℃左右。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)均能在8分鐘內(nèi)觀察到明顯的渾濁現(xiàn)象，即碳酸氫鈉飽和析出。靜止12小時(shí)后試管底部出現(xiàn)大量晶體，可用于后續(xù)定性和定量探究。

將5mL飽和食鹽水充分反應(yīng)所得的懸濁液靜置，過濾，干燥得0.33g固體A。取適量固體A于試管中充分加熱，生成能使澄清石灰水變渾濁的氣體，試管口有水珠出現(xiàn)，充分加熱后仍有剩余固體B。將加熱所得固體B溶于水形成無色透明溶液，向其中緩慢滴加稀鹽酸觀察到一開始無氣泡產(chǎn)生，繼續(xù)滴加稀鹽酸后產(chǎn)生大量氣泡，產(chǎn)生氣泡現(xiàn)象與向碳酸鈉溶液中滴加稀鹽酸的現(xiàn)象一致。另取固體A溶于水形成溶液，向其中滴加稀鹽酸立即有大量氣泡產(chǎn)生，產(chǎn)生氣泡現(xiàn)象與向碳酸氫鈉溶液中滴加稀鹽酸的現(xiàn)象一致。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)縮短了沉淀出現(xiàn)的時(shí)間，方便教師在課堂上開展侯氏制堿法探究活動(dòng)。也可讓學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，從理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐學(xué)習(xí)。注射器和引流袋的組合將

“向液體中通氣體”的操作改為“向氣體中加液體”，與侯氏制堿法中“先通氨氣后通二氧化碳”的過程相一致。如有需要，可以設(shè)計(jì)相反的分組實(shí)驗(yàn)，將注射的順序由先氨氣改為先二氧化碳，觀察沉淀現(xiàn)象和引流袋體積的變化情況。實(shí)驗(yàn)在課堂上的功能可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)課時(shí)和教學(xué)內(nèi)容作靈活調(diào)整。

4 提高實(shí)驗(yàn)成功率的注意點(diǎn)

第一，選擇大容積引流袋，保證實(shí)驗(yàn)所需氣體充足。20℃時(shí)碳酸氫鈉的溶解度為9.6g，5mL水最多能溶解0.48g碳酸氫鈉，需要氨氣質(zhì)量約為0.0971g，根據(jù)摩爾體積計(jì)算，理論上需要標(biāo)況下的氨氣體積約為1279.9mL。容積為1000mL的引流袋集滿氨氣和二氧化碳可滿足實(shí)驗(yàn)需求。筆者向相同體積氨氣中分別加入5mL和10mL飽和食鹽水進(jìn)行對(duì)比，均能觀察到明顯的沉淀。5mL飽和食鹽水產(chǎn)生的沉淀在小試管中更適合學(xué)生做振蕩操作和現(xiàn)象觀察。

第二，注意實(shí)驗(yàn)過程中的散熱問題，關(guān)注振蕩操作的技巧。氨鹽水和二氧化碳反應(yīng)是放熱反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)能明顯感知到引流袋表面溫度升高，又因碳酸氫鈉的溶解度隨溫度升高而增大，溫度越低結(jié)晶效果越好。實(shí)驗(yàn)時(shí)需劇烈振蕩引流袋，引流袋表面積大，與外界熱傳遞速度快，能達(dá)到迅速降溫的效果。筆者在6℃和18℃兩個(gè)溫度條件下完成實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：溫度低時(shí)易形成細(xì)小顆粒狀沉淀，顆粒清晰層次分明；溫度高則形成棉絮狀沉淀，類似石灰水變渾濁的現(xiàn)象。反應(yīng)生成的碳酸氫鈉從溶液中結(jié)晶的速度較慢，振蕩會(huì)導(dǎo)致微小的晶體附著在引流袋內(nèi)壁。因此，每振蕩20次后需要將引流袋朝著一個(gè)方向甩動(dòng)幾次，使附著的晶體與溶液再次融合，析出的固體作為晶核能使結(jié)晶速度明顯加快。

第三，注射器轉(zhuǎn)移液體要做到無殘留。筆者在多次實(shí)驗(yàn)過程中均發(fā)現(xiàn)一個(gè)異常現(xiàn)象。將飽和食鹽水注入氨氣中振蕩后，液體中出現(xiàn)白色沉淀，觀察渾濁狀態(tài)類似于面粉在水中分散的現(xiàn)象。為解釋這一現(xiàn)象做了以下三組實(shí)驗(yàn)：首先，將氨鹽水上層清液取出后注入二氧化碳中，無明顯現(xiàn)象；將引流袋中全部懸濁液取出注入二氧化碳中，先觀察到渾濁消失，充分振蕩后再次出現(xiàn)沉淀。其次，將最終制得的“碳酸氫鈉”懸濁液靜止12小時(shí)后析出的固體過濾，溶解在20mL水中，固體完全溶解，無任何難溶性固體雜質(zhì)。最后，取相同方法收集的兩袋氨氣分別加入等體積的飽和食鹽水和蒸餾水，只有加入飽和食鹽水的引流袋中出現(xiàn)渾濁，可以說明沉淀并不是氫氧化鈣或碳酸鈣等物質(zhì)。查閱資料，在低溫下氯化銨的溶解度小于氯化鈉，氨鹽水渾濁的原因是氯化銨飽和而析出。所以，用注射器吸取時(shí)需將氨鹽水全部吸出，尤其是袋中的沉淀物質(zhì)，這是后續(xù)碳酸氫鈉成功結(jié)晶的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2022.

［2］上海市教育委員會(huì). 上海市中學(xué)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（試行稿）［S］. 上海： 上海教育出版社， 2005： 89.

［3］薛琴， 黃謙. 遵循認(rèn)知規(guī)律多角度認(rèn)識(shí)侯氏制堿法［J］. 化學(xué)教與學(xué)， 2021， （8）： 16～18.

［4］陸麗潔， 劉麗君. 模擬工業(yè)制備純堿的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2014， （1）： 52～54.

［5］劉懷樂. 純堿生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)的秘訣［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2011， （1）： 48～49.

［6］田雅玲， 賈光弟等. 利用超聲霧化技術(shù)優(yōu)化“侯氏制堿”模擬實(shí)驗(yàn)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （4）： 61～63.

*蘇州市工業(yè)園區(qū)十四五教育科研課題“化學(xué)史融入初中化學(xué)教學(xué)的研究與實(shí)踐”（課題編號(hào)syk2021023）的階段性研究成果。