氨氣噴泉實驗的改進

張靖偉 秦大斌

（西華師范大學化學化工學院 四川 南充 637009）

一、問題的提出

氨氣的噴泉實驗在人教版高中化學教材（2019版）中位于必修第二冊第五章［1］。按照該實驗在教材中的介紹，需要提前在干燥的圓底燒瓶中收集滿氨氣，再將其帶入教室進行演示實驗。

在此過程中，由于以往氨氣的收集方式是排空氣法，因此收集到的氨氣會與空氣混雜而導致其純度不高。同時，在課堂演示實驗時，儀器組裝過程也存在泄漏氨氣的情況，再加上實驗裝置本身可能存在的氣密性不足，因此，在課堂演示實驗時，很容易造成由于燒瓶內(nèi)氨氣含量低而導致燒瓶吸入的水不能充滿燒瓶，不利于學生理解氨氣溶于水后濃度為mol/L，甚至可能因為氨氣量太少而完全不能將水吸入燒瓶內(nèi)的情況。

因此，噴泉實驗的課堂演示成功率低，老師們會選擇播放實驗視頻代替現(xiàn)場實驗。正基于此，本文對噴泉實驗進一步進行了改進。

二、研究現(xiàn)狀

通過大量閱讀改進噴泉實驗的論文，筆者總結(jié)了以往學者對于噴泉實驗的諸多改進方式：

首先，針對需要提前收集好氨氣的這個不足，以往的改進都是將氨氣的制備裝置與噴泉實驗裝置合二為一變成一體化裝置，從而在現(xiàn)場進行氨氣的制備，保證氨氣的純度，并從根源上解決了儀器組裝過程中氨氣泄漏的問題。

例如在燕敏［2］等人的設計中，他們使用有機玻璃搭建兩個連通的反應室，其中一邊進行氨氣制備，另一邊進行噴泉實驗。李維芬［3］利用T型管將氨氣制備裝置與氨氣收集裝置、裝有酚酞水溶液的燒杯相連，而后利用諸多止水夾的開合保證實驗的進行。與之相似的利用T 型管或多個導管相連進行一體化裝置設計的還有王曉瑜［4］、覃其貴［6］、駱旭鋒［7］、郝續(xù)［8］、楊峰［10］、劉福亮［11］等人。

除此之外，將一體化裝置進行生活化改進的有孫麗麗［5］、張會領［9］，利用兩個塑料瓶相連，構(gòu)成一體化反應室，付明廣［12］利用具支燒瓶代替T 型管，利用注射器進行氨氣制備的改進。

其次，對于氨氣的制備方法，以往學者也進行了改進。氨氣的實驗室制法是制備氨氣的主要方法，但是使用此方法制備氨氣耗費時間長，不利于進行課堂演示。并且，實驗室制法藥品用量較大，制取的氨氣純度不高，對于后續(xù)噴泉實驗存在一定的影響。

基于上述問題，以往學者對于氨氣的制備提出了很多的改進措施。比如王曉瑜使用了在常溫下氫氧化鈉與氯化銨混合即可制取氨氣的方法［4］。在駱旭鋒［7］、張會領［9］、查中國［13］的改進中，他們使用了加熱分解濃氨水的方法制備氨氣。在覃其貴［6］、韓曉光［14］、俞遠光［15］的改進中，使用了濃氨水與固體氫氧化鈉混合制備氨氣的方法。

三、實驗改進

1.氨氣收集方式的改進

由于排空氣法收集的氨氣會與空氣混雜而導致其純度不高，因此本文利用氨氣的極性進行排水法收集。

因為氨氣分子為sp3雜化，是一種極性分子。根據(jù)相似相溶原理，可以利用氨氣分子為極性分子而不溶于非極性溶劑的特點，使用非極性溶劑作為排水集氣法的溶液對氨氣進行收集。因此，本文使用低粘度二甲基硅油（100 cs）進行了實驗驗證，證明了此方法的可行性。以此方法進行實驗時，燒瓶內(nèi)部不會存在空氣，避免了空氣與氨氣的混雜，并且通過二甲基硅油的排出量可以直觀地判斷氨氣的收集進度。

但是低粘度二甲基硅油（100 cs）黏度仍然較大，在進行噴泉實驗時，導管內(nèi)壁附著的二甲基硅油會浮于水面阻礙水的吸入，最終導致使用二甲基硅油進行實驗演示耗費的時間超過5 min。

因此，本文本著綠色化學、教學與生活相聯(lián)系等原則，在進行了實驗驗證其可行性的基礎上，鑒于食用油其本身具有價格低廉、獲取便捷、黏度很低等優(yōu)點，最終確定了食用油作為排水法的溶液進行氨氣的收集。

2.實驗裝置的一體化改進

為了在課堂上同時展現(xiàn)氨氣制備和噴泉實驗兩個過程，本文設計了利用食用油進行排水法收集氨氣并能進行噴泉實驗的一體化裝置。

其中氨氣的制備與收集裝置如圖1 所示，當進行噴泉實驗時，只需在圖1基礎上利用止水夾與注射器將其改變?yōu)閲娙獙嶒炑b置（如圖2所示）。

圖1 氨氣的制備與收集裝置

圖2 噴泉實驗裝置

具體操作：在圖1裝置搭建好后，按照一定藥品比例進行反應，待燒瓶內(nèi)食用油全部排盡，關閉止水夾K1、K2使裝置處于密閉條件。將K1右側(cè)連接的氨氣制備裝置去除，并將導管伸入滴有酚酞的蒸餾水中。將K2下方用于盛裝排出的食用油的燒杯去除，將裝有蒸餾水的注射器插入K2靠近燒瓶一側(cè)的橡膠管，推動注射器將少量蒸餾水注入導管使其進入收集有氨氣的燒瓶內(nèi)，將K1打開之后便能觀察到燒杯內(nèi)的蒸餾水被吸入燒瓶形成噴泉（如圖2所示）。

3.實驗裝置的生活化與微型化改進

在上述一體化裝置的基礎上，本文使用生活中常見的物品進行了生活化、微型化改進：①利用50 mL塑料瓶代替濃氨水與固體氫氧化鈉混合的燒瓶；②導管替換成塑料吸管；③止水夾替換成可塞入吸管并能將其堵住的中性筆替芯的筆帽。改進后的裝置如圖3、圖4所示：

圖3 改進后的氨氣制備與收集裝置

圖4 改進后的噴泉實驗裝置

在50 mL塑料瓶內(nèi)裝入1 g固體氫氧化鈉（成都科隆化學生產(chǎn)，AR，NaOH含量≥96.0%），利用5 mL注射器吸取1 mL濃氨水（成都科隆化學生產(chǎn)，AR，NH3含量25.0%～28.0%）后插入塑料瓶向其中注入氨水，并將左側(cè)吸管處筆帽取下，收集過程如圖5所示。待氣體收集完全后，再將筆帽插入吸管使整個裝置處于密閉狀態(tài)。

圖5 氨氣收集過程

進行噴泉實驗時只需將50 mL塑料瓶從裝置上拆下，將右側(cè)吸管插入滴有酚酞的水中，再將裝有蒸餾水的注射器插入已經(jīng)塞入筆帽的吸管中。此時，只需利用注射器將水注入吸管使其進入燒瓶內(nèi)，便可以形成紅色噴泉（如圖6所示），最終吸入的水也能近乎充滿燒瓶。

圖6 噴泉實驗過程

四、結(jié)果與討論

1.結(jié)果在應用中的優(yōu)勢

以食用油作為排水集氣法的溶液進行氨氣的收集，既能保證氨氣的純度，又能直觀地通過食用油排出的量觀察氨氣收集的進度，彌補了排空氣法中氨氣純度低、實驗效果差、檢驗燒瓶收集滿氨復雜的不足。

通過此方法收集的氨氣進行噴泉實驗時，吸入的水能近乎充滿燒瓶，有利于學生理解氨氣溶于水后的物質(zhì)的量濃度為mol/L 。

經(jīng)過微型化、生活化改進后的裝置在進行課堂演示時，不但可以同時展現(xiàn)氨氣的制備過程和噴泉實驗過程，而且此微型化裝置耗費藥品少，反應時間短，現(xiàn)象明顯，實驗成功率高，重復性強，整個演示過程耗費時間約2 min，完全滿足課堂演示的需要。

2.實驗注意事項

在進行此實驗時需要注意幾個問題：①因為使用了食用油作為排水法的溶液，而食用油具有潤滑作用，因此，需要使用膠帶或其他工具將橡膠塞與瓶口捆綁固定（如圖7 所示），防止橡膠塞在實驗中途脫落。②制備氨氣的反應容器的選擇應當適宜，既要防止容器體積太小而導致瓶內(nèi)壓強太高，從而致使反應容器的橡膠塞被瓶內(nèi)高壓氨氣沖出，又要防止容器體積太大而導致瓶內(nèi)空氣含量大致使氨氣純度低。

圖7 固定措施