一體化多色雙噴泉實驗
——以氨氣的制備與性質實驗為例

彭新月

西華師范大學(637000)

氨氣的制備及性質檢驗實驗在中學化學中有著重要的地位。新人教版高中化學必修2教材中,涉及氨氣的實驗[1]主要包括加熱NH4Cl與Ca(OH)2制備氨氣、氨氣溶于水的噴泉實驗、氨與氯化氫反應。如教材所示進行實驗,首先制備氨氣需要加熱,消耗能源,且難以收集到足量的氨氣;其次由于氨氣和濃鹽酸均有刺激性氣味,逸出會危害身體并造成環境污染;最后在氨氣的噴泉實驗中,需要提前準備氨氣,且選用酚酞做指示劑,顏色單一,趣味性不強。

1 研究背景

以實驗為基礎是化學學科的重要特征之一,有效的實驗教學對提高學生化學學科核心素養有著至關重要的作用。在實驗教學中,應該加強學生親身體驗感,滿足學生的探索求知欲,提升學生的實踐操作能力,培養學生的興趣愛好和創新能力,充分發揮實驗教學的作用。

目前,有許多學者對氨氣相關實驗做了改進,趙志恒等[2]利用氨氣的性質開發了“化學噴泉廣場”趣味實驗,利用月季花提取液在不同的pH環境中呈現不同色彩,形成多色噴泉,實驗趣味性十足,能夠有效激發學生學習興趣;王曉瑜等[3]將制備氨氣的試劑改為NH4Cl與NaOH,無需加熱即可制備氨氣,并且將氨氣制備與性質實驗融為一體,簡單易行;張阿芳等[4]設計了多色雙噴泉實驗,涉及多種化學反應原理,并且建立了“噴泉模型”,有利于促進學生核心素養提升。但上述實驗仍然存在不足:①實驗裝置過于復雜,難以在課堂中操作;②學生不具備參與性,無法鍛煉學生的動手操作能力;③涉及原理過多,跨度太大,短時間內學生無法接受,同時也增加了教學難度;④形成噴泉的溶液種類過多,提取青花素過程繁瑣,增加了實驗復雜程度。

綜上所述,使得氨氣的制備和性質檢驗實驗難以在課堂中實施,無法充分發揮實驗教學的作用,故提出本實驗方案,能夠有效解決以上問題,培養學生化學學科核心素養。

2 實驗原理

(1)隨著pH值的變化,紫甘藍溶液呈現出不同顏色[5](見表1)。

表1 紫甘藍指示劑變色范圍

(2)氨氣制備

本實驗采用向固體NaOH滴加濃氨水的方法制備氨氣,在反應的過程中,NaOH電離出OH-促進反應正向進行,從而快速制取氨氣,相關離子方程式為:

(3)氨氣性質檢驗

NH3遇到HCl,會迅速生成NH4Cl固體,有大量白煙生產,相關離子方程式為:

NH3+HCI=NH4CI

(4)噴泉形成原理

氨氣易溶于水,從而使得燒瓶中壓強變小,形成噴泉。NH3與HCl反應生成NH4Cl固體同樣會使燒瓶壓強變小。

3 實驗試劑、儀器及裝置

(1)實驗試劑:濃氨水、濃鹽酸、紫甘藍、蒸餾水、氫氧化鈉固體。

(2)實驗儀器:100 mL雙支管燒瓶、50 mL雙支管燒瓶、250 mL燒杯、帶針頭注射器、止水夾、鐵架臺、鐵拐、鐵夾、膠管、玻璃導管。

(3)實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

4 實驗操作

(1)實驗準備

①組裝裝置并檢查裝置氣密性;②提前準備2 mL濃鹽酸(1號燒瓶)、2 mL濃氨水(2號燒瓶)、2 mL蒸餾水(3號燒瓶),將3種液體分別裝入不同的注射器中。1 g氫氧化鈉顆粒(2號燒瓶)。

(2)紫甘藍浸泡液制備

取一片紫甘藍,將其剪碎,用蒸餾水浸泡2 min,取浸泡液即制得紫甘藍浸泡液。

(3)氨氣的制備、收集、性質檢驗及噴泉實驗的實驗步驟及現象見表2。

表2 氨氣的制備、收集、性質檢驗及噴泉實驗

(4)清洗儀器,整理歸位(廢液倒入廢液桶)。

5 實驗現象

實驗現象如圖2所示。

圖2 實驗現象

(1)注入濃鹽酸后,NH3遇到HCl,1號燒瓶中有大量白煙生成。

(2)注入蒸餾水后,2號燒瓶無明顯現象。

(3)打開止水夾e、f后,燒杯中的紫甘藍浸泡液分別進入1、3號燒瓶中,形成多色雙噴泉,如圖2所示。1號燒瓶噴泉顏色由紫色變為藍色,再變為綠色,最后變為紅色。3號燒瓶中噴泉顏色由紫色變為藍色,最后變為綠色。

(4)將剩余紫甘藍浸泡液注入2號燒瓶中,可以觀察到3號燒瓶中溶液變黃。

6 實驗改進優點

6.1 一體化設計,構建完整知識體系

將氨氣的制備與性質檢驗融為一體,便于學生系統掌握制備及檢驗氨氣的相關知識。

6.2 綠色環保,培養學生社會責任感

(1)提前將濃溶液準備好,減少刺激性氣味的彌漫,降低了氨氣制備及性質檢驗實驗的危害,使得在課堂中進行實驗操作成為可能。

(2)選擇紫甘藍浸泡液作指示劑,選材來源于生活且無污染。

(3)用濃鹽酸檢驗氨氣性質是在密閉空間中進行的,可以看到明顯的白煙現象且無物質逸出,安全環保。

6.3 簡便易行,培養學生動手能力

(1)利用注射器將濃氨水加入固體氫氧化鈉以制備氨氣,反應快,用量小,操作簡便,并且選用注射器可以控制反應速率,能夠在課堂中安全有效地制備氨氣。

(2)紫甘藍用蒸餾水浸泡即可,無需榨汁或研磨,過濾時無需使用濾紙。

(3)通過對實驗的改進,學生能夠參與到實驗器材的準備、歸位及廢水處理等過程,提升學生的觀察能力和動手操作能力。

6.4 現象多變,激發學生學習興趣

(1)隨著溶液pH值的變化,紫甘藍浸泡液顏色變化豐富且鮮艷,同時具備可操作性和觀賞性,能夠激發學生學習化學的興趣,提高學生的學習積極性。

(2)由于HCl與NH3反應生成NH4Cl固體,壓強減小,同樣可以形成噴泉,即可見顏色多變的雙噴泉現象。

7 實驗注意事項

(1)實驗過程中要保證裝置氣密性良好,并且注意尾氣吸收。

(2)實驗結束后,多余溶液可回收利用,廢液應該倒入廢液缸。

(3)實驗過程中若加入水或濃鹽酸之后無法及時形成噴泉,可能是反應過程中空氣未排盡,造成壓強差不夠,此時可向外輕拉注射器活塞,即可形成噴泉。