氨气与氯化氢反应实验的优视化改进

凌一洲 唐文伟

摘要： 氨气与氯化氢反应的实验中，气体和白烟状态变化的细节过程难以被肉眼清晰地观察，需要做优视化改进。用塑料长管（一维横向）、量筒（一维竖直）、平板扁盒（二维）等作为反应容器，将分别蘸有浓氨水和浓盐酸的两团脱脂棉放入其中，待氨气和氯化氢挥发、相遇后发生反应。反应时，用pH试纸显示容器内各部位气体的酸碱度，用摄像机记录实验过程，以此实现无色气体、白烟等现象及其变化过程的优视化。本改进成本低廉、便于操作，直观清晰地展现原本无法观察的细节现象，体现了氨气和氯化氢酸碱度不同、扩散速率不同、密度不同等多种性质，拓展了实验的内涵。

关键词： 氨气与氯化氢反应； 实验改进； 优视化

文章编号： 10056629（2018）2006104中图分类号： G633.8文献标识码： B

1引言

氨气与氯化氢反应的教材实验具有散发刺激性气味、污染环境等缺陷。现有的改进[1—3]主要是绿色化改进，但视觉效果仍然欠佳。学生能看见白烟的产生，却无法看清气体和白烟变化的细节过程。因此，笔者选取各种形状的密封容器，使用自己裁切的pH试纸将各种气体移动、反应的过程展现出来，达到优视化的效果。

优视化是指通过某些方法，使实验中原本无法被清晰观察的现象和变化过程能够被清晰观察，是对可视化（使原本不可见的现象能够被观察）的进一步优化[4]。优视化实验能使学生获得真实、丰富、感性的直接经验，加深对实验现象的印象，方便对实验原理的理解，并为学生提供深层次的思维活动和思维发展的机会[5]。

氨气和氯化氢反应的实验在优视化改进后，学生可以观察到更清楚、更丰富、更细微的现象。实验的内涵也得到了拓展，不再只是一个化学反应，而是成为一个能体现氨气和氯化氢酸碱度不同、扩散速率不同、密度不同等多种性质的综合性探究实验。

2实验设计思路

2.1无色气体的优视化

常规实验中，由于挥发出的氨气和氯化氢均為无色气体，无法用肉眼直接观察。本实验用pH试纸显示周围气体的酸碱度，学生通过观察试纸的颜色可以判断气体的种类和浓度，通过观察试纸颜色的变化可以判断气体的流动和反应状况。

2.2白烟的优视化

常规实验中，常常用烧杯、玻璃钟罩、塑料瓶等作为反应容器，但反应时生成的白烟往往会迅速充满整个容器，使学生难以辨别实验细节。本实验用塑料长管（一维横向）、量筒（一维竖直）、平板扁盒（二维）等外观透明、横（纵）截面积小的容器作为反应容器，一方面加长了气体扩散的时间、降低了反应速率，另一方面使生成的白烟的位置相对稳定，不会随意飘散，便于学生观察。

2.3反应过程的优视化

用摄像机拍摄反应容器，将容器内pH试纸和白烟的状态录制下来，回看时可利用加速播放的功能观察pH试纸和白烟随时间的推移而发生的变化，便于前后对比。

3塑料长管中的实验

3.1试剂与仪器

12mol/L浓盐酸、14mol/L浓氨水；透明塑料长管（内径4～5cm，长1m）、大张pH试纸、小刀、胶带、塑料瓶盖、脱脂棉、移液枪、花泥（或泡沫塑料）、卷尺、摄像机

3.2实验步骤

（1） 用小刀将pH试纸裁切成长条状（宽1cm，长1m），用胶带将长条状的pH试纸固定在塑料管内侧。

（2） 用小刀将花泥切割成2个圆柱体，并在外侧包裹脱脂棉，使其可恰好塞入塑料管。

（3） 取2团脱脂棉，分别塞在2个塑料瓶盖内，将2个塑料瓶盖分别放在塑料管的左右两端。将塑料管水平横放在讲台或平地上，并在塑料管前放置卷尺，用摄像机拍摄。

（4） 用2支移液枪分别吸取室温条件下的3mL浓盐酸和2.6mL浓氨水（氯化氢与氨气的物质的量之比为1∶1），分别加入左右两端的脱脂棉内，并迅速用花泥塞住塑料管两端。拍摄实验开始后塑料管内现象。

3.3实验现象与分析

播放摄像机拍摄的实验录像，实验开始后的每1min截一张图，并将图中pH试纸的颜色与标准比色卡对应。标准比色卡代表pH=1、 2、 3、 4的颜色统称为红色，pH=5、 6为黄色（试纸初始颜色），pH=7、 8为浅绿色，pH=9、 10、 11～14为蓝色。实验开始后pH试纸每分钟的颜色如图1所示。

实验开始时，pH试纸左端迅速变红（浓盐酸有挥发性），红色缓慢向右延伸（氯化氢分子扩散速率较慢）；pH试纸右端迅速变蓝（浓氨水有挥发性），蓝绿色迅速向左延伸（氨气分子扩散速率较快）。约40s时，绿色从右向左越过中点（氨气扩散至中点），而红色仅延伸了十几厘米（氯化氢扩散缓慢）。约2min 27s时，红色与绿色在23cm处汇合，同时在该处产生白烟（氨气与氯化氢发生反应）。2min 27s后，白烟在浅绿色处持续产生（氯化铵所在的环境接近中性），白烟和浅绿色的位置缓慢向左移动（氨气的扩散能力比氯化氢大）。8min后，反应基本结束，pH试纸从红色渐变到蓝色，塑料长管内壁附着有白色小颗粒（氯化铵是白烟而非白雾）。

3.4实验结论

（1） 浓盐酸、浓氨水有强烈的挥发性。

（2） 氨气的扩散速率比氯化氢快。气体的相对分子量越小，其扩散速率越快。

（3） 氨气与氯化氢反应生成氯化铵固体小颗粒。

3.5拓展实验

（1） 在加入液体前旋转塑料管，使pH试纸的水平高度与塑料管半径相同，反应时可观察到红色与黄色的交界线并非竖直，而是有明显的倾斜（如图2），验证了氯化氢密度比氨气大的性质。

（2） 在塑料管内侧的上壁和下壁各贴一条pH试纸，实验时可观察到两条试纸的变色不同步。上壁试纸的蓝色延伸速度比下壁快，而红色延伸速度比下壁慢，这同样可以验证氯化氢密度比氨气大的性质。

4量筒中的实验

4.1试剂与仪器

12mol/L浓盐酸、14mol/L浓氨水；500mL量筒、花泥（或泡沫塑料）、大张pH试纸、小刀、磁子（或其他悬挂物）、脱脂棉、镊子、移液枪、摄像机

4.2实验步骤

（1） 将花泥切割成倒锥体，并在外侧包裹脱脂棉，使其可恰好塞入量筒口又不至于下落。

（2） 将pH试纸裁切成长条状，一端固定在花泥底部，另一端与磁子粘贴。

（3） 取2团脱脂棉，一团粘贴在花泥底部，另一团用镊子夹持并放置于量筒口。用摄像机拍摄。

（4） 用2支移液枪分别取室温条件下的1.2mL浓盐酸和1mL浓氨水（氯化氢与氨气的物质的量之比为1∶1），将浓盐酸加入用镊子夹持的脱脂棉里，并迅速释放脱脂棉，使其落入量筒底部。同时，将浓氨水加入花泥底部的脱脂棉内，并迅速将花泥塞在量筒上部。观察、拍摄量筒内现象。

4.3实验现象与分析

实验开始后pH试纸每15s的颜色情况见图3。当pH试纸刚刚伸入量筒内时，pH试纸迅速变为浅红色（脱脂棉落入量筒底部的过程中，浓盐酸已经在挥发），上方（花泥底部）立刻产生少量白烟（氨气与氯化氢开始反应）。随着反应的进行，pH试纸上端的绿色部分逐渐伸长（氨气扩散较快，呈压倒性趋势），而下端的红色部分逐渐缩短（氯化氢扩散较慢，被迫缩小体积），白烟在黄色和浅绿色交界位置持续产生（生成氯化铵的环境接近中性）。约7min后，红色基本消失，pH试纸呈绿色，白烟大部分沉降至量筒底部，小部分附着在量筒内壁（验证了氯化铵为固体）。

4.4实验结论

与塑料长管中的结论相同（同3.4）。

4.5拓展实验

颠倒上下脱脂棉滴加液体的种类，在上面的脱脂棉滴加浓盐酸，下面的脱脂棉滴加浓氨水。反应时，由于氯化氢密度大、易下沉，氨气密度小，易上浮，因此反应速率大大加快，白烟从上方蘸有浓盐酸的脱脂棉上快速产生、下落，pH试纸几乎直接变为绿色。反应仅几秒后，量筒内已经充满了白烟。

5平板扁盒中的实验

5.1试剂与仪器

12mol/L浓盐酸、14mol/L浓氨水；平板扁盒（带有盖子）、大张pH试纸、小刀、胶带、脱脂棉、滴管、摄像机

5.2实验步骤

（1） 将pH试纸裁切并粘贴至平板扁盒的内侧（远离摄像机的一面）。

（2） 取2团脱脂棉，一团放在平板扁盒左下角，另一团粘贴在右上角（盖子上）。将平板扁盒竖放在平面上，用摄像机对准拍摄。

（3） 用2支滴管分别吸取少量室温条件下的浓盐酸和浓氨水，并分别滴2滴在左下角和右上角的脱脂棉上，迅速盖上盖子。观察、拍摄平板扁盒内现象。

5.3实验现象与分析

见图4，实验开始后，pH试纸的红色和绿色迅速扩散，10s时两种颜色汇合，同时在汇合处产生薄薄的一层白烟。10s后绿色继续扩张，逐步“侵占”红色的部分，其“侵占”的速率由快变慢。5min后反应基本结束，pH试纸完全变绿，白烟聚集在左下角。

5.4实验结论

与塑料长管中的结论相同（同3.4）。

饮料变色实验

龙琪

（南京晓庄学院环境科学学院， 江苏南京211171）

摘要： 饮料变色实验基于生活化学理念和蓝瓶子实验原理而设计。实验原料为日常生活中常见的饮料、管道通疏通剂、食用纯碱和亚甲基蓝鱼缸消毒剂。实验操作和现象是“摇晃变色，摆放褪色”。关键实验条件是饮料类型、碱性强弱和实验温度。

关键词： 蓝瓶子实验； 管道通疏通剂； 亚甲基蓝； 饮料变色； 趣味实验

文章编号： 10056629（2018）2006404中图分类号： G633.8文献标识码： B

为了展现化学与生活的紧密联系，消除公众对化学的误解和恐惧，培养中小学生的化学学习兴趣，以日常生活中常见的饮料为原料，设计了一系列有趣又安全的表演实验。实验操作仅需两步，首先摇晃溶液，然后摆放静置。实验现象是摇晃时溶液颜色发生变化，摆放静置时溶液颜色又复原。“摇晃变色，摆放褪色”的实验操作和实验现象可重复多次。

1饮料变色实验方案

饮料变色实验的操作过程为： 按一定比例混合饮料、碱性溶液和亚甲基蓝溶液。然后摇晃振荡，最后摆放静置。该实验中，饮料类型、碱性强弱、实验温度是关键条件。

1.1饮料类型

饮料类型对实验结果有显著影响。经过多次试验发现，以下饮料的变色速度快，演示效果好，分别是： 统一鲜橙多橙汁饮料、每日C葡萄汁饮品、佳得乐运动饮料（蓝莓味、柠檬味、西柚味、橙味）、力量帝维他命水（石榴蓝莓风味、蓝莓树莓风味、热带水果风味）、康师傅水漾（柠檬口味）、酷乐仕龙卷C（火龙果风味）等。

1.2碱性溶液和实验温度的选择

饮料变色实验要在强碱性条件下进行。生活中常见的碱性较强的物质是管道通疏通剂和食用纯碱。管道通疏通剂中含有大量氢氧化钠，其实验效果优于食用纯碱。本实验所用管道通疏通剂溶液的浓度为10%（下称管道通溶液）。如果采用食用纯碱，不仅要配成饱和溶液，而且还需要加热。通过加热，可以提高反应速率，且能促进纯碱水解，提高氢氧根离子浓度，从而使振荡后的褪色速度加快。

1.3实验方案及效果

[实验原料]上文提及的饮料若干种、管道通

5.5拓展实验

颠倒两团脱脂棉滴加液体的种类，实验开始后，由密度的差异，约10秒后试纸就完全变绿（氨气充满整个容器），白烟从右上角脱脂棉处不断生成，缓缓竖直下落。

6简易实验

本实验还有一个简易做法： 在广口瓶内侧放置一张卷起的pH试纸，试纸大约遮住广口瓶周长的3/4。用滴管在瓶底滴加1滴浓盐酸，同时在瓶盖滴加1滴浓氨水，并迅速盖上瓶盖。观察pH试纸和白烟的变化。本实验依然可以看到pH试纸红色绿色扩散、红绿汇合、绿色不断扩张并挤压红色等现象，得到与3.4相似的结论。

参考文献：

[1]马可龙，韩独石.氨与氯化氢反应的环保装置及实验现象评析[J].教育与装备研究， 2009，（1）： 19～20.

[2]余新红.氨气与氯化氢反应实验的绿色化改进[J].中小学实验与装备， 2014，24（1）： 24.

[3]程萍，李美星.从实验学化学——“氨”的教学设计及思考[J].化学教学， 2013，（6）： 60～63.

[4]凌一洲.从美的发生到美的体验、美的创造——利用可视化实验室实现美育渗透的探索[J].化学教学， 2017，（12）： 10～13.

[5]郁志珍，丁偉.基于过程可视化的化学实验研究[J].教育与装备研究， 2017，（7）： 40～45.