釜底抽薪式一体化喷泉实验装置

2020-12-11福建省厦门实验中学361000李根薰

中小学实验与装备 2020年5期

福建省厦门实验中学(361000) 谢婷李根薰

1 问题提出

喷泉实验是高中阶段一个现象明显，趣味性高，可以广泛应用于氨气、二氧化碳和氯化氢等气体的性质验证实验。氨气的喷泉实验是高一重要的演示实验，但是由于受到“装置密闭、烧瓶干燥、氨气充足”等条件的限制，实验容易失败。大量学者开展了喷泉实验创新改进，有的研究人员开发出了可以反复使用的多色喷泉。一体化喷泉实验是喷泉实验改进的主流方向之一，这些新型设计总体成功率高，但是都面临实验装置相对复杂的问题。

近年来高考化学中气压问题成为了一个难点问题，2017年全国I卷凯氏定氮法的考查是一道经典的考查压强差的实验题。高中喷泉实验是运用压强差实现液体移动的典型实验，该实验在教学方面的价值有待进一步开发。

笔者在改进氨气喷泉实验的时候，偶然发现了一种成功率极高的“釜底抽薪”式简易喷泉实验装置。本文将介绍该实验设计，并探讨喷泉实验改进中若干问题；同时将基于新设计的一体化喷泉实验装置，运用问题解决的教学模式开展氨气性质教学设计。

2 实验改进及教学实践

2.1 喷泉实验改进中若干问题的解决

喷泉实验的产生可以采用外压法以及内压法。教材中演示实验的设计采用内压法，教学中通常按照教材方法实施即先将氨气通入烧瓶中，然后通入一定量水，随着氨气溶于水形成负压。经过查阅文献，笔者发现一体化喷泉实验装置存在以下问题，可能导致实验的不成功：①密闭系统下由于氨气不断产生，烧瓶内压强增大，导致胶塞被鼓出；②利用针管向烧瓶的长颈端加水，烧瓶长颈端(横截面积小，与氨气的接触面积小)中的氨气有限，无法形成足够的压强差，导致实验失败；③利用针管向烧瓶的长颈端加水，水的量太少压强差不明显，水的量太多会使胶塞由于重力因素下落，导致实验失败；④喷泉实验中负压多少通常依靠感觉进行设计，有学者引入了压强传感器进行定量测定，但是容器大小改变后压强数值也会发生相应变化，因此喷泉实验中相关参数的定量研究较为困难。

为解决这些问题，笔者深入分析了原一体化装置中问题，并提出解决胶塞鼓出、负压不够、对装置密闭性要求高等问题的思路。

首先，在实验过程中负压的形成可以转移到烧瓶外，这样就避免烧瓶中需要大量氨气才能产生足够负压的问题。可以将易于形成负压环境的装置与圆底烧瓶连接，如此胶塞鼓出问题将彻底解决。

其次，密闭性问题可改变气体流通的通道而解决，即将产生的气体通入倒立烧瓶后继续引入盛有酚酞的烧杯中，因此无需保证圆底烧瓶密闭。在该设计中圆底烧瓶成为气体流动“中间站点”而非“终点站”，从而解决气密性问题。

最后，负压过小问题可以采用外加负压或者“釜底抽薪”的方式。引入外加负压(即外压法)可以采用抽气装置实现，但是使用该方法氨气的价值将被削弱，因此笔者想到采用“釜底抽薪”方式。所谓“釜底抽薪”是基于笔者设计的喷泉实验一体化装置，如图1所示。“反应釜”即氨气的发生装置，当烧杯中观察到酚酞变红后，将锥形瓶上方的水注入反应装置中，将氨气来源“摧毁”，由于大量氨气瞬间溶于水中，造成强大负压，形成明显喷泉。

2.2 改进喷泉实验设计

2.2.1 实验仪器及试剂

实验仪器：250 mL锥形瓶、500 mL蒸馏烧瓶、500 mL烧杯、20 mL注射器、单孔胶塞、直导管、90°直角导管、橡胶管。

实验试剂：氢氧化钠固体、浓氨水、酚酞溶液、蒸馏水。

2.2.2 实验步骤及现象

(1)按图1组装仪器，并检查装置的气密性。锥形瓶中加入4 g氢氧化钠固体，盖紧胶塞，注射器中吸入20 mL蒸馏水备用，烧杯中加满水滴入2滴无色酚酞溶液备用。

(2)用针管吸取7 mL浓氨水，将针筒中的浓氨水注入到锥形瓶中，氨气不断产生，可观察到烧杯中溶液变成红色，再通入氨气至烧杯中无气泡冒出，并且将注射器中的蒸馏水全部注入到锥形瓶中。此时负压形成，烧杯中的蒸馏水进入圆底烧瓶，形成红色喷泉。(注：本实验中氢氧化钠为0.1 mol，浓氨水中一水合氨含量略多于0.1 mol。)

2.3 基于新一体化喷泉实验装置的氨气性质教学设计

在氨气性质教学中，笔者以喷泉实验装置的改进为题开展了问题解决式教学，将氨气喷泉实验设计中的问题转化为课堂教学中的问题，并引导学生逐步解决，设计出新的一体化实验装置，实现建构式教学。

2.3.1 教学设计

(1)教师演示传统喷泉实验装置，并引导学生讨论实验的核心原理。

(2)教师引导学生分析传统一体化实验装置失败的原因。

(3)教师有意引导学生依次解决胶塞鼓出问题、负压形成问题、装置气密性问题并初步形成新的实验设计。

(4)教师演示新型一体化喷泉实验，并要求学生进行实验总结。

(5)学生练习2017年全国I卷高考理综第26题，进一步理解负压在化学实验设计中运用。同时教师提供一些高中常见负压类实验题供学生自主学习，并引导学生学习讨论如何利用压强差推动液体流动。

2.3.2 课堂教学问题设计

(1)喷泉实验的核心原理是什么？

(2)传统的一体化喷泉实验经常面临失败的关键点是什么？

(3)如何破解瓶内压力大导致胶塞鼓出，瓶内压力大小无法直接测量问题？

(4)如何提供强大负压，如何避开装置一定要气密性非常好的问题？

(5)新的实验装置设计与原有一体化装置对比主要特点是什么？

3 结果与讨论

传统一体化实验装置是密闭系统，需要严格控制反应物的量，不然在关闭止水夹后容易因压强过大鼓开装置。本装置无止水夹，实验系统半封闭状态，产生的氨气始终与水连通，解决了因压强太大圆底烧瓶胶塞容易被鼓出的问题，同时大部分氨气直接被水吸收，污染少。当反应结束后，在锥形瓶端加蒸馏水，既增大了蒸馏水与氨气的接触面积，解决了传统实验中从倒置烧瓶长颈端加水长颈端横截面积太小的问题，又可以把蒸馏水加到足量，解决了加水量太少压强差不明显，加水量太多由于重力因素使胶塞下落的问题。反应物氢氧化钠和氨水都极易溶于水，待喷泉实验结束后，教师只需加入少量盐酸中和溶液，便可以实现废液处理。经过多次实验验证，每次都能成功观察到喷泉，证明该实验成功率高。

经过教学实践发现，学生在发现问题并逐一分析解决这些问题的过程中，不仅能深刻认识到负压形成的原理，并且能激发学生强烈地实验设计热情。当教师提出将负压产生地点由烧瓶内产生转移到反应瓶时，学生普遍有恍然大悟的感觉。基于新的实验装置开展的教学设计既能服务于氨气性质的教学，还能帮助学生提升实验设计能力。