多色双喷泉实验

张阿芳 陈波 陈启明

关键词：多色双喷泉实验;氨气;氯化氢;实验装置设计;实验探究

1研究背景分析

喷泉实验是高中化学的经典实验，氨气的喷泉实验在三个版本的高中教材里均有出现，沪教版还提到氯化氢的喷泉实验，因现象震撼，容易激发学生的学习兴趣，适合用作课堂演示实验。目前相关的文献研究大多是基于实验的某一环节做出改进，如增加制取氨气的装置、更换实验药品、改变引发喷泉的方式提高实验成功率，设计一体化实验将氨气的制取、喷泉、性质实验进行综合改进等。熊言林等人利用氨气丰富的化学性质，设计一种反复变色的喷泉，通过控制止水夹将多种现象融于一体，具有色彩融合的思维。另外还有作者从教学内容出发，设计对比实验引导学生探究二氧化硫喷泉实验的可行性，将理论与实际相结合，更加具有教育意义。

上述改进后的实验方案仍存在以下问题：（1）缺乏足够的吸引力。改进后的实验装置大多是单瓶喷泉，且未设计成方便增减的实验模块单元，规模较小，难以激发学生的兴趣。（2）现象单调，持续时间短。实验使用的圆底烧瓶一般是250mL，喷泉引发后酚酞水溶液在烧瓶内迅速变红，持续10s左右即停止，效果不佳。（3）容易形成定势思维，缺乏创新性。大多数研究依然沿用了氨气和酚酞水溶液来设计喷泉实验，事实上只要通过化学实验制造压强差就能实现喷泉。席改卿等人提出用建构主义思想帮助学生打破定势思维，并设想得到氯化氢、氨气的喷烟现象，但并未深入探讨喷泉和白烟相结合的实施方案，缺乏对学生进行“模型认知”“科学探究与创新意识”等学科核心素养的养成教育。基于上述问题，本实验利用氨气易溶于水和氯化氢气体与碱液反应的性质，同时进行双喷泉实验。原理上，实验巧妙利用氨气和氯化氢的反应，制造白烟缭绕的奇幻现象，且白烟的生成量可以指示集气完成情况，解决了以往气体泄漏的问题。同时，通过自行设计、定制的三颈烧瓶实现了实验装置的一体化，增加了氨气的储量，丰富了实验内容，延长了趣味现象呈现的时间。实验结束后，部分反应液可经调节pH再回收利用3-5次，符合绿色化学的要求。

2改进实验

2.1实验原理

实验涉及到以下几个主要化学反应：

（1）氨气极易溶于水，并能和水反应生成一水合氨，溶液呈碱性;氯化氢气体易与氢氧化钠溶液反应。

（2）酚酞溶液遇碱变红，而二价铜离子在氨水溶液中发生配位反应，生成深蓝色的四氨合铜配离子，通过倒吸混合氨水、酚酞和硫酸铜溶液可以呈现蓝紫色。

2.2试剂和仪器

氨水、五水合硫酸铜、六水合氯化钴、对硝基苯酚、N（1萘基）乙二胺盐酸盐、冰醋酸、亚硝酸钠、对氨基苯磺酸、硫氰化钾、六水合三氯化铁、浓硫酸、酚酞指示剂，以上试剂均为分析纯。

2.3实验步骤

搭建如图1所示反应装置。

（l）检查装置的气密性：将与直角玻璃导管连接的玻璃活塞4b-4h、4j-4p打开，将左、中、右侧与三角漏斗连接的三个玻璃活塞4a、4i、4q关闭。向烧杯中加入适量水，使得长玻璃导管下端浸没在水中。先用酒精灯微热左侧锥形瓶，观察烧杯内是否有气泡冒出，待冷却后，再用酒精灯微热右侧定制三颈烧瓶，观察气泡，若两侧均有气泡产生，说明装置气密性良好。

2.4实验结果

实验结果如表1所示。

3实验的优点

（1）将喷泉的颜色反应与白烟反应结合，观赏性强。

（2）实验符合环保要求：无气体泄漏，实验药品用量少，且部分可回收利用。

（3）新创装置气密性好、喷泉量大，能实现多色喷泉且能控制喷发顺序。

（4）本实验建立起了化学喷泉模型，可操作性强。教师在教学时可根据需要进行药品的更换和装置的改进，还可设置相关的思考题供学生学习。

4教学建议

改进后的实验涉及氨气的性质、酸碱指示剂、配位反应、沉淀反应等，教师可以结合学生储备的化学知识，引导他们进一步思考该实验在试剂和操作上的其他改进方案。以下几个实例可供参考：

（1）压强差原理。生活中有很多应用压强差的例子，比如人体呼吸、虹吸现象、吸盘等。化学学习中也有多处运用到压强差原理，比如化学喷泉实验、装置气密性检查、启普发生器原理、通过红磷燃烧实验测定空气中氧气的含量、压强差法制备纯净的氢氧化亚铁、防倒吸装置等。教師可引导学生从生活实际出发，进行类比总结，建立起以压强差为中心的知识结构网络。

（2）颜色反应。化学实验中往往伴随许多绮丽的色彩变化，除了酸碱指示剂遇酸/碱发生颜色变化外，金属离子的沉淀反应、生成配合物的反应都能呈现出奇妙的特征颜色。学生可通过查阅资料，整理常见的颜色反应，再进一步用于开发新的趣味实验，如化学鸡尾酒、化学交通灯等。

（3）创新实验。本次实验分析了喷泉实验的原理及过程，提供了从实验装置、实验现象、实验药品选用等多个角度的创新演示，学生可据此设计、创新更多的喷泉实验的方案。

新创的多色双喷泉实验从多个角度改进了课本实验，其涉及了多种反应原理，现象生动有趣。趣味实验能从视觉等方面带给学生较强烈的震撼感和冲击力，引发学生的好奇心，同时也能明显提升学习效果，有利于开拓学生的发散思维，提高学生的创新能力和实践能力，是教师进行素养教学的一个良好素材。