一体化多色双喷泉实验——以氨气的制备与性质实验为例

彭新月

西华师范大学(637000)

氨气的制备及性质检验实验在中学化学中有着重要的地位。新人教版高中化学必修2教材中,涉及氨气的实验[1]主要包括加热NH4Cl与Ca(OH)2制备氨气、氨气溶于水的喷泉实验、氨与氯化氢反应。如教材所示进行实验,首先制备氨气需要加热,消耗能源,且难以收集到足量的氨气;其次由于氨气和浓盐酸均有刺激性气味,逸出会危害身体并造成环境污染;最后在氨气的喷泉实验中,需要提前准备氨气,且选用酚酞做指示剂,颜色单一,趣味性不强。

1 研究背景

以实验为基础是化学学科的重要特征之一,有效的实验教学对提高学生化学学科核心素养有着至关重要的作用。在实验教学中,应该加强学生亲身体验感,满足学生的探索求知欲,提升学生的实践操作能力,培养学生的兴趣爱好和创新能力,充分发挥实验教学的作用。

目前,有许多学者对氨气相关实验做了改进,赵志恒等[2]利用氨气的性质开发了“化学喷泉广场”趣味实验,利用月季花提取液在不同的pH环境中呈现不同色彩,形成多色喷泉,实验趣味性十足,能够有效激发学生学习兴趣;王晓瑜等[3]将制备氨气的试剂改为NH4Cl与NaOH,无需加热即可制备氨气,并且将氨气制备与性质实验融为一体,简单易行;张阿芳等[4]设计了多色双喷泉实验,涉及多种化学反应原理,并且建立了“喷泉模型”,有利于促进学生核心素养提升。但上述实验仍然存在不足:①实验装置过于复杂,难以在课堂中操作;②学生不具备参与性,无法锻炼学生的动手操作能力;③涉及原理过多,跨度太大,短时间内学生无法接受,同时也增加了教学难度;④形成喷泉的溶液种类过多,提取青花素过程繁琐,增加了实验复杂程度。

综上所述,使得氨气的制备和性质检验实验难以在课堂中实施,无法充分发挥实验教学的作用,故提出本实验方案,能够有效解决以上问题,培养学生化学学科核心素养。

2 实验原理

(1)随着pH值的变化,紫甘蓝溶液呈现出不同颜色[5](见表1)。

表1 紫甘蓝指示剂变色范围

(2)氨气制备

本实验采用向固体NaOH滴加浓氨水的方法制备氨气,在反应的过程中,NaOH电离出OH-促进反应正向进行,从而快速制取氨气,相关离子方程式为:

(3)氨气性质检验

NH3遇到HCl,会迅速生成NH4Cl固体,有大量白烟生产,相关离子方程式为:

NH3+HCI=NH4CI

(4)喷泉形成原理

氨气易溶于水,从而使得烧瓶中压强变小,形成喷泉。NH3与HCl反应生成NH4Cl固体同样会使烧瓶压强变小。

3 实验试剂、仪器及装置

(1)实验试剂:浓氨水、浓盐酸、紫甘蓝、蒸馏水、氢氧化钠固体。

(2)实验仪器:100 mL双支管烧瓶、50 mL双支管烧瓶、250 mL烧杯、带针头注射器、止水夹、铁架台、铁拐、铁夹、胶管、玻璃导管。

(3)实验装置

实验装置如图1所示。

图1 实验装置图

4 实验操作

(1)实验准备

①组装装置并检查装置气密性;②提前准备2 mL浓盐酸(1号烧瓶)、2 mL浓氨水(2号烧瓶)、2 mL蒸馏水(3号烧瓶),将3种液体分别装入不同的注射器中。1 g氢氧化钠颗粒(2号烧瓶)。

(2)紫甘蓝浸泡液制备

取一片紫甘蓝,将其剪碎,用蒸馏水浸泡2 min,取浸泡液即制得紫甘蓝浸泡液。

(3)氨气的制备、收集、性质检验及喷泉实验的实验步骤及现象见表2。

表2 氨气的制备、收集、性质检验及喷泉实验

(4)清洗仪器,整理归位(废液倒入废液桶)。

5 实验现象

实验现象如图2所示。

图2 实验现象

(1)注入浓盐酸后,NH3遇到HCl,1号烧瓶中有大量白烟生成。

(2)注入蒸馏水后,2号烧瓶无明显现象。

(3)打开止水夹e、f后,烧杯中的紫甘蓝浸泡液分别进入1、3号烧瓶中,形成多色双喷泉,如图2所示。1号烧瓶喷泉颜色由紫色变为蓝色,再变为绿色,最后变为红色。3号烧瓶中喷泉颜色由紫色变为蓝色,最后变为绿色。

(4)将剩余紫甘蓝浸泡液注入2号烧瓶中,可以观察到3号烧瓶中溶液变黄。

6 实验改进优点

6.1 一体化设计,构建完整知识体系

将氨气的制备与性质检验融为一体,便于学生系统掌握制备及检验氨气的相关知识。

6.2 绿色环保,培养学生社会责任感

(1)提前将浓溶液准备好,减少刺激性气味的弥漫,降低了氨气制备及性质检验实验的危害,使得在课堂中进行实验操作成为可能。

(2)选择紫甘蓝浸泡液作指示剂,选材来源于生活且无污染。

(3)用浓盐酸检验氨气性质是在密闭空间中进行的,可以看到明显的白烟现象且无物质逸出,安全环保。

6.3 简便易行,培养学生动手能力

(1)利用注射器将浓氨水加入固体氢氧化钠以制备氨气,反应快,用量小,操作简便,并且选用注射器可以控制反应速率,能够在课堂中安全有效地制备氨气。

(2)紫甘蓝用蒸馏水浸泡即可,无需榨汁或研磨,过滤时无需使用滤纸。

(3)通过对实验的改进,学生能够参与到实验器材的准备、归位及废水处理等过程,提升学生的观察能力和动手操作能力。

6.4 现象多变,激发学生学习兴趣

(1)随着溶液pH值的变化,紫甘蓝浸泡液颜色变化丰富且鲜艳,同时具备可操作性和观赏性,能够激发学生学习化学的兴趣,提高学生的学习积极性。

(2)由于HCl与NH3反应生成NH4Cl固体,压强减小,同样可以形成喷泉,即可见颜色多变的双喷泉现象。

7 实验注意事项

(1)实验过程中要保证装置气密性良好,并且注意尾气吸收。

(2)实验结束后,多余溶液可回收利用,废液应该倒入废液缸。

(3)实验过程中若加入水或浓盐酸之后无法及时形成喷泉,可能是反应过程中空气未排尽,造成压强差不够,此时可向外轻拉注射器活塞,即可形成喷泉。