喷泉实验装置的新设计

罗迎瑞

摘 要： 因为化学实验及实验装置设计无不渗透着技术思想和方法，化学实验装置的改进和化学实验教具的革新无不运用技术的思想和方法。经长期探索与尝试，设计出一套多功能喷泉实验装置。不仅能够快速制备氨气、收集氨气、检验氨气性质，而且能引发氨气的喷泉实验、喷烟实验、倒吸实验，还能利用此装置继续完成其他气体的喷泉实验。该套装置连接简单、控制灵活、简单便捷、无污染、现象明显、耗时短、实用性强，能同时完成多组实验、没有氨气泄露，符合绿色化学理念。既适合于教师演示，又适合学生合作完成。

关键词：通用技术 喷泉实验 喷烟实验 倒吸实验 排水洗涤

在日常生活中，有很多为我们所不知而需要解答的话题，这就是问题。问题的形式多种多样，如科学探究方面的，实验操作方面的，还有技术与设计等方面的，等等。要解决好此类问题，最有效的途径就是反复实践，实践是动手动脑的过程，也是解决实际问题的过程。笔者通读完通用技术课程《技术与设计1》、《技术与设计2》和相关技术教育的资料后，深感一位教师学习掌握通用技术的重要性。一旦了解和掌握一定的通用技术，每做一个实验，不仅是为观察实验现象、得出实验结论，更重要的是应有问题意识，对于教材上一些设计欠完美的实验要能发现问题，并能用技术思想和方法研究解决。这样，我们才会不由自主地用技术思想和方法自觉进行实验创新。这里所说的实验创新指继承为前提的创新，即发现问题、研究问题和解决问题的过程。下面我们运用技术思想和方法，研究解决中学化学实验微型化、绿色化的问题和如何进行低成本教具研制，实例列举如下：

氨气的喷泉实验是化学教材中既有趣又值得回味的实验，在教材中处于重要地位。但在实际教学过程中，氨气的实验室制备、收集和储存、氨溶于水形成喷泉实验的演示等过程，操作比较繁琐，很难在较短时间内完成整个实验。笔者经长期探索与尝试，用实验室中简单仪器、矿泉水瓶和一些医用的废弃材料，设计出一套多功能喷泉实验装置。不仅能够快速制备、收集和检验氨气，而且能引发氨气的喷泉实验、喷烟实验、倒吸实验，还能利用此装置继续完成其他气体的喷泉实验。该套装置连接简单、控制灵活、简单便捷、无污染、现象明显、耗时短、实用性强，能同时完成多组实验、没有氨气泄露，符合绿色化学理念。适合教师演示，也适合学生合作完成。

1.装置设计图（见下图）

2.装置制作材料及所需试剂

（1）制作材料

铁架台两个，具支锥形瓶一个，圆底烧瓶一个，分液漏斗两个，矿泉水瓶四个，10mL注射器两支，单孔橡胶塞三个，双控橡皮塞一个，三孔橡皮塞一个，丫形三通管三个，控制阀七个个，中性笔芯杆六根，中性笔接头八个，输液器软管若干。

（2）所需试剂

氢氧化钠固体、浓氨水、浓盐酸、硫酸铜溶液、酚酞试液、红色石蕊试纸、碳酸钙固体、稀盐酸、NaOH浓溶液。

3.装置的制作

（1）氨气制备装置的组装

如装置图1左部所示，通过单孔橡胶塞将约为100mL分液漏斗安装在500mL带支管的锥形瓶上端，再将锥形瓶固定在左边铁架台上；锥形瓶的支管上接一段约3cm长的软导管，软导管另一端用带有粗头的输液导管连接起来，并在软导管上安装控制阀一。

（2）制作三个组件

用一段约长10cm的输液导管连接两个丫形三通管，在第一个丫形三通管的下端接约长5cm的输液导管，并在其上安装控制阀二；输液导管下端用中性笔接头连接两个中性笔芯杆，使其插入单孔橡胶塞，并将橡皮塞插入侧壁钻有小孔的矿泉水瓶一上。在第二个丫形三通管的下端同样接约长5cm的输液导管，并在其上安装控制阀三，输液导管下端用中性笔接头连接两个中性笔芯杆，使其插入单孔橡胶塞，并将橡皮塞插入侧壁钻有小孔的矿泉水瓶二上。它的上端接约5cm的输液导管，并在其上安装控制阀五，输液导管的上端用中性笔接头连接一根多些中性笔芯杆，使其插入三孔橡皮塞；将一段约40cm长的输液导管下端直接插入瓶盖上钻有小孔的矿泉水瓶三，并在其上安装控制阀四，上端接上一段中性笔芯杆，插入三孔橡胶塞；最后，取下输液导管最前端软管上的针头，套上一段硬导管，将其插入三孔橡胶塞上，另一端接上10mL注射器。

（3）圆底烧瓶的固定

将三孔橡胶塞塞紧在圆底烧瓶上，将其固定在右边铁架台上，调整高度，各组件的位置间隔，使其整个装置舒展美观。

（4）CO气体的制备装置

如装置图2所示，通过双孔橡胶塞将约为100mL分液漏斗安装在250mL的锥形瓶上端，将带有控制阀六的一段输液导管一端接上硬质输液尖嘴，并将其插入双控橡皮塞，作为将制取的二氧化碳气体通入圆底烧瓶的导气管。

4.装置的应用

（1）氨气的制备、收集与检验

在盛有水的矿泉水瓶三中放入一两片红色石蕊试纸。打开控制阀一、控制阀四和控制阀五，关闭控制阀二和控制阀三，向盛有固体NaOH的500mL具支锥形瓶中注入浓氨水，会看到矿泉水瓶三中有大量气泡冒出。若矿泉水瓶三中的红色石蕊试纸变蓝色，说明圆底烧瓶中氨气已收集满。停止向具支锥形瓶中注入浓氨水，并关闭控制阀一和控制阀五。

（2）氨气的喷泉实验

向已收集满氨气的圆底烧瓶中用带软管的10mL注射器注入5mL左右的水，打开控制阀三和控制阀四，矿泉水瓶二中的无色酚酞溶液在外界大气压的作用下被迅速压入导管喷向圆底烧瓶，形成美丽的红色喷泉。

（3）喷烟实验

向具支锥形瓶中注入少量浓盐酸，立即会有浓浓的白烟产生，白烟为氯化铵的固体小颗粒。此时，具支锥形瓶中气压减小，产生负压。

（4）倒吸实验

关闭控制阀三和控制阀四，打开控制阀一和控制阀二。在外界大气压的作用下，矿泉水瓶一中浅绿色的硫酸铜溶液被迅速压入到具支锥形瓶中，观察到有蓝色氢氧化铜沉淀生成。

（5）排水洗涤

打开控制阀四，圆底烧瓶内的红色溶液，从其下端的导管排出到矿泉水瓶三中，用50mL注射器向圆底烧瓶中注入清水，用清水洗涤圆底烧瓶瓶两到三次。

（6）CO气体的制备、收集与检验

撤去图1中的矿泉水瓶三，将图2所示的带有控制阀六的导气管接在其上。打开控制阀六，关闭其余所有控制阀。打开分液漏斗上的旋塞，向盛有碳酸钙固体粉末的250mL锥形瓶中缓慢注入稀盐酸，盛有紫色石蕊试液的矿泉水瓶三中立即有气泡冒出。一段时间后，紫色的石蕊溶液变红色，说明二氧化碳已收集满，关闭控制阀六。

（7）CO气体的喷泉实验

用吸有氢氧化钠浓溶液的注射器向圆底烧瓶中注入氢氧化钠浓溶液后，打开控制阀三和控制阀五，会看到矿泉水瓶三中的红色酚酞溶液再次被喷入圆底烧瓶中形成美丽的红色喷泉。由于二氧化碳为酸性气体，可以观察到红色喷泉颜色逐渐变浅。

5.装置的优点

（1）省时环保

人教版普通高中化学必修1中关于氨气的制备与喷泉实验一方面准备工作繁杂，实验耗时较长。另一方面制备的氨气往往因漏气、潮湿等导致喷泉实验效果不理想。同时，教材上制取氨气时，会使氨气泄露在空气中，不符合绿色化学的理念。改进后的实验装置，操作便利，极大地缩短了实验时间，为教师课堂演示赢得了时间。同时，尽可能避免氨气排放到空气中，环保无污染，符合绿色化学理念。

（2）内容新颖

本实验能让学生学会在实验室快速制取氨气的方法和原理。实现氨气的制备、收集、物理性质、化学性质检验一体化操作。同时，能对氨气喷泉实验原理进行拓展迁移，继续用CO和氢氧化钠浓溶液实现喷泉实验，使学生加深对喷泉实验原理的认识，进一步开阔视野。

（3）现象明显

本实验现象非常明显，颜色变化多样。现象一：无色酚酞溶液遇到碱性物质会变成红色。氨气引发的喷泉实验，会使无色酚酞试液形成美丽的红色喷泉。现象二：浓盐酸遇到浓氨水会有白烟产生。因此，向氨气的发生装置中注入浓盐酸，会产生喷白烟现象。现象三：硫酸铜溶液遇碱会生成美丽的蓝色氢氧化铜沉淀。将盛有硫酸铜的稀溶液与氨气的发生装置连通，会产生剧烈的倒吸现象，并生成蓝色的氢氧化铜沉淀。现象四：二氧化碳为酸性气体，其与氢氧化钠浓溶液引发的喷泉，会使得烧杯中的红色酚酞溶液再次形成美丽的喷泉，但是溶液颜色会变浅，形成粉红色的喷泉。

（4）生动有趣

本实验操作简单，现象明显，渗透化学知识和物理知识，便于教师课堂演示，也便于学生进行探究性学习，如探讨喷泉实验的原理，探究各种现象产生的原因，讨论可形成喷泉的固体和液体，以及进行装置的再次改进，等等。由于本实验现象明显，颜色变化分明，还可进行趣味实验。

（5）拓展空间广阔

本实验可连续进行多组喷泉实验，为学生深入认识喷泉实验原理，进行拓展迁移，灵活应用，进行多组气液间的喷泉实验提供开阔的拓展空间。除氨气和酚酞溶液、二氧化碳与浓碱溶液的喷泉实验外，还可进行HCl与水、二氧化硫与浓碱溶液、氯气与浓碱溶液等引发的喷泉实验。

6.注意事项

（1）装置要保证干燥，气密性良好。

（2）制取氨气或CO要尽量将气体收集满。

（3）开关控制阀要注意次序和开关速度。

（4）氨气的收集采用上端进氨气，下端排空气；CO气体的收集采用从下端进CO气体，上端尖嘴导管处排空气。

（5）巧用丫形三通管连通仪器和妙用针管的多重功能。

随着科学技术突飞猛进的发展和化学学科教学质量的不断提高，技术创新已成为化学实验室无时不有、无处不用的客观存在。化学实验创新就是化学实验教学领域内的技术创新，是我们开展实验改进、教具创新和探究实验过程的重要措施和方法。每个实验的设计、装置的选定及实验过程，无不蕴含着技术的思想和方法。因此，将通用技术的理念渗透到化学实验教学中，用技术的思想和方法开展化学实验，就是培养学生观察现象能力、动手实践能力、动脑设计能力、发现分析和解决问题能力等技术思想和方法的有效途径，是提高学生技术素养的第二课堂活动内容。技术素养是当代青少年需要迫切提高和不能不具备的基本素养，而通用技术课程就是用以提升技术素养的供中学生必修的技术课程。相信通用技术在化学实验中的实践和应用，对广大同学的发展具有广泛迁移价值，它的实践过程是“同学们主动建构知识、不断拓展能力、形成良好情感态度与价值观的过程，是一个富有生机、充满探究、方式多元的过程”[1]。这一过程“一定会成为同学们豆蔻年华中夯实基础、挑战自我、享受创造与发展乐趣的美好生活的一部分”[2]。

参考文献：

[1]顾建军，等.技术与设计1[M].江苏教育出版社，2009（5），第3版.

[2]顾建军，等.技术与设计2[M].江苏教育出版社，2009（5），第3版：041.