利用数字化实验探究银氨溶液主要成分

刘和平 张敏

摘要：利用pH传感器和电导率传感器进行数字化实验，通过测定Ag（NH3）2OH和Ag（NH3）2NO3溶液pH和理论计算的方法，证明了向AgNO3溶液中加氨水制备的银氨溶液主要成分并非Ag（NH3）2OH而是Ag（NH3）2NO3。

关键词：数字化实验；银氨溶液；Ag（NH3）2OH；Ag（NH3）2NO3

文章编号：1008-0546（2016）05-0000-00 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.000

一、问题的提出

人教版化学选修5对银氨溶液的制备方法陈述如下：在洁净的试管中加入l mL 2%的AgNO3溶液，然后边振荡试管边逐滴滴入2%的稀氨水，至最初产生的沉淀恰好完全溶解为止，制得银氨溶液。并在教材58页资料卡片中给出了制备银氨溶液的化学反应方程式[1]：

AgNO3+NH3·H2OAgOH↓+NH4·NO3

AgOH+2NH3·H2OAg（NH3）2OH+2H2O

教材指出银氨溶液的主要成分为Ag（NH3）2OH，多数教师也将此溶液的主要成分视为Ag（NH3）2OH，但是也有一些研究者对此提出了不同的看法，通过理论和实验的研究证明了其中的主要成分应为Ag（NH3）2NO3。[2][3][4][5][6]其中具有代表性的有杨洪雷（2008）：利用pH试纸比较制备的Ag（NH3）2OH和Ag（NH3）2NO3溶液的pH并比较二者制备过程中消耗氨水的体积来说明教材中制备出来的银氨溶液的主要成分；李成刚，何小稳（2013）：利用酸度计比较2%氨水、Ag（NH3）2OH和Ag（NH3）2NO3溶液的pH说明了银氨溶液主要成分，并提出教材中制备的银氨溶液呈碱性来自于氨水的电离平衡。

但是在之前的研究中也存在着一些问题，比如：利用肉眼观察氨水加入硝酸银时沉淀恰好完全溶解的点不够精确；采用pH试纸测量溶液pH不够准确，不同研究者的数据结果相差很大；利用pH计或pH试纸均难以连续记录溶液制备中的pH变化过程以及制备Ag（NH3）2OH的过程牵扯到离心、洗涤等过程较为繁琐。

所以，笔者在本研究中基于前人的研究基础，利用数字化实验这种具有实时性、准确性和直观性的新型实验装置对银氨溶液主要成分的探究方法进行进一步的改进。

二、改进思路

“沉淀恰好完全溶解”的判定在先前的研究中，研究者几乎均为凭借肉眼观测来判断沉淀是否恰好完全溶解了，这样很可能会使得所滴加的氨水过量而影响后面的pH测定，降低了实验数据的可靠性。

电导率传感器是测量溶液中电荷流动难易程度的传感器，在溶液中，因离子的移动而导电，所以在一定的浓度范围内，溶液离子浓度越高，导电能力就越强[7]。在本研究中，当向AgNO3溶液中滴加氨水后由于会生成沉淀（AgOH，Ag2O）所以电导率先下降，当继续滴加氨水后由于沉淀的溶解会生成银氨络合物，所以电导率将会逐渐上升，并且随着沉淀的消耗电导率上升的趋势也将放缓，而当沉淀恰好完全溶解时电导率将上升到最高点，之后若继续滴加氨水，电导率将会下降。比如，采用向AgNO3溶液先滴加氢氧化钠溶液至沉淀生成完全，再滴加氨水至沉淀完全溶解的方法制备Ag（NH3）2OH的方法时，用电导率传感器在上述过程中持续测定混合溶液的电导率，在电导率降低到最低点开始有上升趋势时立即停止滴加NaOH溶液。这样实验者便可以通过电导率的变化来判定沉淀的生成和溶解情况，克服肉眼观看时可能产生的误差。

利用pH传感器可以准确、实时的记录银氨溶液整个制备过程中pH变化情况，所以将电导率传感器和pH传感器联合使用，并且在同一时刻开始启动，实验者便可以根据电导率上升到最高点时所对应的pH来得出所制备银氨溶液的pH。通过这一改进方法即使氨水滴加过量，实验者只要读出电导率最高点对应的pH便可以知道所制银氨溶液的pH，并不会受到氨水滴加过量的影响。

三、实验原理

实验一：当按照书本实验用2%的稀氨水滴加2%硝酸银溶液将产生如下反应：

AgNO3+NH3·H2OAgOH↓+NH4·NO3（1）

AgOH+2NH3·H2OAg（NH3）2OH+2H2O（2）

Ag（NH3）2OH+NH4·NO3Ag（NH3）2NO3+

NH3·H2O（3）

合并后：AgNO3+3NH3·H2OAg（NH3）2NO3+

NH3·H2O+H2O（4）

由方程（4）知该银氨溶液制备过程中虽然消耗了氨水但是又会生成氨水，所以溶液呈弱碱性。因而，可以根据反应后溶液中氨水的量来计算银氨溶液Ⅰ的酸碱度pH1。

实验二：当先向2%硝酸银溶液滴加1mol/LNaOH溶液后将发生如下反应：

AgNO3+NaOH= AgOH↓+NaNO3 （5）

当沉淀完全后向溶液中滴加2%的稀氨水后：

AgOH+2NH3·H2OAg（NH3）2OH+2H2O（6）

Ag（NH3）2OH是强电解质，所以OH-离子将会被完全电离出，因此可以根据反应生成的Ag（NH3）2OH的量来计算银氨溶液Ⅱ的酸碱度pH2。同时，通过这种方法制备Ag（NH3）2OH的过程比李成刚等（3013）提到的方法要简单地多，当然这种方法的实现也要依赖于电导率的使用，否则无法判断沉淀恰好完全生成的点，从而导致NaOH溶液过量。

由方程式（4）和（6）可知在银氨溶液Ⅰ中主要成分为Ag（NH3）2NO3，银氨溶液Ⅱ中的主要成分为Ag（NH3）2OH，所以在同样的条件下比较pH1 与pH2的相对大小可以说明向AgNO3溶液中加氨水制备的银氨溶液书本上制备的银氨溶液要成分是Ag（NH3）2NO3还是Ag（NH3）2OH。

四、实验过程

1. 实验仪器和药品

实验仪器：铁架台，磁力搅拌器，50ml三口烧瓶，电导率传感器，pH传感器，10ml量筒，5ml、10ml注射器

实验药品：1mol/LNaOH溶液，2%AgNO3溶液，2%氨水

2. 实验装置

3. 实验步骤

实验一：

（1）按照上图搭建好实验装置（由于电导率传感器和pH传感器同时使用存在干扰，所以需要利用两台数据采集器和电脑进行测量），向三口烧瓶中注入15ml 2%AgNO3溶液，再向其中注入25ml蒸馏水（保证两个传感器可以浸没在溶液中），开启磁力搅拌器；

（2）同时开启电导率传感器和pH传感器以记录溶液的电导率和pH变化；

（3）用注射器吸取10ml 2%的氨水，然后向溶液中逐滴缓慢滴加氨水，观察数字化实验的图像变化情况；

（4）一段时间后等溶液中电导率开始第二次下降时（即图2中A点）视为沉淀恰好完全溶解，读出注射器的氨水体积，得出使沉淀恰好完全溶解时所滴加的氨水的体积V1；

（5）根据电导率达到A点所需要的时间，从图3读出该时刻的pH值（pH1），该值即为利用方法一制得的银氨溶液Ⅰ的pH值。

实验二：

（1）按照上图搭建好实验装置，向三口烧瓶中注入15ml 2%AgNO3溶液，再向其中注入25ml蒸馏水；

（2）同时开启电导率传感器和pH传感器以记录溶液的电导率和pH变化；

（3）用注射器吸取5ml 1mol/LNaOH溶液，然后向溶液中逐滴缓慢滴加NaOH溶液，观察数字化实验的图像变化情况；

（4）一段时间后等溶液中电导率下降到图5中的最低点B处时立即停止滴加NaOH溶液，读出消耗的NaOH溶液的体积V2，在此时刻溶液中Ag+视为达到完全沉淀的状态；

（5）用注射器向溶液中逐滴缓慢滴加2%氨水，一段时间后等溶液中电导率开始第二次下降时（即图4中C点），读出注射器的氨水体积，得出使沉淀恰好完全溶解时所滴加的氨水的体积V3；

（6）根据实验一同样的方法从图6读出银氨溶液Ⅱ的pH值pH2。

4. 实验结果

5. 理论计算与分析

2%AgNO3溶液的密度为1.015g/mL，转化成物质的量浓度：

2%氨水密度为0.990g/mL，转化成物质的量浓度：

实验一（第一次）：15mL2%AgNO3加25mL水，在沉淀完全溶解至澄清时，发现消耗2%氨水的体积V1=4.5mL。

根据银氨络离子的配位平衡：

Ag++2NH3=Ag（NH3）2+

起始浓度（mol/L） a b 0

平衡浓度（mol/L） x b-2×（a-x） a-x

查手册知[8]：银氨络离子的配合常数为K不稳=5.89×10-8，K稳=1.69×107，所以近似：x很小，故b-2×（a-x）≈b-2a

因为a、b都是混合后体积增大后的浓度，可求出：

则平衡时氨水的浓度为：

则pH1？鄢≈10.98

实验二（第一次）：15mL2%AgNO3加25mL水，在沉淀完全生成时理论计算消耗1mol/L的NaOH溶液1.8mL，而实际发现沉淀完全时消耗的NaOH溶液的体积V2也为1.8mL。沉淀完全溶解至澄清时消耗的2%氨水的体积V3=8.3mL。

由于Ag（NH3）2OH是强碱性化合物，在水溶液中完全电离，所以溶液中的OH-的浓度主要是由其产生，因此可进行以下计算：

pH2？鄢≈12.56

观察图3和图6可以知道两种银氨溶液的pH实验值分别为pH1=11.32、pH2=13.01，分别接近于二者的理论值pH1？鄢和pH2？鄢，这说明本实验的结果和理论计算是基本吻合的。银氨溶液Ⅰ呈碱性是由于生成了氨水，而氨水是弱碱所以导致银氨溶液Ⅰ的pH明显比银氨溶液Ⅱ的 pH小，所以可以根据pH1小于pH2说明书本实验中银氨溶液主要成分为Ag（NH3）2NO3。

6. 实验总结

通过数字化实验、理论分析和计算说明了中学化学教材上制备的银氨溶液主要成分是Ag（NH3）2NO3而非Ag（NH3）2OH。则教材中配制银氨溶液的化学方程式应改为：

AgNO3+NH3·H2O=AgOH↓+NH4·NO3

AgOH+2NH3·H2O=Ag（NH3）2OH+2H2O

Ag（NH3）2OH+NH4·NO3=Ag（NH3）2NO3+NH3·H2O

既然银氨溶液的溶质是Ag（NH3）2NO3，那么银镜反应的方程式也要做相应的修改。例如：银氨溶液与乙醛发生的银镜反应的反应方程式应修改为：

2Ag（NH3）2NO3+CH3CHO+H2OCH3COONH4+2NH4NO3+2Ag↓+NH3

作为教育工作研究者，我们应该持有一种批判的态度对待每一个化学事实，并通过实验去验证它，而数字化实验以其直观性、准确性、实时性的特点为我们开展实验研究提供了便利。

参考文献

[1] 宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书，有机化学基础[M].北京：人民教育出版社，2007：57-58.

[2] 李先栓，银氨溶液呈碱性的探究[J]. 化学教学，2011.

[3] 李成刚与何小稳，用于银镜反应的银氨溶液成分及碱性的探究[J].化学教学，2013（09）：第39-41页.

[4] 杨洪雷，银氨溶液中的溶质是[Ag（NH3）2]OH吗[J].化学教育，2008（06）：第67-68页.

[5] 宋志贵，中学化学教材中2种溶液成分的探讨[J].化学教育，2011（05）：第64-65页.

[6] 尤素兰，银氨溶液的主要成分是Ag（NH3）20H吗[J]. 化学教与学，2011.

[7] 傅献彩等，物理化学第二册（第5版）[M].高等教育出版社，2010，18：19.

[8] 北京师范大学化学系，简明化学手册[M].北京.北京出版社出版，1980，6：208.