改进实验方法 优化实验效果

陈鹏　王培明

摘  要 氨气与氧气反应是高中化学教学中重要知识点，而现行高中化学教材没有介绍该实验的具体方法，不利于该部分内容的教学。利用玻璃罐头瓶、具支试管、干燥管、鼓气球、电炉丝以及调压器等器材可设计出氨催化氧化一体化实验装置。其中，玻璃罐头瓶作为装置底座和氧化瓶;电炉丝对催化剂铂石棉进行加热;反应物一氧化氮中的杂质氨气用浓硫酸吸收掉;二氧化氮气体用润湿的紫色石蕊试纸来检验;最终的二氧化氮气体用浸有氢氧化钠溶液润湿的脱脂棉吸收掉。

关键词 高中化学;氨气;氧气;催化氧化;实验装置;实验室

中图分类号：G633.8    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）19-0120-03

1 问题提出

众所周知，在催化剂作用下，氨与氧气反应生成一氧化氮和水。氨气的这一性质一直是高中化学教学中的重要知识点。在化学教材编写设计中，通过实验增强学生的感性认识，加深学生对知识点的理解和记忆，是一些老教材[1-2]编者的初衷。为此，设计氨与氧气反应的实验装置（如图1所示），其实验方法是：“缓慢地把空氣通入盛浓氨水的锥形瓶，再把红热的螺旋状铂丝接近液面，但不要使铂丝跟氨水接触。观察发生的现象。”如若按照老教材中的实验方法进行实验时只能看到白色烟雾，根本看不到无色一氧化氮生成红棕色二氧化氮的过程，其原因是：将红热的铂丝伸进锥形瓶后，尽管在催化剂铂丝的作用下，氨气与氧气反应生成无色的一氧化氮气体，一氧化氮气体继续被空气中的氧气氧化生成红棕色二氧化氮气体，二氧化氮跟锥形瓶内的水蒸气反应生成硝酸，硝酸跟氨气化合生成硝酸铵的白色烟雾。

因此，老教材的实验方法实验现象直观性差，很难说明问题，而现行高中化学教材又[3]不知何故，将其删除。这种处理方法给教学带来很大弊端，不仅失去化学学科教学特点，而且影响了学生的学习，违背了化学是一门以实验为基础的学科的基本原则。笔者认为，高中化学教师在氨的催化氧化教学中应该不忘初衷、与时俱进，利用现有条件积极寻找最佳的实验方案，努力探索、改进、完善实验方法，使实验不断推陈出新，向着理想化、绿色化迈进，才能完成新时代赋予化学教师应尽的责任和义务。

2 现状及分析

1）按照老教材的实验方法进行实验时，现象缺乏直观性，很容易使学生形成误解：有的学生认为氨气没有和氧气发生反应，看到的白色烟雾可能是水蒸气;有的学生认为氨气没有和氧气发生反应，看到的白色烟雾不是硝酸铵，而是氨气溶于水的液滴;还有的学生认为氨气和氧气发生了反应，直接生成了硝酸铵，并没有生成一氧化氮的过程。针对这些情况，在过去的几十年里，广大一线化学教师对该实验进行了认真研究和改进，并在各种刊物上先后发表数十篇有关氨的催化氧化实验的研究论文，为提高教学质量献计献策。但绝大多数论文[4-8]实验装置复杂，需要铁架台、十字夹、铁夹等器材进行固定和连接，氨气的干燥、催化剂的加热、氨气的吸收、一氧化氮气体的氧化、二氧化氮的证明和吸收不能形成一个完整的实验体系，没有很好地体现装置的简单化，给仪器的组装、连接、固定及其保存造成一定的不便。

2）现行高中化学教材只介绍了氨催化氧化的知识点，没有提供相应的实验方法。那么，依照现行高中化学教材编者的设计观念，教师也就只能在课堂上纸上谈兵了。本应通过实验就能够迎刃而解的问题，却变成了一种教师在上面夸夸其谈、学生在下面死记硬背的被动教学模式。学生学完氨气与氧气反应后感到枯燥无味，没有获得感，不利于素质的培养，有悖于现代教学理念，影响了教学质量。

可见，对氨催化氧化实验必须进行重新审视，取他人之长，补自己之短，对该实验方法再研究、再设计，不断优化实验装置和实验方法，为搞好实验教学、提高教学质量做出自己应有的贡献。

3 设计理念

由于氨气跟氧气反应是放热反应，并生成无色的一氧化氮气体，并可继续氧化成红棕色二氧化氮气体，因此，氨的催化氧化实验装置一体化设计必须保证五点：1）向催化剂中通入的氨气一定要干燥;2）可以观察到氨气在催化剂作用下生成的一氧化氮气体被空气氧化成红棕色的二氧化氮气体的过程;3）能够对催化剂进行加热，停止加热时，催化剂仍然保持红热状态，说明反应是放热的;4）在整个实验过程中对空气不能造成污染，充分体现实验的绿色化，达到环保要求;5）氨气的通入、干燥，催化剂的加热，混合气中氨气的吸收、一氧化氮气体的氧化、二氧化氮的证明和吸收，要形成一个完整的实验体系，充分体现实验装置的一体化设计思想。

4 设计方法

根据氨催化氧化的设计理念，设计方法为：1）透明度良好的玻璃罐头瓶作为装置底座和氧化瓶;2）通过具支试管中浓氨水和碱石灰获取干燥的氨气;3）利用鼓气球向盛有浓氨水的具支试管内鼓入空气以获得氧气;4）使用铂石棉作为催化剂，并用电炉丝对其进行加热;5）一氧化氮中混有的氨气通过小具支试管内的浓硫酸吸收掉;6）氧化瓶内的二氧化氮气体通过干燥管内润湿的紫色石蕊试纸来检验;7）多余的二氧化氮气体则通过干燥管上方用氢氧化钠溶液润湿的脱脂棉吸收掉;8）仪器之间通过橡胶塞、硬质胶管、玻璃管有机地连接到一起，并保障气体畅通无阻，顺利完成实验。

5 实验原理

1）氨气与氧气的反应：4NH₃+5O_{2（催化剂→△）}4NO+6H₂O+热量

2）一氧化氮跟氧气反应：2NO+O₂====2NO₂

3）二氧化氮跟水反应：3NO₂+H₂O====2HNO₃+NO

4）硝酸与紫色石蕊反应：紫色石蕊遇酸变红。

5）二氧化氮与氢氧化钠反应：3NO₂+2NaOH====2NaNO₃+

NO+H₂O

6 实验方案

实验用品  透明玻璃罐头瓶1个，大具支试管（2 cm×

20 cm）1支，小具支试管（1 cm×10 cm）1支，单球干燥管

1支，调压器1台，鼓气球1个，电炉丝（1000 W、15 cm）1根，直玻璃管（20.5 cm）1根，直角玻璃管2根，三孔橡胶塞（16号）1个，单孔橡胶塞（3号）1个，单孔橡胶塞（2号）1个，橡胶塞（4号）1个，脱脂棉若干，细铜丝若干，硬质胶管若干，导线若干，打孔器，剪刀，小刀;浓氨水，浓硫酸，碱石灰颗粒，紫色石蕊试纸条，铂石棉，蒸馏水，10%氢氧化钠溶液。

实验准备

1）取一个4号橡胶塞，用小刀切下一个圆片，其直径18 cm，厚度5 mm，用剪刀在其四周剪成八个三角口，在其中央用打孔器打一个小孔（如图2所示）。

2）取一根玻璃管，在其下端装上做好的带有缺口的圆形橡胶片（要求胶片紧紧套在玻璃管上），上端装上3号单孔橡胶塞（如图3所示），调整好胶塞与胶片的距离，在胶塞的上方装上鼓气球。

实验装置  如图4所示，A.鼓气球，B.细铜丝，C.铂石棉，D.电炉丝，E.碱石灰颗粒，F.用氢氧化钠溶液润湿的脱脂棉，G.直径比具支试管内径略小的带孔的圆形橡胶片，H.干燥的脱脂棉，I.用蒸馏水润湿的紫色石蕊试纸，J.浓氨水，K.浓硫酸。

实验过程及其现象

1）按照实验装置图将仪器、药品装好，并使调压器指针调到0 V的位置。

2）接通电源，缓慢旋转调压器的调压旋钮，使电压逐渐升高;当电炉丝红热时，停止旋转调压旋钮;用鼓气球迅速向具支试管内鼓入空气，可观察到反应立即进行（4NH₃+_{（催化剂→△）}5O₂4NO+6H₂O+热量）;当铂石棉红热时，立即将调压器的调压旋钮回调，使指针指向0 V的位置，此时铂石棉继续红热，说明氨气与氧气的反应是放热反应;片刻，罐头瓶内有红棕色气体生成（2NO+O₂====2NO₂）;接着，干燥管内润湿的紫色石蕊试纸变红，说明二氧化氮遇水生成硝酸;反应剩余的二氧化氮气体被干燥管内浸有氢氧化钠溶液的脱脂棉吸收掉（3NO₂+2NaOH====2NaNO₃+NO+H₂O），防止空气污染。

7 实验说明

1）该装置取材容易，设计合理，制作简单，操作方便，现象明显，无空气污染，能够体现氨催化氧化实验装置的一体化设计，一旦制成以后，可以保存在实验室备用。

2）干燥管内干燥脱脂棉的作用是防止其上方的氢氧化钠溶液下流，影响紫色石蕊试纸正常变色。

3）大具支试管有两个作用：①盛放浓氨水;②盛放干燥剂碱石灰颗粒。这样可以减少实验用品，简化实验装置。

参考文献

[1]人民教育出版社中学化学室.高级中学课本（上）：化学（乙种本）[M].北京：人民教育出版社，1983：138.

[2]河北师范大学化学系四年制中等师范学校《化学》编写组编.中等师范学校课本（试用本）：化学（第一册）[M].北京：人民教育出版社，1982：180.

[3]人民教育出版社中学化学室.全日制普通高级中学教科书（必修加选修）：化学（第二册）[M].北京：人民教育出版社，2003：11.

[4]劉祥林.氨的催化氧化实验的改进[J].湖北中小学实验室，1996（5）：25.

[5]金国善.氨的催化氧化[J].湖北中小学实验室，1997（4）：

24.

[6]陈世文.氨的催化氧化实验[J].教学仪器与实验，

1996（6）：9.

[7]党育红，郭毅，刘建中.再议氨的催化氧化实验[J].教学仪器与实验，1993（5）：11-12.

[8]齐俊林.氨催化氧化实验的新设计[J].化学教学，

2007（8）：11.