一体化喷泉实验装置的设计与应用

易胜

摘要：基于教材氨气喷泉实验装置的不足，设计了一体化喷泉实验装置，进行多种气体的制备、收集、验满、尾气处理等连续性实验。从定性观察和压强传感器定量分析两个角度认识喷泉实验，培养学生的实验能力、思维能力、创新能力。该装置可以拓展应用于气体性质验证，实验现象更加明显，趣味性增强。

关键词：气体；喷泉实验；创新设计；应用拓展

文章编号：1008-0546（ 2022 ）11x-0094-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.025

氨气的喷泉实验是人教版新教材高中化学必修第二册中的重要实验之一。传统喷泉实验一般需提前制备氨气，用倒置的圆底烧瓶收集，往往由于制备及储存不当而造成实验失败，这无疑会影响到教师的教学进度及学生的学习兴趣。因此，笔者通过创新设计一体化喷泉实验装置，快速制气体并引发喷泉实验，实验成功率高，还可重复使用实验探究气体的性质。

一、实验仪器及药品

实验仪器：圆底烧瓶（250 mL）、橡胶塞，玻璃导管、T形三通管、橡胶管、烧杯（250 mL）、止水夹、注射器（10 mL）、铁架台、压强传感器。

实验药品：浓氨水、氢氧化钠固体、浓盐酸、酚酞溶液、蒸餾水、硅胶干燥剂。

二、实验步骤与现象分析

为解决传统实验中的部分问题，探索将演示实验转化为学生实验的可能性，本文采用实验室中易获取的仪器，组装出一套成本低、制作简单的气体制备、收集、除杂、检验一体化氨气喷泉实验装置，如图1所示。

1．氨气与水的喷泉实验

（1）按图1搭建实验装置，然后检查装置的气密性。圆底烧瓶甲中加入少量硅胶干燥剂，圆底烧瓶乙中加入4 g片状氢氧化钠固体盖紧橡胶塞，用注射器吸取7 mL浓氨水。

（2）打开止水夹K1和K3，关闭K2，将针筒中的浓氨水逐渐注入到圆底烧瓶乙，稍微减慢反应速率，防止液体喷沸的危险，使实验更加安全。[1]

（3）将湿润的红色石蕊试纸放在夹有K1的橡胶管口，观察试纸颜色变化。

（4）将夹有K2的橡胶管浸没在盛满蒸馏水的烧杯中，并滴人3滴无色酚酞溶液。关闭止水夹K1和K3，打开K2。用注射器吸取2 mL蒸馏水，然后注入到烧瓶甲中，观察烧瓶中现象。

（5）将夹有K2的导管从烧杯中取出，将烧杯放在夹有K1的导管下方，打开K1。

现象：乙中产生大量无色气体，当K1下方的导管口湿润的红色石蕊试纸变蓝，说明氨气收集满。打开K2后烧杯中的蒸馏水经玻璃管喷人圆底烧瓶，形如喷泉，溶液变成红色。打开K1后烧瓶甲中的红色溶液顺利流出，重新进入烧杯。

结论：氨气极易溶于水，水溶液显碱性，NH3+H2O=NH3.H2O。

2．一水合氨受热分解实验

取适量烧杯中收集的红色溶液（稀氨水和酚酞溶液）于洁净的试管，用酒精灯加热，观察溶液颜色变化。

现象：试管中溶液红色逐渐变浅。

结论：一水合氨不稳定，加热时易分解产生氨气，NH3.H2O=△=NH3↑+H2O。

3．氨气与盐酸的喷泉实验

采用与1中相同的步骤，改变引发的操作，左侧注射器中改加2 mL浓盐酸，然后注入到烧瓶甲中。

现象：圆底烧瓶甲中有大量白烟产生，烧杯中的蒸馏水倒流进入烧瓶，形成喷泉。

结论：氨气遇到氯化氢迅速反应生成氯化铵晶体，NH3+ HCl==NH4Cl。

4．氨气与氯气反应

采用与1中相同的步骤，圆底烧瓶甲中收集满氨气，推动注射器活塞，向烧瓶中注入适量氯气。

现象：气体黄绿色逐渐变浅，最后变成无色，产生白烟并在烧瓶内壁凝结。 结论：氨气具有还原性，被氯气氧化生成氮气。当氨气过量时，得到氯化铵晶体，8NH3+3Cl2==N2+6NH4Cl。

5．利用传感技术定量分析喷泉实验

实验观察烧杯中蒸馏水进入烧瓶的快慢和喷泉的量只能定性判断反应快慢，无法充分理解反应原理。将压强传感器插入圆底烧瓶甲中，既可以满足实时测量烧瓶内压强的实验需求，又可以依托测量数据并利用电脑绘出“压强一时间”图像，进而可利用该图像对喷泉实验原理进行分析。[2]具体如图2所示，实现喷泉实验数据化、图形化、定量化分析，根据压强变化曲线可理解氨气与水反应的原理。通过该实验可以估算氨气的溶解度，[3]直观感受到氨气极易溶于水（约为1：700）。

三、实验拓展应用

拓展运用于制备比空气密度大的气体，进行喷泉实验和其他性质实验，以SO2为例进行分析。SO2的密度大于空气，制备收集时改变圆底烧瓶甲中两导管的长度，短口进长口出，实验装置如图3所示。

固体和液体不加热反应制备气体，拓展运用于SO2、CO2、H2S、Cl2、NO2等气体，进行喷泉实验和其他性质实验。对于需要加热的反应，可增加酒精灯对圆底烧瓶乙进行加热，促进气体挥发，拓展运用于HCl、HBr、HI等气体。具体实验内容见表1。

四、一体化实验的优点

（1）实验手段的创新性：系列实验融合了手持技术数字化实验，将定性实验转变为定量实验，定性证据与定量证据相结合，培养了学生采集数据、分析数据的能力、基于证据的科学思维、定量探究能力、创新意识及科学精神。

（2）实验装置的综合性：实验装置具有综合性、一体化、实时性、可预测性的特点。过程简单，既串联多个实验装置，综合了“制备一收集一检验”三大实验环节；操作方便，省时省力，又提高了实验展示效率和课堂教学效果，解决了课堂演示耗时较长的问题；改进后的实验成功率高，实验现象直观可见，降低了学生收集证据的难度。

（3）实验过程的绿色化：在封闭系统中制取气体，装置中的气体现用现制，减少了有毒气体的泄露，用液封法吸收尾气，环保、无污染。而且装置可循环使用，一次实验结束后，打开止水夹K1，使烧瓶甲中的液体向下重新流人大烧杯中。用热毛巾捂住圆底烧瓶甲，加入硅胶颗粒充分干燥，重复实验操作，实现喷泉实验的连续化，可以满足多个班级的实验需求。

（4）实验教学的推广性：喷泉实验一体化整合装置提供了一套实操性极强的创新实验范式。从氨气与水的反应，可迁移至“氨气与盐酸的反应”“氨气与氯气的反应”“SO2的制备和性质验证”“Cl2的制备和性质探究”等多个实验，具有推广价值。

参考文献

[1]潘祥泰，黄清辉．适合学生动手的“一体化”氨气喷泉实验研究[J]．化学教与学，2019（03）：92-93.

[2]张娇蛟，钱扬义，谢敏．利用手持技术研究喷泉实验中的气压变化[J].化学教育，2012，33（09）：109-112，122.

[3] 蒋红年，用气压传感器测定氨气喷泉实验进行过程中压强的变化[J].化学教与学，2016（07）：96-97.