氨气喷泉实验的改进

张靖伟 秦大斌

（西华师范大学化学化工学院 四川 南充 637009）

一、问题的提出

氨气的喷泉实验在人教版高中化学教材（2019版）中位于必修第二册第五章［1］。按照该实验在教材中的介绍，需要提前在干燥的圆底烧瓶中收集满氨气，再将其带入教室进行演示实验。

在此过程中，由于以往氨气的收集方式是排空气法，因此收集到的氨气会与空气混杂而导致其纯度不高。同时，在课堂演示实验时，仪器组装过程也存在泄漏氨气的情况，再加上实验装置本身可能存在的气密性不足，因此，在课堂演示实验时，很容易造成由于烧瓶内氨气含量低而导致烧瓶吸入的水不能充满烧瓶，不利于学生理解氨气溶于水后浓度为mol/L，甚至可能因为氨气量太少而完全不能将水吸入烧瓶内的情况。

因此，喷泉实验的课堂演示成功率低，老师们会选择播放实验视频代替现场实验。正基于此，本文对喷泉实验进一步进行了改进。

二、研究现状

通过大量阅读改进喷泉实验的论文，笔者总结了以往学者对于喷泉实验的诸多改进方式：

首先，针对需要提前收集好氨气的这个不足，以往的改进都是将氨气的制备装置与喷泉实验装置合二为一变成一体化装置，从而在现场进行氨气的制备，保证氨气的纯度，并从根源上解决了仪器组装过程中氨气泄漏的问题。

例如在燕敏［2］等人的设计中，他们使用有机玻璃搭建两个连通的反应室，其中一边进行氨气制备，另一边进行喷泉实验。李维芬［3］利用T型管将氨气制备装置与氨气收集装置、装有酚酞水溶液的烧杯相连，而后利用诸多止水夹的开合保证实验的进行。与之相似的利用T 型管或多个导管相连进行一体化装置设计的还有王晓瑜［4］、覃其贵［6］、骆旭锋［7］、郝续［8］、杨峰［10］、刘福亮［11］等人。

除此之外，将一体化装置进行生活化改进的有孙丽丽［5］、张会领［9］，利用两个塑料瓶相连，构成一体化反应室，付明广［12］利用具支烧瓶代替T 型管，利用注射器进行氨气制备的改进。

其次，对于氨气的制备方法，以往学者也进行了改进。氨气的实验室制法是制备氨气的主要方法，但是使用此方法制备氨气耗费时间长，不利于进行课堂演示。并且，实验室制法药品用量较大，制取的氨气纯度不高，对于后续喷泉实验存在一定的影响。

基于上述问题，以往学者对于氨气的制备提出了很多的改进措施。比如王晓瑜使用了在常温下氢氧化钠与氯化铵混合即可制取氨气的方法［4］。在骆旭锋［7］、张会领［9］、查中国［13］的改进中，他们使用了加热分解浓氨水的方法制备氨气。在覃其贵［6］、韩晓光［14］、俞远光［15］的改进中，使用了浓氨水与固体氢氧化钠混合制备氨气的方法。

三、实验改进

1.氨气收集方式的改进

由于排空气法收集的氨气会与空气混杂而导致其纯度不高，因此本文利用氨气的极性进行排水法收集。

因为氨气分子为sp3杂化，是一种极性分子。根据相似相溶原理，可以利用氨气分子为极性分子而不溶于非极性溶剂的特点，使用非极性溶剂作为排水集气法的溶液对氨气进行收集。因此，本文使用低粘度二甲基硅油（100 cs）进行了实验验证，证明了此方法的可行性。以此方法进行实验时，烧瓶内部不会存在空气，避免了空气与氨气的混杂，并且通过二甲基硅油的排出量可以直观地判断氨气的收集进度。

但是低粘度二甲基硅油（100 cs）黏度仍然较大，在进行喷泉实验时，导管内壁附着的二甲基硅油会浮于水面阻碍水的吸入，最终导致使用二甲基硅油进行实验演示耗费的时间超过5 min。

因此，本文本着绿色化学、教学与生活相联系等原则，在进行了实验验证其可行性的基础上，鉴于食用油其本身具有价格低廉、获取便捷、黏度很低等优点，最终确定了食用油作为排水法的溶液进行氨气的收集。

2.实验装置的一体化改进

为了在课堂上同时展现氨气制备和喷泉实验两个过程，本文设计了利用食用油进行排水法收集氨气并能进行喷泉实验的一体化装置。

其中氨气的制备与收集装置如图1 所示，当进行喷泉实验时，只需在图1基础上利用止水夹与注射器将其改变为喷泉实验装置（如图2所示）。

图1 氨气的制备与收集装置

图2 喷泉实验装置

具体操作：在图1装置搭建好后，按照一定药品比例进行反应，待烧瓶内食用油全部排尽，关闭止水夹K1、K2使装置处于密闭条件。将K1右侧连接的氨气制备装置去除，并将导管伸入滴有酚酞的蒸馏水中。将K2下方用于盛装排出的食用油的烧杯去除，将装有蒸馏水的注射器插入K2靠近烧瓶一侧的橡胶管，推动注射器将少量蒸馏水注入导管使其进入收集有氨气的烧瓶内，将K1打开之后便能观察到烧杯内的蒸馏水被吸入烧瓶形成喷泉（如图2所示）。

3.实验装置的生活化与微型化改进

在上述一体化装置的基础上，本文使用生活中常见的物品进行了生活化、微型化改进：①利用50 mL塑料瓶代替浓氨水与固体氢氧化钠混合的烧瓶；②导管替换成塑料吸管；③止水夹替换成可塞入吸管并能将其堵住的中性笔替芯的笔帽。改进后的装置如图3、图4所示：

图3 改进后的氨气制备与收集装置

图4 改进后的喷泉实验装置

在50 mL塑料瓶内装入1 g固体氢氧化钠（成都科隆化学生产，AR，NaOH含量≥96.0%），利用5 mL注射器吸取1 mL浓氨水（成都科隆化学生产，AR，NH3含量25.0%～28.0%）后插入塑料瓶向其中注入氨水，并将左侧吸管处笔帽取下，收集过程如图5所示。待气体收集完全后，再将笔帽插入吸管使整个装置处于密闭状态。

图5 氨气收集过程

进行喷泉实验时只需将50 mL塑料瓶从装置上拆下，将右侧吸管插入滴有酚酞的水中，再将装有蒸馏水的注射器插入已经塞入笔帽的吸管中。此时，只需利用注射器将水注入吸管使其进入烧瓶内，便可以形成红色喷泉（如图6所示），最终吸入的水也能近乎充满烧瓶。

图6 喷泉实验过程

四、结果与讨论

1.结果在应用中的优势

以食用油作为排水集气法的溶液进行氨气的收集，既能保证氨气的纯度，又能直观地通过食用油排出的量观察氨气收集的进度，弥补了排空气法中氨气纯度低、实验效果差、检验烧瓶收集满氨复杂的不足。

通过此方法收集的氨气进行喷泉实验时，吸入的水能近乎充满烧瓶，有利于学生理解氨气溶于水后的物质的量浓度为mol/L 。

经过微型化、生活化改进后的装置在进行课堂演示时，不但可以同时展现氨气的制备过程和喷泉实验过程，而且此微型化装置耗费药品少，反应时间短，现象明显，实验成功率高，重复性强，整个演示过程耗费时间约2 min，完全满足课堂演示的需要。

2.实验注意事项

在进行此实验时需要注意几个问题：①因为使用了食用油作为排水法的溶液，而食用油具有润滑作用，因此，需要使用胶带或其他工具将橡胶塞与瓶口捆绑固定（如图7 所示），防止橡胶塞在实验中途脱落。②制备氨气的反应容器的选择应当适宜，既要防止容器体积太小而导致瓶内压强太高，从而致使反应容器的橡胶塞被瓶内高压氨气冲出，又要防止容器体积太大而导致瓶内空气含量大致使氨气纯度低。

图7 固定措施