氨氣與氯化氫反應實驗的優視化改進

凌一洲 唐文偉

摘要： 氨氣與氯化氫反應的實驗中，氣體和白煙狀態變化的細節過程難以被肉眼清晰地觀察，需要做優視化改進。用塑料長管（一維橫向）、量筒（一維豎直）、平板扁盒（二維）等作為反應容器，將分別蘸有濃氨水和濃鹽酸的兩團脫脂棉放入其中，待氨氣和氯化氫揮發、相遇后發生反應。反應時，用pH試紙顯示容器內各部位氣體的酸堿度，用攝像機記錄實驗過程，以此實現無色氣體、白煙等現象及其變化過程的優視化。本改進成本低廉、便于操作，直觀清晰地展現原本無法觀察的細節現象，體現了氨氣和氯化氫酸堿度不同、擴散速率不同、密度不同等多種性質，拓展了實驗的內涵。

關鍵詞： 氨氣與氯化氫反應； 實驗改進； 優視化

文章編號： 10056629（2018）2006104中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1引言

氨氣與氯化氫反應的教材實驗具有散發刺激性氣味、污染環境等缺陷。現有的改進[1—3]主要是綠色化改進，但視覺效果仍然欠佳。學生能看見白煙的產生，卻無法看清氣體和白煙變化的細節過程。因此，筆者選取各種形狀的密封容器，使用自己裁切的pH試紙將各種氣體移動、反應的過程展現出來，達到優視化的效果。

優視化是指通過某些方法，使實驗中原本無法被清晰觀察的現象和變化過程能夠被清晰觀察，是對可視化（使原本不可見的現象能夠被觀察）的進一步優化[4]。優視化實驗能使學生獲得真實、豐富、感性的直接經驗，加深對實驗現象的印象，方便對實驗原理的理解，并為學生提供深層次的思維活動和思維發展的機會[5]。

氨氣和氯化氫反應的實驗在優視化改進后，學生可以觀察到更清楚、更豐富、更細微的現象。實驗的內涵也得到了拓展，不再只是一個化學反應，而是成為一個能體現氨氣和氯化氫酸堿度不同、擴散速率不同、密度不同等多種性質的綜合性探究實驗。

2實驗設計思路

2.1無色氣體的優視化

常規實驗中，由于揮發出的氨氣和氯化氫均為無色氣體，無法用肉眼直接觀察。本實驗用pH試紙顯示周圍氣體的酸堿度，學生通過觀察試紙的顏色可以判斷氣體的種類和濃度，通過觀察試紙顏色的變化可以判斷氣體的流動和反應狀況。

2.2白煙的優視化

常規實驗中，常常用燒杯、玻璃鐘罩、塑料瓶等作為反應容器，但反應時生成的白煙往往會迅速充滿整個容器，使學生難以辨別實驗細節。本實驗用塑料長管（一維橫向）、量筒（一維豎直）、平板扁盒（二維）等外觀透明、橫（縱）截面積小的容器作為反應容器，一方面加長了氣體擴散的時間、降低了反應速率，另一方面使生成的白煙的位置相對穩定，不會隨意飄散，便于學生觀察。

2.3反應過程的優視化

用攝像機拍攝反應容器，將容器內pH試紙和白煙的狀態錄制下來，回看時可利用加速播放的功能觀察pH試紙和白煙隨時間的推移而發生的變化，便于前后對比。

3塑料長管中的實驗

3.1試劑與儀器

12mol/L濃鹽酸、14mol/L濃氨水；透明塑料長管（內徑4～5cm，長1m）、大張pH試紙、小刀、膠帶、塑料瓶蓋、脫脂棉、移液槍、花泥（或泡沫塑料）、卷尺、攝像機

3.2實驗步驟

（1） 用小刀將pH試紙裁切成長條狀（寬1cm，長1m），用膠帶將長條狀的pH試紙固定在塑料管內側。

（2） 用小刀將花泥切割成2個圓柱體，并在外側包裹脫脂棉，使其可恰好塞入塑料管。

（3） 取2團脫脂棉，分別塞在2個塑料瓶蓋內，將2個塑料瓶蓋分別放在塑料管的左右兩端。將塑料管水平橫放在講臺或平地上，并在塑料管前放置卷尺，用攝像機拍攝。

（4） 用2支移液槍分別吸取室溫條件下的3mL濃鹽酸和2.6mL濃氨水（氯化氫與氨氣的物質的量之比為1∶1），分別加入左右兩端的脫脂棉內，并迅速用花泥塞住塑料管兩端。拍攝實驗開始后塑料管內現象。

3.3實驗現象與分析

播放攝像機拍攝的實驗錄像，實驗開始后的每1min截一張圖，并將圖中pH試紙的顏色與標準比色卡對應。標準比色卡代表pH=1、 2、 3、 4的顏色統稱為紅色，pH=5、 6為黃色（試紙初始顏色），pH=7、 8為淺綠色，pH=9、 10、 11～14為藍色。實驗開始后pH試紙每分鐘的顏色如圖1所示。

實驗開始時，pH試紙左端迅速變紅（濃鹽酸有揮發性），紅色緩慢向右延伸（氯化氫分子擴散速率較慢）；pH試紙右端迅速變藍（濃氨水有揮發性），藍綠色迅速向左延伸（氨氣分子擴散速率較快）。約40s時，綠色從右向左越過中點（氨氣擴散至中點），而紅色僅延伸了十幾厘米（氯化氫擴散緩慢）。約2min 27s時，紅色與綠色在23cm處匯合，同時在該處產生白煙（氨氣與氯化氫發生反應）。2min 27s后，白煙在淺綠色處持續產生（氯化銨所在的環境接近中性），白煙和淺綠色的位置緩慢向左移動（氨氣的擴散能力比氯化氫大）。8min后，反應基本結束，pH試紙從紅色漸變到藍色，塑料長管內壁附著有白色小顆粒（氯化銨是白煙而非白霧）。

3.4實驗結論

（1） 濃鹽酸、濃氨水有強烈的揮發性。

（2） 氨氣的擴散速率比氯化氫快。氣體的相對分子量越小，其擴散速率越快。

（3） 氨氣與氯化氫反應生成氯化銨固體小顆粒。

3.5拓展實驗

（1） 在加入液體前旋轉塑料管，使pH試紙的水平高度與塑料管半徑相同，反應時可觀察到紅色與黃色的交界線并非豎直，而是有明顯的傾斜（如圖2），驗證了氯化氫密度比氨氣大的性質。

（2） 在塑料管內側的上壁和下壁各貼一條pH試紙，實驗時可觀察到兩條試紙的變色不同步。上壁試紙的藍色延伸速度比下壁快，而紅色延伸速度比下壁慢，這同樣可以驗證氯化氫密度比氨氣大的性質。

4量筒中的實驗

4.1試劑與儀器

12mol/L濃鹽酸、14mol/L濃氨水；500mL量筒、花泥（或泡沫塑料）、大張pH試紙、小刀、磁子（或其他懸掛物）、脫脂棉、鑷子、移液槍、攝像機

4.2實驗步驟

（1） 將花泥切割成倒錐體，并在外側包裹脫脂棉，使其可恰好塞入量筒口又不至于下落。

（2） 將pH試紙裁切成長條狀，一端固定在花泥底部，另一端與磁子粘貼。

（3） 取2團脫脂棉，一團粘貼在花泥底部，另一團用鑷子夾持并放置于量筒口。用攝像機拍攝。

（4） 用2支移液槍分別取室溫條件下的1.2mL濃鹽酸和1mL濃氨水（氯化氫與氨氣的物質的量之比為1∶1），將濃鹽酸加入用鑷子夾持的脫脂棉里，并迅速釋放脫脂棉，使其落入量筒底部。同時，將濃氨水加入花泥底部的脫脂棉內，并迅速將花泥塞在量筒上部。觀察、拍攝量筒內現象。

4.3實驗現象與分析

實驗開始后pH試紙每15s的顏色情況見圖3。當pH試紙剛剛伸入量筒內時，pH試紙迅速變為淺紅色（脫脂棉落入量筒底部的過程中，濃鹽酸已經在揮發），上方（花泥底部）立刻產生少量白煙（氨氣與氯化氫開始反應）。隨著反應的進行，pH試紙上端的綠色部分逐漸伸長（氨氣擴散較快，呈壓倒性趨勢），而下端的紅色部分逐漸縮短（氯化氫擴散較慢，被迫縮小體積），白煙在黃色和淺綠色交界位置持續產生（生成氯化銨的環境接近中性）。約7min后，紅色基本消失，pH試紙呈綠色，白煙大部分沉降至量筒底部，小部分附著在量筒內壁（驗證了氯化銨為固體）。

4.4實驗結論

與塑料長管中的結論相同（同3.4）。

4.5拓展實驗

顛倒上下脫脂棉滴加液體的種類，在上面的脫脂棉滴加濃鹽酸，下面的脫脂棉滴加濃氨水。反應時，由于氯化氫密度大、易下沉，氨氣密度小，易上浮，因此反應速率大大加快，白煙從上方蘸有濃鹽酸的脫脂棉上快速產生、下落，pH試紙幾乎直接變為綠色。反應僅幾秒后，量筒內已經充滿了白煙。

5平板扁盒中的實驗

5.1試劑與儀器

12mol/L濃鹽酸、14mol/L濃氨水；平板扁盒（帶有蓋子）、大張pH試紙、小刀、膠帶、脫脂棉、滴管、攝像機

5.2實驗步驟

（1） 將pH試紙裁切并粘貼至平板扁盒的內側（遠離攝像機的一面）。

（2） 取2團脫脂棉，一團放在平板扁盒左下角，另一團粘貼在右上角（蓋子上）。將平板扁盒豎放在平面上，用攝像機對準拍攝。

（3） 用2支滴管分別吸取少量室溫條件下的濃鹽酸和濃氨水，并分別滴2滴在左下角和右上角的脫脂棉上，迅速蓋上蓋子。觀察、拍攝平板扁盒內現象。

5.3實驗現象與分析

見圖4，實驗開始后，pH試紙的紅色和綠色迅速擴散，10s時兩種顏色匯合，同時在匯合處產生薄薄的一層白煙。10s后綠色繼續擴張，逐步“侵占”紅色的部分，其“侵占”的速率由快變慢。5min后反應基本結束，pH試紙完全變綠，白煙聚集在左下角。

5.4實驗結論

與塑料長管中的結論相同（同3.4）。

飲料變色實驗

龍琪

（南京曉莊學院環境科學學院， 江蘇南京211171）

摘要： 飲料變色實驗基于生活化學理念和藍瓶子實驗原理而設計。實驗原料為日常生活中常見的飲料、管道通疏通劑、食用純堿和亞甲基藍魚缸消毒劑。實驗操作和現象是“搖晃變色，擺放褪色”。關鍵實驗條件是飲料類型、堿性強弱和實驗溫度。

關鍵詞： 藍瓶子實驗； 管道通疏通劑； 亞甲基藍； 飲料變色； 趣味實驗

文章編號： 10056629（2018）2006404中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

為了展現化學與生活的緊密聯系，消除公眾對化學的誤解和恐懼，培養中小學生的化學學習興趣，以日常生活中常見的飲料為原料，設計了一系列有趣又安全的表演實驗。實驗操作僅需兩步，首先搖晃溶液，然后擺放靜置。實驗現象是搖晃時溶液顏色發生變化，擺放靜置時溶液顏色又復原。“搖晃變色，擺放褪色”的實驗操作和實驗現象可重復多次。

1飲料變色實驗方案

飲料變色實驗的操作過程為： 按一定比例混合飲料、堿性溶液和亞甲基藍溶液。然后搖晃振蕩，最后擺放靜置。該實驗中，飲料類型、堿性強弱、實驗溫度是關鍵條件。

1.1飲料類型

飲料類型對實驗結果有顯著影響。經過多次試驗發現，以下飲料的變色速度快，演示效果好，分別是： 統一鮮橙多橙汁飲料、每日C葡萄汁飲品、佳得樂運動飲料（藍莓味、檸檬味、西柚味、橙味）、力量帝維他命水（石榴藍莓風味、藍莓樹莓風味、熱帶水果風味）、康師傅水漾（檸檬口味）、酷樂仕龍卷C（火龍果風味）等。

1.2堿性溶液和實驗溫度的選擇

飲料變色實驗要在強堿性條件下進行。生活中常見的堿性較強的物質是管道通疏通劑和食用純堿。管道通疏通劑中含有大量氫氧化鈉，其實驗效果優于食用純堿。本實驗所用管道通疏通劑溶液的濃度為10%（下稱管道通溶液）。如果采用食用純堿，不僅要配成飽和溶液，而且還需要加熱。通過加熱，可以提高反應速率，且能促進純堿水解，提高氫氧根離子濃度，從而使振蕩后的褪色速度加快。

1.3實驗方案及效果

[實驗原料]上文提及的飲料若干種、管道通

5.5拓展實驗

顛倒兩團脫脂棉滴加液體的種類，實驗開始后，由密度的差異，約10秒后試紙就完全變綠（氨氣充滿整個容器），白煙從右上角脫脂棉處不斷生成，緩緩豎直下落。

6簡易實驗

本實驗還有一個簡易做法： 在廣口瓶內側放置一張卷起的pH試紙，試紙大約遮住廣口瓶周長的3/4。用滴管在瓶底滴加1滴濃鹽酸，同時在瓶蓋滴加1滴濃氨水，并迅速蓋上瓶蓋。觀察pH試紙和白煙的變化。本實驗依然可以看到pH試紙紅色綠色擴散、紅綠匯合、綠色不斷擴張并擠壓紅色等現象，得到與3.4相似的結論。

參考文獻：

[1]馬可龍，韓獨石.氨與氯化氫反應的環保裝置及實驗現象評析[J].教育與裝備研究， 2009，（1）： 19～20.

[2]余新紅.氨氣與氯化氫反應實驗的綠色化改進[J].中小學實驗與裝備， 2014，24（1）： 24.

[3]程萍，李美星.從實驗學化學——“氨”的教學設計及思考[J].化學教學， 2013，（6）： 60～63.

[4]凌一洲.從美的發生到美的體驗、美的創造——利用可視化實驗室實現美育滲透的探索[J].化學教學， 2017，（12）： 10～13.

[5]郁志珍，丁偉.基于過程可視化的化學實驗研究[J].教育與裝備研究， 2017，（7）： 40～45.