改進實驗方法　優化實驗效果

陳鵬　王培明

摘? 要 氨氣與氧氣反應是高中化學教學中重要知識點，而現行高中化學教材沒有介紹該實驗的具體方法，不利于該部分內容的教學。利用玻璃罐頭瓶、具支試管、干燥管、鼓氣球、電爐絲以及調壓器等器材可設計出氨催化氧化一體化實驗裝置。其中，玻璃罐頭瓶作為裝置底座和氧化瓶;電爐絲對催化劑鉑石棉進行加熱;反應物一氧化氮中的雜質氨氣用濃硫酸吸收掉;二氧化氮氣體用潤濕的紫色石蕊試紙來檢驗;最終的二氧化氮氣體用浸有氫氧化鈉溶液潤濕的脫脂棉吸收掉。

關鍵詞 高中化學;氨氣;氧氣;催化氧化;實驗裝置;實驗室

中圖分類號：G633.8??? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）19-0120-03

1 問題提出

眾所周知，在催化劑作用下，氨與氧氣反應生成一氧化氮和水。氨氣的這一性質一直是高中化學教學中的重要知識點。在化學教材編寫設計中，通過實驗增強學生的感性認識，加深學生對知識點的理解和記憶，是一些老教材[1-2]編者的初衷。為此，設計氨與氧氣反應的實驗裝置（如圖1所示），其實驗方法是：“緩慢地把空氣通入盛濃氨水的錐形瓶，再把紅熱的螺旋狀鉑絲接近液面，但不要使鉑絲跟氨水接觸。觀察發生的現象。”如若按照老教材中的實驗方法進行實驗時只能看到白色煙霧，根本看不到無色一氧化氮生成紅棕色二氧化氮的過程，其原因是：將紅熱的鉑絲伸進錐形瓶后，盡管在催化劑鉑絲的作用下，氨氣與氧氣反應生成無色的一氧化氮氣體，一氧化氮氣體繼續被空氣中的氧氣氧化生成紅棕色二氧化氮氣體，二氧化氮跟錐形瓶內的水蒸氣反應生成硝酸，硝酸跟氨氣化合生成硝酸銨的白色煙霧。

因此，老教材的實驗方法實驗現象直觀性差，很難說明問題，而現行高中化學教材又[3]不知何故，將其刪除。這種處理方法給教學帶來很大弊端，不僅失去化學學科教學特點，而且影響了學生的學習，違背了化學是一門以實驗為基礎的學科的基本原則。筆者認為，高中化學教師在氨的催化氧化教學中應該不忘初衷、與時俱進，利用現有條件積極尋找最佳的實驗方案，努力探索、改進、完善實驗方法，使實驗不斷推陳出新，向著理想化、綠色化邁進，才能完成新時代賦予化學教師應盡的責任和義務。

2 現狀及分析

1）按照老教材的實驗方法進行實驗時，現象缺乏直觀性，很容易使學生形成誤解：有的學生認為氨氣沒有和氧氣發生反應，看到的白色煙霧可能是水蒸氣;有的學生認為氨氣沒有和氧氣發生反應，看到的白色煙霧不是硝酸銨，而是氨氣溶于水的液滴;還有的學生認為氨氣和氧氣發生了反應，直接生成了硝酸銨，并沒有生成一氧化氮的過程。針對這些情況，在過去的幾十年里，廣大一線化學教師對該實驗進行了認真研究和改進，并在各種刊物上先后發表數十篇有關氨的催化氧化實驗的研究論文，為提高教學質量獻計獻策。但絕大多數論文[4-8]實驗裝置復雜，需要鐵架臺、十字夾、鐵夾等器材進行固定和連接，氨氣的干燥、催化劑的加熱、氨氣的吸收、一氧化氮氣體的氧化、二氧化氮的證明和吸收不能形成一個完整的實驗體系，沒有很好地體現裝置的簡單化，給儀器的組裝、連接、固定及其保存造成一定的不便。

2）現行高中化學教材只介紹了氨催化氧化的知識點，沒有提供相應的實驗方法。那么，依照現行高中化學教材編者的設計觀念，教師也就只能在課堂上紙上談兵了。本應通過實驗就能夠迎刃而解的問題，卻變成了一種教師在上面夸夸其談、學生在下面死記硬背的被動教學模式。學生學完氨氣與氧氣反應后感到枯燥無味，沒有獲得感，不利于素質的培養，有悖于現代教學理念，影響了教學質量。

可見，對氨催化氧化實驗必須進行重新審視，取他人之長，補自己之短，對該實驗方法再研究、再設計，不斷優化實驗裝置和實驗方法，為搞好實驗教學、提高教學質量做出自己應有的貢獻。

3 設計理念

由于氨氣跟氧氣反應是放熱反應，并生成無色的一氧化氮氣體，并可繼續氧化成紅棕色二氧化氮氣體，因此，氨的催化氧化實驗裝置一體化設計必須保證五點：1）向催化劑中通入的氨氣一定要干燥;2）可以觀察到氨氣在催化劑作用下生成的一氧化氮氣體被空氣氧化成紅棕色的二氧化氮氣體的過程;3）能夠對催化劑進行加熱，停止加熱時，催化劑仍然保持紅熱狀態，說明反應是放熱的;4）在整個實驗過程中對空氣不能造成污染，充分體現實驗的綠色化，達到環保要求;5）氨氣的通入、干燥，催化劑的加熱，混合氣中氨氣的吸收、一氧化氮氣體的氧化、二氧化氮的證明和吸收，要形成一個完整的實驗體系，充分體現實驗裝置的一體化設計思想。

4 設計方法

根據氨催化氧化的設計理念，設計方法為：1）透明度良好的玻璃罐頭瓶作為裝置底座和氧化瓶;2）通過具支試管中濃氨水和堿石灰獲取干燥的氨氣;3）利用鼓氣球向盛有濃氨水的具支試管內鼓入空氣以獲得氧氣;4）使用鉑石棉作為催化劑，并用電爐絲對其進行加熱;5）一氧化氮中混有的氨氣通過小具支試管內的濃硫酸吸收掉;6）氧化瓶內的二氧化氮氣體通過干燥管內潤濕的紫色石蕊試紙來檢驗;7）多余的二氧化氮氣體則通過干燥管上方用氫氧化鈉溶液潤濕的脫脂棉吸收掉;8）儀器之間通過橡膠塞、硬質膠管、玻璃管有機地連接到一起，并保障氣體暢通無阻，順利完成實驗。

5 實驗原理

1）氨氣與氧氣的反應：4NH₃+5O_{2（催化劑→△）}4NO+6H₂O+熱量

2）一氧化氮跟氧氣反應：2NO+O₂====2NO₂

3）二氧化氮跟水反應：3NO₂+H₂O====2HNO₃+NO

4）硝酸與紫色石蕊反應：紫色石蕊遇酸變紅。

5）二氧化氮與氫氧化鈉反應：3NO₂+2NaOH====2NaNO₃+

NO+H₂O

6 實驗方案

實驗用品? 透明玻璃罐頭瓶1個，大具支試管（2 cm×

20 cm）1支，小具支試管（1 cm×10 cm）1支，單球干燥管

1支，調壓器1臺，鼓氣球1個，電爐絲（1000 W、15 cm）1根，直玻璃管（20.5 cm）1根，直角玻璃管2根，三孔橡膠塞（16號）1個，單孔橡膠塞（3號）1個，單孔橡膠塞（2號）1個，橡膠塞（4號）1個，脫脂棉若干，細銅絲若干，硬質膠管若干，導線若干，打孔器，剪刀，小刀;濃氨水，濃硫酸，堿石灰顆粒，紫色石蕊試紙條，鉑石棉，蒸餾水，10%氫氧化鈉溶液。

實驗準備

1）取一個4號橡膠塞，用小刀切下一個圓片，其直徑18 cm，厚度5 mm，用剪刀在其四周剪成八個三角口，在其中央用打孔器打一個小孔（如圖2所示）。

2）取一根玻璃管，在其下端裝上做好的帶有缺口的圓形橡膠片（要求膠片緊緊套在玻璃管上），上端裝上3號單孔橡膠塞（如圖3所示），調整好膠塞與膠片的距離，在膠塞的上方裝上鼓氣球。

實驗裝置? 如圖4所示，A.鼓氣球，B.細銅絲，C.鉑石棉，D.電爐絲，E.堿石灰顆粒，F.用氫氧化鈉溶液潤濕的脫脂棉，G.直徑比具支試管內徑略小的帶孔的圓形橡膠片，H.干燥的脫脂棉，I.用蒸餾水潤濕的紫色石蕊試紙，J.濃氨水，K.濃硫酸。

實驗過程及其現象

1）按照實驗裝置圖將儀器、藥品裝好，并使調壓器指針調到0 V的位置。

2）接通電源，緩慢旋轉調壓器的調壓旋鈕，使電壓逐漸升高;當電爐絲紅熱時，停止旋轉調壓旋鈕;用鼓氣球迅速向具支試管內鼓入空氣，可觀察到反應立即進行（4NH₃+_{（催化劑→△）}5O₂4NO+6H₂O+熱量）;當鉑石棉紅熱時，立即將調壓器的調壓旋鈕回調，使指針指向0 V的位置，此時鉑石棉繼續紅熱，說明氨氣與氧氣的反應是放熱反應;片刻，罐頭瓶內有紅棕色氣體生成（2NO+O₂====2NO₂）;接著，干燥管內潤濕的紫色石蕊試紙變紅，說明二氧化氮遇水生成硝酸;反應剩余的二氧化氮氣體被干燥管內浸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉吸收掉（3NO₂+2NaOH====2NaNO₃+NO+H₂O），防止空氣污染。

7 實驗說明

1）該裝置取材容易，設計合理，制作簡單，操作方便，現象明顯，無空氣污染，能夠體現氨催化氧化實驗裝置的一體化設計，一旦制成以后，可以保存在實驗室備用。

2）干燥管內干燥脫脂棉的作用是防止其上方的氫氧化鈉溶液下流，影響紫色石蕊試紙正常變色。

3）大具支試管有兩個作用：①盛放濃氨水;②盛放干燥劑堿石灰顆粒。這樣可以減少實驗用品，簡化實驗裝置。

參考文獻

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[2]河北師范大學化學系四年制中等師范學校《化學》編寫組編.中等師范學校課本（試用本）：化學（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，1982：180.

[3]人民教育出版社中學化學室.全日制普通高級中學教科書（必修加選修）：化學（第二冊）[M].北京：人民教育出版社，2003：11.

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