基于綠色理念的氨的制備及性質實驗創新設計

王秀榮 聞鈺

關鍵詞：綠色化學;氨的制備;性質實驗;創新設計

一、問題的提出

綠色化學已成為現代化學教育的主要發展方向。綠色化學又稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學等，是一門研究如何利用化學原理從源頭上減少和消除工業生產對環境污染的科學，其最大特點是在始端采用預防污染的科學手段提高原料的利用率，最終實現零排放和零污染。如何通過化學實驗使學生進一步領悟綠色化學的宗旨并逐步培養綠色化學的意識是當前化學教學中所面臨的緊迫問題，化學實驗的微型化、綠色化研究正日漸成為中學化學教學中熱門的研究課題。

氨的制備及性質實驗是高中化學的重要實驗。不同版本教材對氨氣的制備與性質實驗均獨立設計，氯化銨與氫氧化鈣固體混合共熱制氨耗時較長，且運用向下排空氣法收集氨氣極易造成氨氣逸散，不利于實驗人員的安全。人教版必修一中氨的性質實驗——白煙實驗采用開放性設計，即用兩根玻璃棒分別蘸取濃鹽酸和濃氨水相互靠近，雖白煙現象明顯，但逸散的氣體極易造成環境污染，不利于師生的身心健康。查閱大量文獻資料知，當前對氨的制備與噴泉實驗改進較多，且大多集中在噴泉的形成原理與方法研究上，對性質實驗獨立研究改進的較多，綜合性強的實驗研究較少，尤其是運用常規儀器創新設計的綜合實驗更少。經過多年的教學實踐與探索，筆者運用常規儀器與試劑將氨的制備與多個性質實驗及尾氣處理綜合在一起進行一體化創新設計，實驗示范性強，現象引人人勝、對比度高，實驗過程中幾乎無氨泄漏與殘留，極大地消除了師生實驗中的畏懼心理，且十分符合綠色化學的環保理念。

二、氨的制備及性質實驗創新設計

1.實驗設計目的

本實驗將氨的制備與性質及尾氣處理綜合在一起進行一體化創新設計，使整個實驗裝置密閉，不僅節約試劑，而且可控速率，既保證了實驗的連續性，又可分段進行實驗，非常適合教學示范。該實驗運用氫氧化鈉固體與濃氨水常溫反應快速制備少量氨，省時高效。性質實驗不僅改進了氨的噴泉實驗與白煙實驗，而且增設了氨與濃硫酸、氯氣反應的實驗。尾氣處理設計巧妙，變廢為寶，實現了污染氣體零排放。

2.實驗用品

具支試管、干燥管、注射器（10mL兩支、20mL一支、50mL一支）、燒瓶（50mL）、小燒杯、小試管（三支）、鐵架臺、橡膠塞、輸液管小開關（2個）、試管架、濃氨水、氫氧化鈉固體、堿石灰、醋酸溶液、濃鹽酸、濃硫酸、氯氣、乙醇溶液（水和無水乙醇體積比1：1混合）、蒸餾水、紅色石蕊試紙、自制紫甘藍指示劑溶液（用醋酸溶液調節pH至3.7左右）

3.實驗原理

氨的制備采用濃氨水（2mL）與氫氧化鈉固體（3g），無需加熱，在常溫下即可快速制備氨，再通過堿石灰干燥，即得干燥純凈的氨氣。

性質實驗設計首先改進了氨極易溶于水的噴泉實驗，運用自制紫甘藍指示劑溶液替代常規的水加無色酚酞溶液，使噴泉的顏色由單一紅色變得絢麗多彩，大大增強了實驗的趣味性（表1）。其次，設計了氨與揮發性酸、難揮發性酸反應的對比實驗，使學生通過實驗深刻理解白煙實驗的反應原理。另，增設了氨與氯氣的反應實驗，該反應充分體現了氨的還原性，通過實驗使學生了解工業上檢測輸送氯氣管道是否漏氣的方法。

氨的尾氣吸收試劑將常規的水或稀硫酸溶液改為水與無水乙醇以體積比1：1混合而成的乙醇溶液。實驗表明，氨在乙醇溶液（1：1）中溶解較多且速率平穩，故用乙醇溶液（1：1）不僅可以充分吸收逸出的氨氣，而且不用增加常規的防倒吸裝置。

4.實驗步驟及現象分析

（1）檢查裝置氣密性。如圖1所示連接好裝置，打開開關1，關閉開關2，使整個裝置密閉。緩慢向上推大注射器活塞一段距離，觀察小注射器的活塞是否向上移動，松開大注射器活塞，觀察，若大小注射器活塞均回到原來的位置，則說明裝置氣密性良好。

（2）裝入試劑，準備實驗。向裝置左側具支試管中加入3g氫氧化鈉固體，將裝有2mL濃氨水的小注射器塞在該具支試管上方，干燥管內裝入適量的堿石灰，大注射器內吸入約60mL自制紫甘藍指示劑溶液，連接在50mL的燒瓶口處，燒杯中加入約50mL乙醇溶液（1：1）。如圖1連接好整個裝置。在兩支小試管中分別滴入兩滴濃鹽酸和濃硫酸，塞上橡膠塞。再用快速制備氯氣（高錳酸鉀固體與濃鹽酸常溫反應）的方法收集少許氯氣于另一小試管中，塞緊橡膠塞。將三支小試管置于試管架上待做氨氣的性質實驗。

（3）有序實驗，觀察現象。

①打開開關1、2，向具支試管內緩慢滴入濃氨水，觀察現象，可見試管內迅速產生大量的無色氣體，右側盛有乙醇溶液的小燒杯內的導管口處逐漸有氣泡冒出，且速率不斷加快，待氣泡連續均勻冒出時，將導管稍稍提出液面，迅速用濕潤的紅色石蕊試紙檢測該氣體（同時可聞到氨的刺激性氣味），若試紙變藍，說明氨氣已集滿，此時可關閉開關2，停止滴加濃氨水，將具支試管上方的注射器換成一支20mL的空注射器，然后關閉開關1，用該注射器抽取具支試管內剩余的氨氣，留做后面的性質實驗。此環節的設計，不僅獲得了性質實驗所用的氨氣，而且處理了裝置內殘留的大量氨。

②將大注射器的活塞快速向上推入少許，使少量紫甘藍指示劑溶液噴入燒瓶內，仔細觀察現象，可見注射器活塞自動迅速向上移動，燒瓶內形成絢麗多彩的美麗噴泉。如圖2所示。噴泉實驗的形成說明氨極易溶于水且溶液呈堿性，由于噴入燒瓶內的紫甘藍溶液由少漸多，使得燒瓶內溶液的pH值不斷變化，故噴泉顏色呈現了令人驚嘆、引人入勝的多彩變化。

③將注射器內抽取的氨氣分別快速推入裝有濃鹽酸和濃硫酸的小試管中少許，觀察現象。發現裝有濃鹽酸的小試管內迅速產生大量的白煙，而裝有濃硫酸的小試管中并無此現象，稍后可見該試管壁上附著少量白色固體，該實驗充分說明氨具有堿性，但只與揮發性濃酸反應產生白煙現象，運用該反應獨特而顯明的現象可進行氨氣與揮發性酸的互檢。

④將注射器內剩余的少量氨氣快速推人到裝有少量氯氣的小試管中，可見試管內迅速產生大量的白煙，說明氨與氯氣反應劇烈且有白色固體物質生成。分析原理知，氨氣表現還原性，氨與強氧化性的氯氣發生氧化還原反應生成氯化銨和氮氣。因實驗中有氮氣生成，故實驗中氯氣與推入的氨氣少量即可，現象明顯且實驗安全（如圖3所示）。

（4）處理尾氣，巧妙環保。實驗完畢后，用注射器向具支試管內注入適量的水以吸收裝置內殘留的氨氣，實現氨氣零排放。整個實驗設計中尾氣處理共分三部分，第一部分，設計在實驗裝置最后，將導氣管伸入盛有乙醇溶液（1：1）的小燒杯中，用以吸收反應后逸出的氨氣，原理解釋可使學生了解到氫鍵與物質溶解性的關系。第二部分，設計在氨氣集滿后關閉開關1、2，用注射器抽取裝置內剩余的氨氣留做氨的性質實驗。第三部分，設計在實驗完成后，用注射器向發生裝置內打入適量的水，運用氨極易溶于水的性質特點將裝置中殘留的氨全部吸收，使整個實驗完畢后無氨殘留，綠色環保。

三、實驗的創新研究及意義

1.實驗設計綜合性強、微型微量

該實驗將氨的制備、性質及尾氣處理綜合在一起進行了一體化創新設計。整個實驗綜合性強，試劑用量少，僅用了2mL的濃氨水和3g氫氧化鈉固體制備氨，氨與酸反應的性質實驗中，濃鹽酸與濃硫酸均使用了兩滴，所用氨氣則是用注射器從制備收集后的裝置內抽取的剩余氨，不僅減少了試劑的用量，而且變廢為寶，為處理尾氣大大減負。

2.實驗操作簡便易行、省時高效

氨氣的制備運用快速制氨法，簡便易行，通過控制濃氨水的滴速來控制氨的制備速率及整個實驗的進程，實驗中可隨時控制反應的起止，實驗設計環環相扣、省時高效，既保證了裝置的密閉性，又可分段實驗，便于教學觀察與示范。

3.彩色噴泉、白煙實驗，展現化學神秘美感

該實驗通過彩色噴泉絢麗多彩的顏色變化向學生展現化學神秘莫測而又美麗的一面，大大激發了學生探究化學的強烈欲望，提高了學生學習化學的濃厚興趣;小試管內進行的白煙實驗，采用對比法，現象明顯、保持時間長且無污染，便于實驗中移動觀察;性質實驗增加的氨與氯氣的反應，不僅體現了氨的還原性，而且通過該實驗使學生了解并感受了工業上檢測輸送氯氣管道是否漏氣的方法。通過該實驗使學生深刻領悟了綠色化學的理念及化學源于生活服務于生活的學科特點。

4.尾氣處理巧妙創新，凸顯綠色化學理念

實驗裝置密閉、無氨外逸、無氨殘留、綠色環保，尤其是氨的尾氣處理匠心獨運，設計十分巧妙，主要體現在如下三個方面：一是裝置后尾氣吸收試劑換為乙醇溶液（1：1），不僅可以充分吸收氨，而且可以很好地防倒吸;二是氨氣的性質實驗——氨與酸的反應及氨與氯氣的反應利用裝置內剩余的氨氣進行實驗，不僅減少了試劑用量，而且變廢為寶;三是實驗結束后用水處理裝置內殘留的氨，實現氨氣零排放，使整個實驗非常符合綠色化學理念。