多色雙噴泉實驗

張阿芳 陳波 陳啟明

關鍵詞：多色雙噴泉實驗;氨氣;氯化氫;實驗裝置設計;實驗探究

1研究背景分析

噴泉實驗是高中化學的經典實驗，氨氣的噴泉實驗在三個版本的高中教材里均有出現，滬教版還提到氯化氫的噴泉實驗，因現象震撼，容易激發學生的學習興趣，適合用作課堂演示實驗。目前相關的文獻研究大多是基于實驗的某一環節做出改進，如增加制取氨氣的裝置、更換實驗藥品、改變引發噴泉的方式提高實驗成功率，設計一體化實驗將氨氣的制取、噴泉、性質實驗進行綜合改進等。熊言林等人利用氨氣豐富的化學性質，設計一種反復變色的噴泉，通過控制止水夾將多種現象融于一體，具有色彩融合的思維。另外還有作者從教學內容出發，設計對比實驗引導學生探究二氧化硫噴泉實驗的可行性，將理論與實際相結合，更加具有教育意義。

上述改進后的實驗方案仍存在以下問題：（1）缺乏足夠的吸引力。改進后的實驗裝置大多是單瓶噴泉，且未設計成方便增減的實驗模塊單元，規模較小，難以激發學生的興趣。（2）現象單調，持續時間短。實驗使用的圓底燒瓶一般是250mL，噴泉引發后酚酞水溶液在燒瓶內迅速變紅，持續10s左右即停止，效果不佳。（3）容易形成定勢思維，缺乏創新性。大多數研究依然沿用了氨氣和酚酞水溶液來設計噴泉實驗，事實上只要通過化學實驗制造壓強差就能實現噴泉。席改卿等人提出用建構主義思想幫助學生打破定勢思維，并設想得到氯化氫、氨氣的噴煙現象，但并未深入探討噴泉和白煙相結合的實施方案，缺乏對學生進行“模型認知”“科學探究與創新意識”等學科核心素養的養成教育。基于上述問題，本實驗利用氨氣易溶于水和氯化氫氣體與堿液反應的性質，同時進行雙噴泉實驗。原理上，實驗巧妙利用氨氣和氯化氫的反應，制造白煙繚繞的奇幻現象，且白煙的生成量可以指示集氣完成情況，解決了以往氣體泄漏的問題。同時，通過自行設計、定制的三頸燒瓶實現了實驗裝置的一體化，增加了氨氣的儲量，豐富了實驗內容，延長了趣味現象呈現的時間。實驗結束后，部分反應液可經調節pH再回收利用3-5次，符合綠色化學的要求。

2改進實驗

2.1實驗原理

實驗涉及到以下幾個主要化學反應：

（1）氨氣極易溶于水，并能和水反應生成一水合氨，溶液呈堿性;氯化氫氣體易與氫氧化鈉溶液反應。

（2）酚酞溶液遇堿變紅，而二價銅離子在氨水溶液中發生配位反應，生成深藍色的四氨合銅配離子，通過倒吸混合氨水、酚酞和硫酸銅溶液可以呈現藍紫色。

2.2試劑和儀器

氨水、五水合硫酸銅、六水合氯化鈷、對硝基苯酚、N（1萘基）乙二胺鹽酸鹽、冰醋酸、亞硝酸鈉、對氨基苯磺酸、硫氰化鉀、六水合三氯化鐵、濃硫酸、酚酞指示劑，以上試劑均為分析純。

2.3實驗步驟

搭建如圖1所示反應裝置。

（l）檢查裝置的氣密性：將與直角玻璃導管連接的玻璃活塞4b-4h、4j-4p打開，將左、中、右側與三角漏斗連接的三個玻璃活塞4a、4i、4q關閉。向燒杯中加入適量水，使得長玻璃導管下端浸沒在水中。先用酒精燈微熱左側錐形瓶，觀察燒杯內是否有氣泡冒出，待冷卻后，再用酒精燈微熱右側定制三頸燒瓶，觀察氣泡，若兩側均有氣泡產生，說明裝置氣密性良好。

2.4實驗結果

實驗結果如表1所示。

3實驗的優點

（1）將噴泉的顏色反應與白煙反應結合，觀賞性強。

（2）實驗符合環保要求：無氣體泄漏，實驗藥品用量少，且部分可回收利用。

（3）新創裝置氣密性好、噴泉量大，能實現多色噴泉且能控制噴發順序。

（4）本實驗建立起了化學噴泉模型，可操作性強。教師在教學時可根據需要進行藥品的更換和裝置的改進，還可設置相關的思考題供學生學習。

4教學建議

改進后的實驗涉及氨氣的性質、酸堿指示劑、配位反應、沉淀反應等，教師可以結合學生儲備的化學知識，引導他們進一步思考該實驗在試劑和操作上的其他改進方案。以下幾個實例可供參考：

（1）壓強差原理。生活中有很多應用壓強差的例子，比如人體呼吸、虹吸現象、吸盤等。化學學習中也有多處運用到壓強差原理，比如化學噴泉實驗、裝置氣密性檢查、啟普發生器原理、通過紅磷燃燒實驗測定空氣中氧氣的含量、壓強差法制備純凈的氫氧化亞鐵、防倒吸裝置等。教師可引導學生從生活實際出發，進行類比總結，建立起以壓強差為中心的知識結構網絡。

（2）顏色反應。化學實驗中往往伴隨許多綺麗的色彩變化，除了酸堿指示劑遇酸/堿發生顏色變化外，金屬離子的沉淀反應、生成配合物的反應都能呈現出奇妙的特征顏色。學生可通過查閱資料，整理常見的顏色反應，再進一步用于開發新的趣味實驗，如化學雞尾酒、化學交通燈等。

（3）創新實驗。本次實驗分析了噴泉實驗的原理及過程，提供了從實驗裝置、實驗現象、實驗藥品選用等多個角度的創新演示，學生可據此設計、創新更多的噴泉實驗的方案。

新創的多色雙噴泉實驗從多個角度改進了課本實驗，其涉及了多種反應原理，現象生動有趣。趣味實驗能從視覺等方面帶給學生較強烈的震撼感和沖擊力，引發學生的好奇心，同時也能明顯提升學習效果，有利于開拓學生的發散思維，提高學生的創新能力和實踐能力，是教師進行素養教學的一個良好素材。