氨氣倒吸原因的再探究及實驗裝置的改進

葉永謙 吳新建 張賢金

摘要：針對文獻中對氨氣等易溶性氣體制備過程易發生倒吸原因的不同解釋，改進了氣體吸收實驗裝置。并就常見防倒吸裝置存在尾氣污染問題并就其原因作了分析，總結了影響倒吸現象發生的主要因素。基于溫度控制設計了可以調控尾氣處理及能防止氣體倒吸的實驗裝置。

關鍵詞：氨氣吸收；尾氣處理；實驗裝置改進，實驗探究

1 問題的提出

中學化學演示易溶性氣體制備實驗時，必須選擇合適的防尾氣倒吸裝置。姚培龍等老師利用氨氣極易溶于水的性質，通過創設氨氣倒吸“示錯情境”及探究防倒吸裝置培養學生的化學實驗思維能力。總結出的防倒吸裝置有肚容式、隔離式裝置等[1]。其中肚容式裝置可用倒扣的漏斗、干燥管等防止倒吸，隔離式裝置可將導管插入燒杯中的下層四氯化碳防倒吸，再利用燒杯上層的水溶液吸收氨氣（圖1）。

范永釗老師通過實驗發現，如果將易溶性氣體裝在試管插入水中，會迅速發生倒吸，倒吸與氣體的溶解度較大有關[2]。馬金余等老師卻認為：發生強烈倒吸是由于氣體或反應容器在溶解前后的溫差變化引起；如果控制好溫度變量，絕大部分氣體（包括氨氣等）在水或其它液體中的溶解速率都很慢，不會引起強烈倒吸；用水吸收易溶性氣體時，可以不用倒扣漏斗而將導管直接插入水中，不會引起倒吸[3]。關于氣體在水中的溶解速度，劉載榮老師的觀點是還要考慮分子的極性[4]。正確的實驗結果是檢驗化學真理的唯一標準[5]，對于倒吸原因存在的不同的解釋，只有通過實證研究才能得出正確的結論。

2 基于溫度變量控制的實驗裝置設計

關于尾氣倒吸問題的研究，存在一個難點兩個重點。一個難點是反應體系溫度的測定和控制。根據馬金余等老師的觀點，要研究倒吸的原因必須控制溫度變量。兩個重點分別為尾氣吸收的效果和防止倒吸的效果。如果一個尾氣處理裝置無法高效地吸收尾氣，以至于造成空氣污染，那么研究其防倒吸功能就失去了意義。因此，裝置的設計必須能夠控制溫度變量，并兼顧尾氣吸收效果的監測和防倒吸功能的對比。

藥品方面，反應物越單一越有利于變量的控制，可以選擇一定體積、一定濃度的濃氨水，通過水浴加熱產生氨氣進行研究。儀器方面，用酒精燈加熱無法精準控制溫度，使用水浴加熱，并將溫度計插入濃氨水中，可以控制和觀察濃氨水的溫度變化情況。將用于研究溫度對乙醇燃燒火焰顏色影響的雙層三口平底燒瓶[6]，與溫度計、導管、倒扣漏斗及干燥管等組合，可以達到以上效果，四個用于探究倒吸原因的實驗裝置見圖2。

以上儀器中，雙層三口平底燒瓶作為氣體發生裝置，內筒規格為50mL，用于盛裝20mL濃氨水，濃氨水不充滿內筒而留有空氣，目的在于模擬常見氣體發生裝置中空氣的干擾。右瓶口用于將生成的氨氣通入水中，導氣管上貼有濕潤的紅色石蕊試紙，用于監測氨氣的尾氣吸收效果。尾氣處理裝置為圖1四種（標號A、B、C、D），分別與發生裝置的右管出氣口連接。其中裝置A、B、C分別使用玻璃導管、倒扣漏斗及干燥管置于水中，裝置D使用玻璃導管插入燒杯內下層四氯化碳液體中（上層液體為蒸餾水），用于對比防倒吸的效果。中間瓶口用于往內筒加入濃氨水，并套上帶有溫度計的單孔塞，溫度計底部與濃氨水相接觸，實時監測濃氨水的溫度變化情況。外筒規格為500mL，通過左瓶口往外筒加入熱水對內筒液體進行水浴加熱。必要時可以使用針筒將熱水抽出或換用其它溫度的水，使內筒濃氨水溫度發生改變，用于對比不同溫度下的尾氣吸收效果和防倒吸效果。

3 實驗過程及實驗現象

3.1裝置氣密性的檢驗

按圖2中裝置A連接好儀器，往燒杯中加入蒸餾水至沒過導管口，塞緊右瓶口、中瓶口橡皮塞，往左瓶口加入沸水至沒過內筒，如果導管口有連續的氣泡冒出，外層的沸水抽出一段時間后，導管口倒流一段水柱且保持水柱高度不變，說明裝置的氣密性良好。裝置B、C、D的氣密性檢驗方法同上。

3.2藥品的加入及水浴溫度的控制

以裝置A為例，實驗開始時，往燒杯中的水溶液滴入幾滴酚酞，用于檢驗氨水的生成。往中瓶口加入25%的濃氨水20mL，塞緊帶有溫度計的橡皮塞。往左瓶口加入沸水至內筒全部被浸沒，觀察燒杯中的氣泡和溶液顏色變化情況，以及溫度計溫度變化、濕潤紅色石蕊試紙的變色情況。一段時間后，用針筒將外筒熱水抽出使內筒與熱水脫離，換用新的濕潤紅色石蕊試紙再觀察。以上實驗過程全程錄像，通過視頻回放進行有效對比。裝置B、C、D的方法同上。

3.3空氣的排出及氨氣的生成

通過對比，發現實驗前期加入沸水時，均出現燒杯中氣體出口（導管口、漏斗口或干燥管口）有無色氣泡緩慢冒出，溶液未變紅色，說明該無色氣泡為空氣。一段時間后，氣泡連續冒出，溶液顏色逐漸出現紅色（裝置D下層顏色不變，上層變紅），說明有氨氣生成。

3.4尾氣吸收效果的監測

隨著實驗的進行，濃氨水的溫度從30℃（實驗時的室內溫度）上升到70℃（因玻璃儀器等環境的吸熱，濃氨水的溫度未上升至100℃），內筒濃氨水出現沸騰現象，氣體出口有大量氣泡冒出，此時裝置A的濕潤紅色石蕊試紙略微變藍，裝置B、D試紙有藍色出現，裝置C試紙藍色最明顯（圖3）。以上現象說明當氨氣生成速率較快時，四套裝置的尾氣吸收效果都不理想。

為了對比B、C、D三套裝置在氨氣氣流比較平緩時的尾氣吸收效果，用針筒將外筒中熱水抽出使內筒與熱水脫離，換用新的濕潤紅色石蕊試紙監測。發現三套裝置中試紙仍然出現藍色，且變藍的程度區別不大，說明氨氣氣流較為平緩時，三套裝置中仍然有氨氣逸出，尾氣處理的效果也不理想。

3.5防倒吸效果的對比及原因分析

（1）裝置A的倒吸及原因分析

裝置A當沸水加入外筒后一段時間，濃氨水溫度穩定在70℃（外筒沸水未抽出），但隨著氨水濃度的下降，氨氣的生成速率較為緩慢時，出現了瞬間劇烈的倒吸現象。根據馬金余等老師的觀點，控制好溫度變量，使用玻璃導管直接將易溶性氣體通入水中可以吸收尾氣，一般不會發生倒吸。裝置A的倒吸反駁了以上觀點，說明對于易溶性氣體，通過控溫僅使用玻璃導管通入水中是無法防止倒吸的。反應前期因氨水濃度大，氨氣大量生成，裝置內氣體壓強增大且有空氣排出，不會發生倒吸。反應一段時間后，氨水濃度下降且裝置內空氣基本排空，此時雖然濃氨水的溫度不變，但導管中充滿的氨氣會較快溶解于水中，導致水柱沿導管上升，當水柱遇到內筒大量的氨氣時，瞬間發生劇烈的倒吸，氨水充滿整個內筒。因此，倒吸發生的主要原因是氨氣在水中的溶解度大且溶解速度快，溶解時產生的壓強差導致的。

（2）裝置B的防倒吸及尾氣污染原因分析

裝置B在實驗前期沸水充滿外筒時，有大量氨氣隨著空氣冒出。空氣難溶于水，但倒扣漏斗罩在液面上，空氣無法順利排出。只有當積累到一定體積時，漏斗內的氨氣和空氣一起從倒扣漏斗的邊沿瞬間逸出，燒杯口濕潤紅色石蕊試紙變藍。

實驗后期，空氣全部排出，當氨氣產生速率小于氨氣溶解速率，即會出現倒吸現象。當漏斗中液面上升至與燒杯中溶液脫離時，在重力作用下液面下降，阻止了倒吸的繼續發生，但是氨氣也在此瞬間從漏斗中逸出。

總結以上兩種情況，倒扣的漏斗雖然能夠防止倒吸的發生，卻在實驗前期和后期出現兩種氨氣逸出的情況，尾氣處理的效果不理想。而且當漏斗口浸入液面的部分過深時，仍然會發生倒吸現象。

（3）裝置C的倒吸問題及原因分析

裝置C的防倒吸原理及導致尾氣污染的原因與裝置b相似，但是在實際操作中卻出現意想不到的倒吸現象，即不管是干燥管的寬口接觸液面，還是細口接觸液面，只要插入液面的部分稍微深點，都在實驗后期發生了瞬間的劇烈倒吸現象。

對比裝置A、B、C的倒吸情況，可以看出氣體管口與水的接觸面積是影響倒吸的重要因素。管口越細，與水接觸的面積越小，發生虹吸效應的可能性越大，水柱越容易上升，最終導致瞬間劇烈的倒吸。

對于裝置B、C等氣體出口（漏斗口、干燥管口）與水的接觸面積較大的裝置，該出口插入液面的距離也是影響倒吸的重要因素。

（4）裝置D的防倒吸及尾氣污染原因分析

裝置D由于氨氣與四氯化碳接觸，可以防止倒吸現象的發生。但是依然出現了氨氣逸出的問題，實驗前期大量空氣及氨氣逸出，四氯化碳層出現劇烈的冒泡現象，由于氣流過于劇烈，氨氣無法與上層水溶液長時間接觸，導致部分氨氣逸出（圖4左圖）。即便是實驗后期氨氣生成速率趨于平緩，新換的濕潤紅色石蕊試紙依舊變藍（圖4中圖）。由于燒杯中蒸餾水在吸收氨氣后已經變為氨水，且在實驗后期該氨水濃度較大，揮發出的氨氣也是造成尾氣處理效果不理想的原因之一。如果在燒杯中上層的水面上再覆蓋一層植物油，仍然有氨氣沖破油層逸出（圖4右圖），說明四氯化碳的存在雖然可以防止倒吸，但是整個體系對于氨氣的尾氣吸收效果并不理想。

4 實驗結論及防倒吸裝置的改進

4.1 尾氣吸收效果不理想的主要原因

根據以上分析，可以看出以上四套裝置在尾氣處理效果均不夠理想，主要有四方面原因：一是實驗前期裝置內空氣逸出時將氨氣帶出；二是實驗前期氨氣濃度較高反應較快，大量氨氣逸出無法被全部吸收；三是實驗后期倒扣漏斗或干燥管內液體上升至與燒杯中溶液脫離掉下時，氨氣在該瞬間逸出；四是實驗后期燒杯中水溶液因吸收較多氨氣已成為一定濃度的氨水，該氨水也會揮發出氨氣，導致尾氣吸收效果不理想。

4.2 影響倒吸現象發生的主要因素

對比四套裝置，防倒吸效果最好的是裝置D，即四氯化碳隔離法效果最好；其次是裝置B和C，使用倒扣的漏斗及干燥管可以防止倒吸的發生，但需注意氣體出口不可浸入液面過深；裝置A在該實驗條件下會發生劇烈的瞬間倒吸。總結以上實驗，可以歸納出影響倒吸的主要因素有三個：一是氣體在水中的溶解性，溶解度越大，溶解過程產生的壓強差越容易導致倒吸現象的發生；二是尾氣出口的管徑，管徑越小，越容易發生虹吸現象而倒吸；三是氣體出口（漏斗口或干燥管口）插入液面的深度，插入越深，最終越易導致倒吸的發生。

4.3防倒吸裝置的改進

以上四套裝置中防倒吸效果最好的是裝置D，因此在該裝置基礎上改進。改進的方向有兩個，一是控制反應的溫度，為了防止因溫度過高導致氨氣氣流太快無法吸收，將沸水浴改為溫水浴加熱，或者往外筒中僅加入200mL沸水（不接觸內筒），利用熱的水蒸氣對內筒加熱，此時產生的氨氣較為平緩，有利于尾氣的充分吸收。二是提高尾氣的吸收效率，在燒杯中上層水面上覆蓋一層植物油的效果不理想，主要是因為實驗后期上層溶液已成為一定濃度的氨水，快速吸收氨氣的能力下降。為了提高上層溶液吸收氨氣的能力，將水溶液改為一定濃度的稀硫酸，并滴入甲基橙監測稀硫酸吸收氨氣的情況。只要甲基橙不變黃色，就意味著上層溶液為酸性，還可以作為氨氣的吸收劑（圖5）。

圖5 改用滴有甲基橙的稀硫酸做吸收劑

通過改進，既防止了倒吸的發生，又避免了尾氣的污染，換用新的濕潤紅色石蕊試紙監測，一段時間后試紙未見變藍，氨氣吸收效果較為理想（圖6）。

圖6 改進后的防倒吸裝置氨氣吸收效果好

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》關于“科學探究與創新意識”素養的水平4要求中，明確指出“要能根據文獻和實際需要提出探究課題，能對實驗中的異常現象和已有結論進行反思、提出質疑和新的實驗設想，并付諸實施”[7]。以上研究針對文獻中對倒吸原因的不同解釋，基于溫度控制設計出監測尾氣處理效果及防倒吸效果的實驗裝置，發現常見防倒吸裝置存在尾氣污染的問題并分析原因，總結出影響倒吸現象發生的主要因素，通過控制加熱溫度及使用稀硫酸作吸收劑改進了氨氣的防倒吸裝置，達到了較為理想的效果。問題的提出、儀器的設計及研究的過程有利于培養學生的批判質疑精神，促進創新素養的發展。

參考文獻：

[1] 姚培龍，孫佳歡，任鐵鋼.實驗教學中巧設“示錯情境”發展化學思維——以“防倒吸裝置及原理”教學為例[J].教育與裝備研究，2020，36（05）：48～52.

[2] 范永釗.氣體溶解引起倒吸原因的探究[J].化學教學，2001，（10）：7～8.

[3] 馬金余，邵益君.氯化氫溶于水非得用“倒掛漏斗”嗎？——關于“倒吸現象”的研究[J].化學教學，2006，（01）：9～10.

[4] 劉載榮，周志華.非極性氣體在水中的溶解性和單位體積極化率判據[J].南京師大學報（自然科學版），1991（03）：47～51.

[5] 王祖浩.以實驗創新研究促進學生學科核心素養的發展——《實驗化學》教科書內容建構及學科特色探索[J].全球教育展望，2019，48（11）：59～70.

[6] 葉永謙，葉一勤，葉燕珠等.乙醇燃燒火焰顏色變化的實驗探究[J].化學教學，2020，（06）：77～80.

[7] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）.北京：人民教育出版社，2020：91