侯氏制堿模擬實驗的改進

孫鵬

摘要： 用注射器代替膠頭滴管和量筒轉移飽和食鹽水，用醫用引流袋代替集氣瓶收集氨氣和二氧化碳，成功地將侯氏制堿模擬實驗帶進課堂。改進后的實驗具有現象明顯、成功率高、見效快等優點，“碳酸氫鈉飽和而析出”這一實驗現象尤為突出。可作為初、高中“侯氏制堿法”原理教學的輔助實驗。

關鍵詞： 侯氏制堿法； 實驗改進； 學生實驗； 碳酸氫鈉

文章編號： 10056629（2023）08006203中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 提出問題

《義務教育化學課程標準（2022年版）》［1］關于物質的性質與應用的情境素材建議中提出可以將侯德榜對我國制堿工業的貢獻作為教學情境。在《上海市中學化學課程標準（試行稿）》［2］中，對“制堿原理”規定的學習水平是“理解”，對“侯氏與索氏法的比較”的規定是“掌握”，屬學習水平中的最高要求。無論在初中還是高中“侯氏制堿法”都是教學中重要的知識點和高頻考點。它關聯著鈉及其化合物等元素化合物知識；關聯著綜合化學實驗和工業流程設計；關聯著溶解平衡、電離平衡、水解平衡等基本化學反應原理；承載著弘揚民族自信、進行愛國主義教育的情感態度價值觀的教育［3］。侯氏制堿法模擬實驗可分為兩步：第一步是向飽和食鹽水中先后通入氨氣和二氧化碳，生成碳酸氫鈉和氯化銨。總反應的方程式可表示為NaCl+H2O+NH3+CO2NaHCO3↓+NH4Cl，碳酸氫鈉在常溫下溶解度較小，達到飽和而析出；第二步是將過濾所得的碳酸氫鈉固體加熱分解，制得產品——純堿。教師模擬制堿的難點是第一步“碳酸氫鈉飽和而析出”的現象難以在短時間內被觀察到。查閱資料，針對這一問題的改進和創新實驗較多。例如案例一：飽和食鹽水和飽和碳酸氫銨溶液混合［4］，筆者嘗試多次均未在40分鐘內觀察到沉淀。分析原因，兩種溶液混合使溶劑約增加至原溶液的三倍，碳酸氫鈉難以達到飽和。將兩種飽和溶液混合制堿也不符合侯氏制堿工藝原理；案例二：現場制備氨氣和二氧化碳先后通入飽和食鹽水中［5］，這是最原始的方法。但現場制取氨氣容易泄露且耗時較長，結晶速度非常慢，需要長時間靜置；案例三：利用超聲霧化器和恒溫器等設備制堿［6］，存在設備不易獲取的困難。

為了解決上述問題，筆者將醫療器械融合在改進實驗中，經過教師實驗和學生分組測試，獲得不錯的效果。

2 實驗方案

2.1 儀器與藥品

實驗儀器：醫用一次性引流袋（容積1000mL）×2、醫用10mL注射器×1、固體加熱型發生裝置一套、固液不加熱型發生裝置一套、燒杯1只、小試管1支、酒精燈1個、寬膠帶若干

實驗藥品：硫酸銨固體和氧化鈣固體、大理石和稀鹽酸、氯化鈉和蒸餾水等

2.2 準備階段

（1） 硫酸銨和氧化鈣固體混合后加熱，見圖1。將產生的氨氣通入引流袋至體積不再變化（此處耗時較長，約15分鐘）。關閉引流袋自帶旋塞，貼上標簽，并在引流袋中下部粘貼長約5cm寬膠帶，備用。粘貼膠帶處即是學生注射和取出液體位置，膠帶作用是密封針孔。

（2） 用大理石和稀鹽酸制取二氧化碳，見圖2。將產生的二氧化碳通入引流袋中至體積不再變化。關閉引流袋自帶旋塞，貼上標簽和寬膠帶，備用。

（3） 在燒杯中配制20mL飽和氯化鈉溶液，備用。

2.3 實驗過程

步驟1：揭開盛有氨氣的引流袋外側寬膠帶一角，用注射器吸取約5mL飽和食鹽水，然后注入引流袋中，重新貼好膠帶防止漏氣。

步驟2：手握兩端，快速、上下振蕩引流袋10次。觀察到裝有氨氣的引流袋完全變癟。

步驟3：再次撕開膠帶，用注射器將袋中液體全部吸出，得到氨鹽水。

步驟4：參照步驟1，將所得上述液體注入裝有二氧化碳的引流袋中，快速、用力振蕩引流袋20次。將引流袋向同一方向甩動，使液體和析出的固體集中在引流袋一角，靜置10秒。

步驟5：重復振蕩、甩動和靜置引流袋3次。觀察到引流袋體積變小，約為原氣體體積的一半。

步驟6：用注射器吸取全部混合物，轉移到干凈的小試管中，觀察到有較多懸浮的固體。靜置12小時后有更多晶體沉降。實驗過程環境溫度在6℃左右。

3 實驗結果與討論

學生分組實驗均能在8分鐘內觀察到明顯的渾濁現象，即碳酸氫鈉飽和析出。靜止12小時后試管底部出現大量晶體，可用于后續定性和定量探究。

將5mL飽和食鹽水充分反應所得的懸濁液靜置，過濾，干燥得0.33g固體A。取適量固體A于試管中充分加熱，生成能使澄清石灰水變渾濁的氣體，試管口有水珠出現，充分加熱后仍有剩余固體B。將加熱所得固體B溶于水形成無色透明溶液，向其中緩慢滴加稀鹽酸觀察到一開始無氣泡產生，繼續滴加稀鹽酸后產生大量氣泡，產生氣泡現象與向碳酸鈉溶液中滴加稀鹽酸的現象一致。另取固體A溶于水形成溶液，向其中滴加稀鹽酸立即有大量氣泡產生，產生氣泡現象與向碳酸氫鈉溶液中滴加稀鹽酸的現象一致。

改進后的實驗縮短了沉淀出現的時間，方便教師在課堂上開展侯氏制堿法探究活動。也可讓學生分組實驗，從理論學習轉變為實踐學習。注射器和引流袋的組合將

“向液體中通氣體”的操作改為“向氣體中加液體”，與侯氏制堿法中“先通氨氣后通二氧化碳”的過程相一致。如有需要，可以設計相反的分組實驗，將注射的順序由先氨氣改為先二氧化碳，觀察沉淀現象和引流袋體積的變化情況。實驗在課堂上的功能可以根據實際教學課時和教學內容作靈活調整。

4 提高實驗成功率的注意點

第一，選擇大容積引流袋，保證實驗所需氣體充足。20℃時碳酸氫鈉的溶解度為9.6g，5mL水最多能溶解0.48g碳酸氫鈉，需要氨氣質量約為0.0971g，根據摩爾體積計算，理論上需要標況下的氨氣體積約為1279.9mL。容積為1000mL的引流袋集滿氨氣和二氧化碳可滿足實驗需求。筆者向相同體積氨氣中分別加入5mL和10mL飽和食鹽水進行對比，均能觀察到明顯的沉淀。5mL飽和食鹽水產生的沉淀在小試管中更適合學生做振蕩操作和現象觀察。

第二，注意實驗過程中的散熱問題，關注振蕩操作的技巧。氨鹽水和二氧化碳反應是放熱反應，實驗時能明顯感知到引流袋表面溫度升高，又因碳酸氫鈉的溶解度隨溫度升高而增大，溫度越低結晶效果越好。實驗時需劇烈振蕩引流袋，引流袋表面積大，與外界熱傳遞速度快，能達到迅速降溫的效果。筆者在6℃和18℃兩個溫度條件下完成實驗對比發現：溫度低時易形成細小顆粒狀沉淀，顆粒清晰層次分明；溫度高則形成棉絮狀沉淀，類似石灰水變渾濁的現象。反應生成的碳酸氫鈉從溶液中結晶的速度較慢，振蕩會導致微小的晶體附著在引流袋內壁。因此，每振蕩20次后需要將引流袋朝著一個方向甩動幾次，使附著的晶體與溶液再次融合，析出的固體作為晶核能使結晶速度明顯加快。

第三，注射器轉移液體要做到無殘留。筆者在多次實驗過程中均發現一個異常現象。將飽和食鹽水注入氨氣中振蕩后，液體中出現白色沉淀，觀察渾濁狀態類似于面粉在水中分散的現象。為解釋這一現象做了以下三組實驗：首先，將氨鹽水上層清液取出后注入二氧化碳中，無明顯現象；將引流袋中全部懸濁液取出注入二氧化碳中，先觀察到渾濁消失，充分振蕩后再次出現沉淀。其次，將最終制得的“碳酸氫鈉”懸濁液靜止12小時后析出的固體過濾，溶解在20mL水中，固體完全溶解，無任何難溶性固體雜質。最后，取相同方法收集的兩袋氨氣分別加入等體積的飽和食鹽水和蒸餾水，只有加入飽和食鹽水的引流袋中出現渾濁，可以說明沉淀并不是氫氧化鈣或碳酸鈣等物質。查閱資料，在低溫下氯化銨的溶解度小于氯化鈉，氨鹽水渾濁的原因是氯化銨飽和而析出。所以，用注射器吸取時需將氨鹽水全部吸出，尤其是袋中的沉淀物質，這是后續碳酸氫鈉成功結晶的關鍵。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［2］上海市教育委員會. 上海市中學化學課程標準（試行稿）［S］. 上海： 上海教育出版社， 2005： 89.

［3］薛琴， 黃謙. 遵循認知規律多角度認識侯氏制堿法［J］. 化學教與學， 2021， （8）： 16～18.

［4］陸麗潔， 劉麗君. 模擬工業制備純堿的實驗設計［J］. 化學教學， 2014， （1）： 52～54.

［5］劉懷樂. 純堿生產實驗的秘訣［J］. 化學教學， 2011， （1）： 48～49.

［6］田雅玲， 賈光弟等. 利用超聲霧化技術優化“侯氏制堿”模擬實驗［J］. 化學教學， 2020， （4）： 61～63.

*蘇州市工業園區十四五教育科研課題“化學史融入初中化學教學的研究與實踐”（課題編號syk2021023）的階段性研究成果。