模擬自然界氮、氧放電反應實驗的探究

摘要：本文采用正交設計的方法對氮氧放電反應進行了探究，分析了氮氣和氧氣的體積比、兩銅電極間的距離和施加的電壓大小三個主要因素對實驗結果的影響，力求找出一個用時少并且現象明顯的實驗方案，并獲得了初步成功。

關鍵詞：氮氧反應; 放電; 正交設計

文章編號：1005－6629(2008)06－0007－02中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

1 引言

本實驗最早在《中學化學實驗大全》第264頁描述：氮氣和氧氣的反應，操作玻璃管的兩端配上帶銅絲的橡皮塞，銅絲的兩端跟高壓感應線圈的兩接線柱連接通電后產生電火花，使空氣中的氮氣和氧氣發生反應，產生一氧化氮，一氧化氮跟氧氣反應生成二氧化氮；也在上教版（2000年版）第 130頁中出現： [實驗6－1]閃電產生一氧化氮，在一支10cm長的玻璃管的兩端分別套上橡皮管，刺破橡皮管，向玻璃管內伸入兩個鋼針，鋼針的兩端連接感應圈。在橡皮管的一端通人氮氣和氧氣的混合氣體（體積比為1∶2）。通電，待鋼針尖端放電后，把氣體導入錐形瓶里，觀察發生的實驗現象。在錐形瓶里加入少量蒸餾水，滴入石蕊試液，觀察發生的現象；另外在蘇教版教材（2006年版）化學必修1第96頁的觀察與思考欄目中給出：下列實驗將幫助我們探究自然界中氮氣與氧氣的反應，取一個塑料礦泉水瓶，在距離底5cm處鉆兩個對稱的小孔，然后放在感應圈上，將感應圈的兩根極針通過小孔插入瓶中，使兩個極針成一條直線且針尖之間相距0.5cm，接通電源，觀察實驗現象。

新課程理念中重要的一條就是化學學習要與我們的社會生產、生活實際緊密聯系，才能充分調動學生的積極性，使學生深刻體驗到化學的價值和魅力。這個實驗設計正是從學生身邊打雷閃電生活現象入手，激發學生強烈的學習興趣和探究意識，模擬自然界氮氣和氧氣的反應并探討其發生的一系列變化，增強學生用化學知識來解釋和指導社會生活的自豪感，這樣學生所獲得的知識將更具有鮮活性、啟發性和保持性。然而，許多老師在實驗過程中因為發現該反應現象不容易出現而放棄給學生做這個實驗，實在非常遺憾。筆者也曾按照上述給出的實驗方進行實驗：取一個塑料礦泉水瓶（500mL），在距離底5cm處鉆兩個對稱的小孔，然后放在感應圈上，將感應圈的兩根極針通過小孔插入瓶中，使兩個極針成一條直線且針尖之間相距0.5cm，調整感應圈的輸出電壓為8KV，接通電源，15分鐘后，可以看出紅棕色氣體，切斷電源，往塑料瓶加入少量水，放入pH試紙顏色為深紅色。根據該實驗現象，筆者繼續作了大量嘗試，力求找出一個用時少并且現象明顯的實驗方案，并獲得了初步成功。下面就與各位同仁一起探討一下我的實驗設計。

2 實驗

2.1實驗設計

通過實踐和文獻查找，確定了影響該實驗的三個主要因素：氮氣和氧氣的體積比、兩銅電極間的距離和施加的電壓大小。對每個因素我們各設計了三個水平，第一個因素的三個水平根據空氣、NO、NO2組分設定：氮氣和氧氣比約4∶1、 1∶1、 1∶2； 第二個因素根據實驗經驗和文獻分為三個水平： 兩極針尖距離為0.5cm、1cm、2cm；第三個因素根據感應圈（J1206）的可調節刻度（從1KV到8KV）給定三個水平： 2KV、5KV和8KV。基于本實驗為三因素三水平設計，我選擇了L9(34)的正交設計表來進行實驗安排，如下表所示：

氮氣和氧氣反應實驗 表頭設計

2.2 實驗用品

500mL塑料瓶、80mL硬質玻璃管、一端磨尖的銅電極、帶鱷魚夾的導線、感應圈（J1206）、大試管、鐵架臺、石蕊試液、氯酸鉀、二氧化錳

2.3實驗步驟

1. 氧氣的制備：用實驗室常規方法收集氧氣若干瓶。

2. 氮氣和氧氣的反應（如下圖）

取干燥的玻璃管，放入濕潤的pH試紙，通入氧氣，密閉，水平放置，兩端插入銅電極，使銅電極兩極尖水平相對并保持一定距離，通過導線與感應圈相連，形成回路，調整感應圈電壓，通電放電一段時間，至看到指定實驗現象結束，切斷電源，記錄時間。（另一組實驗是不放pH試紙，直接觀察顏色）

氮氣和氧氣反應實驗 實驗安排表及直觀分析表

（注：本實驗選用兩個指標:A為使試管內濕潤的pH試紙變色為比色卡中pH為2的顏色所需的時間；B為試管出現明顯紅棕色的時間；總是A、B指標的總和，值越小越效率越高）

2.4 結論與討論

從實驗指標的數值及直觀分析表可知：

1.實驗5（A2B2C3）的反應條件所得的實驗結果最好，出現指定現象的時間最短，但通過對k值大小的直觀分析，選用實驗A2B3C3應該效果更好，通過補做實驗，確實能在不到一分鐘看到現象。

2.本實驗的主要因素是施加電壓的大小（R＝4.66），從表中可以看出電壓越大，反應效果越好。但考慮到安全問題及效率問題，筆者認為5KV或6KV也完全可以達到實驗目的。

3.氮氣和氧氣體積比也是一個重要因素（R=3.67）。適當通入氧氣可以提高反應效率，但在不充氧的自然條件下反應現象也可在5分鐘左右觀察到，并且可以簡化操作步驟，仿真模擬自然放電，所以筆者認為，該實驗可以直接在不充氧的自然條件下進行。

4.兩電極的距離（R=3.34）， 從數據上表現為距離越大反應效率越高，筆者認為在電壓較高的條件下，放電電弧越長，與混合氣體的接觸面越大，反應效率越高，但隨著電極距離的進一步拉長，反應效率是否會繼續提高，還需要進一步探究。

5. 根據整個實驗結果，我們按照蘇教版教材（2006年版）的實驗步驟及書本提供裝置圖進行該實驗，然后把兩銅電極距離由原來的0.5cm改為2cm再次實驗，發現效率有所提高。（8分鐘可見很明顯的紅棕色氣體，用濕潤的pH試紙變深紅色。）

3說明

1. J1206-1型電子感應圈(廣東佛山市三水西南教學儀器廠生產)可為中學物理、化學實驗提供小功率可調高壓電源，在額定工作電壓下能產生80KV的高壓，可演示空氣中火花放電現象，以及液體、固體介質的電擊穿現象和在空氣中取得臭氧等實驗用。其線路功率：≤120W、線路電流：≤2.8A、高壓輸出：10KV～80KV(連續無級可調)。由于電流強度較小，對人體是安全的。但安全起見，接通電源后，最好不要觸摸整個裝置，反應完畢后，及時切斷電源。

2. 銅電極極尖用砂輪磨成針狀，有利于放電。

3. 本實驗結論是針對80mL的容器進行的實驗，是否可以推到大容積的容器有待于進一步驗證。

4. 筆者發現該實驗天氣干燥時比天氣潮濕時效果好得多。可能是因為潮濕的空氣使生成的二氧化氮氣體很快地溶解在水中而較難看到紅棕色。

參考文獻：

[1]劉正賢.《中學化學實驗大全》[M].上海教育出版社.1994.