噴泉實驗裝置的新設計

羅迎瑞

摘 要： 因為化學實驗及實驗裝置設計無不滲透著技術思想和方法，化學實驗裝置的改進和化學實驗教具的革新無不運用技術的思想和方法。經長期探索與嘗試，設計出一套多功能噴泉實驗裝置。不僅能夠快速制備氨氣、收集氨氣、檢驗氨氣性質，而且能引發氨氣的噴泉實驗、噴煙實驗、倒吸實驗，還能利用此裝置繼續完成其他氣體的噴泉實驗。該套裝置連接簡單、控制靈活、簡單便捷、無污染、現象明顯、耗時短、實用性強，能同時完成多組實驗、沒有氨氣泄露，符合綠色化學理念。既適合于教師演示，又適合學生合作完成。

關鍵詞：通用技術 噴泉實驗 噴煙實驗 倒吸實驗 排水洗滌

在日常生活中，有很多為我們所不知而需要解答的話題，這就是問題。問題的形式多種多樣，如科學探究方面的，實驗操作方面的，還有技術與設計等方面的，等等。要解決好此類問題，最有效的途徑就是反復實踐，實踐是動手動腦的過程，也是解決實際問題的過程。筆者通讀完通用技術課程《技術與設計1》、《技術與設計2》和相關技術教育的資料后，深感一位教師學習掌握通用技術的重要性。一旦了解和掌握一定的通用技術，每做一個實驗，不僅是為觀察實驗現象、得出實驗結論，更重要的是應有問題意識，對于教材上一些設計欠完美的實驗要能發現問題，并能用技術思想和方法研究解決。這樣，我們才會不由自主地用技術思想和方法自覺進行實驗創新。這里所說的實驗創新指繼承為前提的創新，即發現問題、研究問題和解決問題的過程。下面我們運用技術思想和方法，研究解決中學化學實驗微型化、綠色化的問題和如何進行低成本教具研制，實例列舉如下：

氨氣的噴泉實驗是化學教材中既有趣又值得回味的實驗，在教材中處于重要地位。但在實際教學過程中，氨氣的實驗室制備、收集和儲存、氨溶于水形成噴泉實驗的演示等過程，操作比較繁瑣，很難在較短時間內完成整個實驗。筆者經長期探索與嘗試，用實驗室中簡單儀器、礦泉水瓶和一些醫用的廢棄材料，設計出一套多功能噴泉實驗裝置。不僅能夠快速制備、收集和檢驗氨氣，而且能引發氨氣的噴泉實驗、噴煙實驗、倒吸實驗，還能利用此裝置繼續完成其他氣體的噴泉實驗。該套裝置連接簡單、控制靈活、簡單便捷、無污染、現象明顯、耗時短、實用性強，能同時完成多組實驗、沒有氨氣泄露，符合綠色化學理念。適合教師演示，也適合學生合作完成。

1.裝置設計圖（見下圖）

2.裝置制作材料及所需試劑

（1）制作材料

鐵架臺兩個，具支錐形瓶一個，圓底燒瓶一個，分液漏斗兩個，礦泉水瓶四個，10mL注射器兩支，單孔橡膠塞三個，雙控橡皮塞一個，三孔橡皮塞一個，丫形三通管三個，控制閥七個個，中性筆芯桿六根，中性筆接頭八個，輸液器軟管若干。

（2）所需試劑

氫氧化鈉固體、濃氨水、濃鹽酸、硫酸銅溶液、酚酞試液、紅色石蕊試紙、碳酸鈣固體、稀鹽酸、NaOH濃溶液。

3.裝置的制作

（1）氨氣制備裝置的組裝

如裝置圖1左部所示，通過單孔橡膠塞將約為100mL分液漏斗安裝在500mL帶支管的錐形瓶上端，再將錐形瓶固定在左邊鐵架臺上；錐形瓶的支管上接一段約3cm長的軟導管，軟導管另一端用帶有粗頭的輸液導管連接起來，并在軟導管上安裝控制閥一。

（2）制作三個組件

用一段約長10cm的輸液導管連接兩個丫形三通管，在第一個丫形三通管的下端接約長5cm的輸液導管，并在其上安裝控制閥二；輸液導管下端用中性筆接頭連接兩個中性筆芯桿，使其插入單孔橡膠塞，并將橡皮塞插入側壁鉆有小孔的礦泉水瓶一上。在第二個丫形三通管的下端同樣接約長5cm的輸液導管，并在其上安裝控制閥三，輸液導管下端用中性筆接頭連接兩個中性筆芯桿，使其插入單孔橡膠塞，并將橡皮塞插入側壁鉆有小孔的礦泉水瓶二上。它的上端接約5cm的輸液導管，并在其上安裝控制閥五，輸液導管的上端用中性筆接頭連接一根多些中性筆芯桿，使其插入三孔橡皮塞；將一段約40cm長的輸液導管下端直接插入瓶蓋上鉆有小孔的礦泉水瓶三，并在其上安裝控制閥四，上端接上一段中性筆芯桿，插入三孔橡膠塞；最后，取下輸液導管最前端軟管上的針頭，套上一段硬導管，將其插入三孔橡膠塞上，另一端接上10mL注射器。

（3）圓底燒瓶的固定

將三孔橡膠塞塞緊在圓底燒瓶上，將其固定在右邊鐵架臺上，調整高度，各組件的位置間隔，使其整個裝置舒展美觀。

（4）CO氣體的制備裝置

如裝置圖2所示，通過雙孔橡膠塞將約為100mL分液漏斗安裝在250mL的錐形瓶上端，將帶有控制閥六的一段輸液導管一端接上硬質輸液尖嘴，并將其插入雙控橡皮塞，作為將制取的二氧化碳氣體通入圓底燒瓶的導氣管。

4.裝置的應用

（1）氨氣的制備、收集與檢驗

在盛有水的礦泉水瓶三中放入一兩片紅色石蕊試紙。打開控制閥一、控制閥四和控制閥五，關閉控制閥二和控制閥三，向盛有固體NaOH的500mL具支錐形瓶中注入濃氨水，會看到礦泉水瓶三中有大量氣泡冒出。若礦泉水瓶三中的紅色石蕊試紙變藍色，說明圓底燒瓶中氨氣已收集滿。停止向具支錐形瓶中注入濃氨水，并關閉控制閥一和控制閥五。

（2）氨氣的噴泉實驗

向已收集滿氨氣的圓底燒瓶中用帶軟管的10mL注射器注入5mL左右的水，打開控制閥三和控制閥四，礦泉水瓶二中的無色酚酞溶液在外界大氣壓的作用下被迅速壓入導管噴向圓底燒瓶，形成美麗的紅色噴泉。

（3）噴煙實驗

向具支錐形瓶中注入少量濃鹽酸，立即會有濃濃的白煙產生，白煙為氯化銨的固體小顆粒。此時，具支錐形瓶中氣壓減小，產生負壓。

（4）倒吸實驗

關閉控制閥三和控制閥四，打開控制閥一和控制閥二。在外界大氣壓的作用下，礦泉水瓶一中淺綠色的硫酸銅溶液被迅速壓入到具支錐形瓶中，觀察到有藍色氫氧化銅沉淀生成。

（5）排水洗滌

打開控制閥四，圓底燒瓶內的紅色溶液，從其下端的導管排出到礦泉水瓶三中，用50mL注射器向圓底燒瓶中注入清水，用清水洗滌圓底燒瓶瓶兩到三次。

（6）CO氣體的制備、收集與檢驗

撤去圖1中的礦泉水瓶三，將圖2所示的帶有控制閥六的導氣管接在其上。打開控制閥六，關閉其余所有控制閥。打開分液漏斗上的旋塞，向盛有碳酸鈣固體粉末的250mL錐形瓶中緩慢注入稀鹽酸，盛有紫色石蕊試液的礦泉水瓶三中立即有氣泡冒出。一段時間后，紫色的石蕊溶液變紅色，說明二氧化碳已收集滿，關閉控制閥六。

（7）CO氣體的噴泉實驗

用吸有氫氧化鈉濃溶液的注射器向圓底燒瓶中注入氫氧化鈉濃溶液后，打開控制閥三和控制閥五，會看到礦泉水瓶三中的紅色酚酞溶液再次被噴入圓底燒瓶中形成美麗的紅色噴泉。由于二氧化碳為酸性氣體，可以觀察到紅色噴泉顏色逐漸變淺。

5.裝置的優點

（1）省時環保

人教版普通高中化學必修1中關于氨氣的制備與噴泉實驗一方面準備工作繁雜，實驗耗時較長。另一方面制備的氨氣往往因漏氣、潮濕等導致噴泉實驗效果不理想。同時，教材上制取氨氣時，會使氨氣泄露在空氣中，不符合綠色化學的理念。改進后的實驗裝置，操作便利，極大地縮短了實驗時間，為教師課堂演示贏得了時間。同時，盡可能避免氨氣排放到空氣中，環保無污染，符合綠色化學理念。

（2）內容新穎

本實驗能讓學生學會在實驗室快速制取氨氣的方法和原理。實現氨氣的制備、收集、物理性質、化學性質檢驗一體化操作。同時，能對氨氣噴泉實驗原理進行拓展遷移，繼續用CO和氫氧化鈉濃溶液實現噴泉實驗，使學生加深對噴泉實驗原理的認識，進一步開闊視野。

（3）現象明顯

本實驗現象非常明顯，顏色變化多樣。現象一：無色酚酞溶液遇到堿性物質會變成紅色。氨氣引發的噴泉實驗，會使無色酚酞試液形成美麗的紅色噴泉。現象二：濃鹽酸遇到濃氨水會有白煙產生。因此，向氨氣的發生裝置中注入濃鹽酸，會產生噴白煙現象。現象三：硫酸銅溶液遇堿會生成美麗的藍色氫氧化銅沉淀。將盛有硫酸銅的稀溶液與氨氣的發生裝置連通，會產生劇烈的倒吸現象，并生成藍色的氫氧化銅沉淀。現象四：二氧化碳為酸性氣體，其與氫氧化鈉濃溶液引發的噴泉，會使得燒杯中的紅色酚酞溶液再次形成美麗的噴泉，但是溶液顏色會變淺，形成粉紅色的噴泉。

（4）生動有趣

本實驗操作簡單，現象明顯，滲透化學知識和物理知識，便于教師課堂演示，也便于學生進行探究性學習，如探討噴泉實驗的原理，探究各種現象產生的原因，討論可形成噴泉的固體和液體，以及進行裝置的再次改進，等等。由于本實驗現象明顯，顏色變化分明，還可進行趣味實驗。

（5）拓展空間廣闊

本實驗可連續進行多組噴泉實驗，為學生深入認識噴泉實驗原理，進行拓展遷移，靈活應用，進行多組氣液間的噴泉實驗提供開闊的拓展空間。除氨氣和酚酞溶液、二氧化碳與濃堿溶液的噴泉實驗外，還可進行HCl與水、二氧化硫與濃堿溶液、氯氣與濃堿溶液等引發的噴泉實驗。

6.注意事項

（1）裝置要保證干燥，氣密性良好。

（2）制取氨氣或CO要盡量將氣體收集滿。

（3）開關控制閥要注意次序和開關速度。

（4）氨氣的收集采用上端進氨氣，下端排空氣；CO氣體的收集采用從下端進CO氣體，上端尖嘴導管處排空氣。

（5）巧用丫形三通管連通儀器和妙用針管的多重功能。

隨著科學技術突飛猛進的發展和化學學科教學質量的不斷提高，技術創新已成為化學實驗室無時不有、無處不用的客觀存在。化學實驗創新就是化學實驗教學領域內的技術創新，是我們開展實驗改進、教具創新和探究實驗過程的重要措施和方法。每個實驗的設計、裝置的選定及實驗過程，無不蘊含著技術的思想和方法。因此，將通用技術的理念滲透到化學實驗教學中，用技術的思想和方法開展化學實驗，就是培養學生觀察現象能力、動手實踐能力、動腦設計能力、發現分析和解決問題能力等技術思想和方法的有效途徑，是提高學生技術素養的第二課堂活動內容。技術素養是當代青少年需要迫切提高和不能不具備的基本素養，而通用技術課程就是用以提升技術素養的供中學生必修的技術課程。相信通用技術在化學實驗中的實踐和應用，對廣大同學的發展具有廣泛遷移價值，它的實踐過程是“同學們主動建構知識、不斷拓展能力、形成良好情感態度與價值觀的過程，是一個富有生機、充滿探究、方式多元的過程”[1]。這一過程“一定會成為同學們豆蔻年華中夯實基礎、挑戰自我、享受創造與發展樂趣的美好生活的一部分”[2]。

參考文獻：

[1]顧建軍，等.技術與設計1[M].江蘇教育出版社，2009（5），第3版.

[2]顧建軍，等.技術與設計2[M].江蘇教育出版社，2009（5），第3版：041.