氨與氯化氫反應的定量實驗設計

王發(fā)應

摘要：針對教材中氨與氯化氫反應實驗現(xiàn)象不明顯、易造成環(huán)境污染等不足，利用醫(yī)用注射器進行創(chuàng)新設計，不僅解決了教材實驗方法存在的不足，還將原來的定性實驗從定量的角度進行了研究。同時，將實驗的功能進行了拓展，使其具有驗證“分子運動”、“阿伏伽德羅定律”和“氣體擴散定律”等多種功能，擴大了學生的視野，降低了實驗成本，增強了實驗教學效果。

關鍵詞：氨與氯化氫反應；分子運動氣體擴散定律；阿伏伽德羅定律；測定空氣中氧氣含量

文章編號：1005-6629（2016）1-0069-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

人教版高中化學1（必修）第98頁圖4-28的氨與氯化氫的反應，實驗裝置簡單、操作方便，但因實驗是在敞開的體系中進行的，實驗中濃氨水和濃鹽酸揮發(fā)出的氨和氯化氫氣體分散到空氣中，不僅污染環(huán)境，而且只有少部分接觸生成微小的NH4Cl固體，分散在空氣中而形成白煙。由于空氣的流動，形成的白煙很快消散到空中，實驗現(xiàn)象很不明顯，近處的學生只能在短時間內看到現(xiàn)象，稍遠的學生就會觀察不到任何現(xiàn)象，教學效果不理想。為此，筆者查閱了有關該實驗改進的眾多文獻，發(fā)現(xiàn)這些文獻只是從定性的角度進行分析和探討，于是筆者利用醫(yī)用注射器從定量的角度對該實驗進行了研究。通過多次嘗試和改進，取得了較好的實驗教學效果。不僅使氨與氯化氫的反應在一密閉裝置中進行，避免了環(huán)境污染，增強了實驗現(xiàn)象，從定性的角度說明分子運動和氣體擴散定律，而且由于注射器上帶有刻度，還能從定量的角度測量兩種氣體間反應的體積關系，從而驗證阿伏伽德羅定律。現(xiàn)介紹如下，供同行參考。

1.實驗原理

（1）無色的氨氣和氯化氫氣體反應，生成白色的氯化銨固體，細小的氯化銨固體顆粒分散在空氣中形成白煙：

NH3（無色氣體）+HCl（無色氣體）=NH4Cl（白色固體）。

（2）分子總是在不斷運動（分子運動論之一）。

（3）同溫同壓下，相同體積的任何氣體含有相同的分子數(shù)（阿伏伽德羅定律）。

（4）同溫同壓下各種不同氣體擴散速度與氣體密度的平方根成反比（氣體擴散定律）。

2.研究思路

（1）實驗中所用的濃氨水和濃鹽酸揮發(fā)出的氨氣和氯化氫氣體均為有毒有害氣體，如按教材方法進行操作，兩種氣體分散到空氣中，會污染環(huán)境，危害師生健康。如要解決實驗的污染問題，就必須讓兩種氣體在一密閉容器中反應。

（2）我們研究的最終目的是該實驗的定量反應設計，實驗過程要能顯示氣體體積的變化情況，那就需要能比較準確地量取兩種氣體的裝置或儀器。而這種裝置或儀器還要具有操作簡單方便、氣密性好等特點。而玻璃注射器不僅帶有刻度，而且其活塞與筒壁間能根據(jù)裝置內外的壓強大小自動移動，從而自動顯示反應過程中氣體總體積的變化情況，因此是該實驗的最佳儀器。

（3）針對教材實驗現(xiàn)象不明顯的問題，所改進的實驗須使得參加反應的氣體的量足夠多，從而產生較多的白煙，以增加實驗的可見度，最終達到增強實驗現(xiàn)象的目的。因此我們選擇兩支20mL玻璃注射器來分別抽取氨氣和氯化氫氣體。

（4）在試驗的過程中我們發(fā)現(xiàn)，如果用一根細管將兩支注射器直接連接，則反應中產生的氯化銨固體有時會堵塞注射器出口和中間的細管，或者附著在注射器筒壁，影響活塞的移動，影響實驗效果。為此我們用一容積較大的直玻管（或50mL注射器筒截去前端部分制成的透明塑料筒）在兩端配一單孔塞（其孔徑比注射器針頭柱外徑稍小）來連接并固定兩支注射器（筒內空氣對實驗無影響），不僅避免了氯化銨固體堵塞注射器出口和影響活塞移動的問題，而且反應產生的白煙主要停留在中間的直管中，能長時間保存和觀察，實驗現(xiàn)象非常明顯。

3.實驗裝置

實驗裝置如圖l所示。

4.實驗方法、現(xiàn)象及解釋

如圖2所示。

（1）用兩支20mL玻璃注射器，一支抽取10mL干燥的氨氣（或氯化氫氣體），另一支抽取20mL干燥的氯化氫氣體（或氨氣），然后按圖1所示組裝好反應裝置，并靜置在桌面上。

（2）開始時，塑料注射器筒內靠近盛有氯化氫氣體的玻璃注射器一端的直管內先出現(xiàn)白煙，這一現(xiàn)象說明了兩個問題：①分子在不停地運動；②氨氣的密度較小，氣體擴散速率大。

（3）隨后，白煙逐漸充滿中間的直管，并逐漸向盛有氯化氫氣體的玻璃注射器內蔓延，兩支玻璃注射器的活塞迅速向內移動。產生這一現(xiàn)象的原因是，兩種氣體快速發(fā)生反應，生成氯化銨固體，導致裝置內氣體壓強迅速減小，在大氣壓的作用下，注射器的活塞迅速向內移動。

（4）約2分鐘后反應結束，裝置內壓強不再減小，當裝置內、外壓強相等時兩支注射器活塞移動停止。將其中—支玻璃注射器的活塞歸零，發(fā)現(xiàn)另一支注射器中剩余氣體的體積恰好為10mL。而且無論推動哪支注射器活塞，最終另一支注射器中剩余氣體的體積都恰好為10mL，這一現(xiàn)象說明：在常溫常壓下氯化氫氣體和氨氣是等體積反應的，從而驗證了阿伏伽德羅定律，“常溫常壓下，相同體積的任何氣體含有相同數(shù)目的分子”。

（5）取下活塞歸零后的注射器，將中間的連接管插入盛有紫色石蕊（或無色酚酞）試液的燒杯中，推動收集有剩余氣體的注射器活塞，將剩余氣體推人紫色石蕊（或無色酚酞）試液中，溶液變紅。說明剩余氣體為所抽取的20mL的那種氣體（氯化氫氣體或氨氣）。

（6）反復推拉注射器活塞，進行抽取和推出液體的操作，使剩余氣體和反應產生的氯化銨固體充分溶解，以消除污染。由于氯化銨是一種常用化肥，實驗結束后可將廢液倒入花園中，不僅能避免環(huán)境污染，還能給花草施肥，起到了廢物利用的作用。

5.改進后實驗的特點

5.1有利于環(huán)保

改進后的實驗在密閉裝置中進行，無氣體泄漏，又對尾氣進行了水處理，無環(huán)境污染。

5.2現(xiàn)象明顯，可視性好

改進后的實驗在密閉裝置中進行，兩種氣體比較集中，產生的白煙多，且不受空氣流動的影響，能夠長時間觀察。兩端的氣體為無色，而中間反應的產物為白煙，現(xiàn)象對比明顯，可視性好。還可在教室內讓學生互相傳看，使每個學生都能清楚地觀察實驗現(xiàn)象，提高學生課堂教學的參與度，從而提高教學效果。

5.3操作簡單

由于玻璃注射器活塞與筒壁間摩擦小，其活塞能根據(jù)裝置內外的壓強大小自動移動，保持裝置內外的壓強大小一致。所以只需將裝置組裝好后靜置在桌面上，直到反應結束，最后進行剩余氣體的體積讀取和性質檢驗即可，中間反應過程不需要進行任何操作。

5.4多功能

一套簡單的裝置，卻能用來證實①氨氣與氯化氫氣體極易發(fā)生反應；②分子運動；③氣體擴散定律；④阿伏伽德羅定律這四個基本化學原理或定律，起到了一器多用的作用。

6.拓展應用

該實驗設計除了能用于改進氨與氯化氫反應的實驗外，去掉中間的連接管，用一個單孔塞（孔徑比針頭柱外徑稍小，便于固定和密封兩支注射器）將兩支注射器連接后，還能用來改進測定空氣中氧氣含量的實驗，操作方法如下。

6.1實驗方法

將其中一支注射器取下，連接在NO氣體發(fā)生器上收集10mL NO氣體后，將其與另一支吸有20mL空氣的注射器分別插在單孔塞兩端的孔中（如圖3a所示），反復推拉其中一支注射器活塞，使NO氣體與空氣中的氧氣充分反應（裝置中的氣體變?yōu)榧t棕色），約2分鐘后將裝置平放在桌面上，靜置，當注射器活塞停止不動后，一只手捏住其中一支注射器筒，另一只手輕輕推動該注射器活塞，慢慢調整使其活塞停留在20mL刻度處，而另一支注射器活塞會自動移動到另一刻度處。讀取兩支注射器中氣體的體積后相加，即得反應后氣體的總體積（如圖3b所示）。重復實驗2～3次，結果測得反應后剩余氣體的平均體積約為25.7mL。實驗結束，將剩余氣體注入濃氫氧化鈉溶液中吸收，以避免污染環(huán)境（實驗條件：98.3kPa，23℃）。