有關含氮元素物質實驗的改進及創新

摘要：以氨氣噴泉實驗、氨和氯化氫反應、銅與濃硝酸反應三個實驗改進為例，讓學生在掌握新知識的同時，借助化學實驗，培養觀察現象、分析問題和解決問題的能力；通過實驗改進，開發學生潛能，發展學生個性，拓展學生視野。

關鍵詞：實驗改進與創新；氨氣噴泉實驗；氨和氯化氫反應；銅與濃硝酸反應

文章編號：1005–6629（2017）2–0069–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學是一門以實驗為基礎的自然學科，高中化學課程標準中明確指出要“樹立綠色化學思想、形成綠色化學的觀念”，表明綠色化學思想已成為化學課程與教學的一項重要的目標和內容。新課改理念中強調要突出化學實驗在教育教學中的重要性。《基礎教育課程改革綱要（試行）》中倡導學生要主動參與、樂于探究、勤于動手，提高搜集和處理信息、獲取新知識、分析和解決問題以及交流與合作的能力，增強社會責任感；教師應創設能引導學生主動參與的教育環境，激發學生的學習積極性，培養學生掌握和運用知識的態度和能力，使每個學生都能得到充分的發展。

在高中化學教學中，人教版化學1（必修）教材第四章的氮族元素主要介紹含氮元素的物質，包括：氮氣、氮的氧化物、硝酸及硝酸鹽等。元素化合物在高中階段屬于重要的學習內容，對元素化合物的學習通過化學實驗以及實驗改進與創新來展開，有助于學生在學習掌握新知識的同時，借助化學實驗培養觀察現象、分析問題、解決問題的能力。通過實驗改進，開發學生潛能，發展學生個性，拓展學生視野，提升學生的科學素養。本文主要以“氮族元素”為例，介紹幾則有關含氮元素物質的實驗改進，以供參考借鑒。

1 實驗室制氨氣及噴泉實驗的改進

儀器：小試管、膠頭滴管、圓底燒瓶（集氣瓶等）、帶導氣管的單孔塞、礦泉水瓶、棉花、鑷子

藥品：氯化銨、氫氧化鈉、濃氨水，紅色石蕊試紙（或濃鹽酸）、水

原理：NaOH固體溶于水放熱，促進NH3·H2O分解放出NH3。

改進方案（見圖1、2）：

改進優點：

（1）教材中的實驗方案是對混合物氯化銨和氫氧化鈣固體加熱制備氨氣，反應裝置需要酒精燈進行加熱[1]；而本改進實驗裝置簡單，操作方便，不需要加熱裝置，只需要向盛有氯化銨和氫氧化鈉混合物的試管中加入濃氨水于常溫下即可快速制備氨氣。

（2）噴泉實驗改進后，實驗現象明顯，通過礦泉水瓶變形，可讓學生直觀地看到瓶內外形成了壓強差。

2 氨氣和氯化氫反應實驗的改進實驗

儀器：小試管、橡膠塞、注射器針頭、棉花

藥品：濃氨水、濃鹽酸、冷水

原理：濃氨水和濃鹽酸易揮發，氣體相遇形成白煙。

NH3+HCl=NH4Cl

改進方案（見圖3）：

改進優點：

（1）實驗儀器常規，操作過程簡單。

（2）藥品用量少，只需向棉花上滴幾滴濃氨水或濃鹽酸，現象明顯。

（3）實驗在密閉儀器中進行，氣體不會逸出，不會污染環境，體現綠色環保理念。

替代儀器：用帶瓶蓋的廣口瓶，分別向瓶蓋內部和瓶底部滴幾滴濃氨水和濃鹽酸即可（也可將廣口瓶換成培養皿）；或用橡膠管連接的2個干燥管，擠壓膠頭滴管使少量濃鹽酸或濃氨水進入干燥管中，打開止水夾，觀察現象即可（如圖4）；也可用圖5裝置進行該實驗，兩支注射器分別裝濃鹽酸和濃氨水，推動注射器壓縮柄使少量試劑進入試管中即可觀察實驗現象。這些儀器改進均使氨和氯化氫反應在密閉容器中進行，不會污染環境，雖然藥品用量極少，但現象非常明顯。

3 銅與濃硝酸反應實驗的改進

3.1 改進一[2]

儀器：燒杯、2支塑料注射器（規格：5mL和20mL）、塑料輸液袋（規格：100mL）

藥品：細銅絲、濃硝酸、蒸餾水

實驗原理：

銅與濃硝酸反應產生紅棕色氣體二氧化氮，二氧化氮遇水反應產生無色氣體一氧化氮，一氧化氮遇空氣又變為紅棕色氣體二氧化氮。

Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

3NO2+H2O=2HNO3+NO

2NO+O2=2NO2

改進方案（見圖6）：

用一注射器吸取少量濃硝酸（約2mL）注入空的透明塑料輸液袋。將細銅絲繞成圈放于另一注射器內，排除空氣，插入上述裝有濃硝酸的塑料輸液袋，抽提注射器壓縮柄使袋內濃硝酸進入針筒內。觀察反應現象一段時間后，按下注射器壓縮柄，使注射器內的氣體、液體進入輸液袋內，拔出注射器。用注射器向輸液袋中注入蒸餾水（約10mL），充分振蕩，產生的紅棕色氣體NO2與H2O充分反應，觀察到紅棕色氣體變為無色氣體NO。再用注射器向輸液袋中注入空氣（約15mL）（注：此時不振蕩），NO與O2反應，觀察到無色氣體又變為紅棕色氣體NO2。充分振蕩，觀察到紅棕色氣體又變為無色氣體NO。

改進優點：

（1）實驗裝置簡單，不僅節約材料和藥品，且操作方便，現象明顯，具有趣味性。

（2）實驗便于控制，可隨時停止，操作安全。

（3）突出環保意識，雖然實驗中產生NO和NO2都是有害氣體，但在整個實驗中沒有泄漏，且尾氣處理在密閉的體系內進行，不會造成環境污染，實現了實驗的綠色化。

（4）輸液袋還可以作為NO2氣體的儲存裝置，便于取用。

（5）該裝置具有多功能性：可作為NO2和NaOH溶液反應、NO與NO2混合氣體和NaOH溶液反應、化學平衡移動知識中NO2和N2O4相互轉化的實驗裝置，探究銅和濃硝酸反應溶液的顏色變化等。

3.2 改進二

儀器：大試管、小試管、橡膠塞2個、帶膠頭滴管的橡膠塞1個

藥品：銅片、濃硝酸、濃氫氧化鈉溶液

實驗原理：

銅與濃硝酸反應產生紅棕色氣體二氧化氮和硝酸銅溶液，二氧化氮遇氫氧化鈉溶液反應被吸收，硝酸銅溶液與氫氧化鈉溶液反應產生藍色沉淀。

Cu+4HNO3（濃）=Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O

Cu（NO3）2+2NaOH=Cu（OH）2↓+2NaNO3

改進方案（見圖7）：

將放有銅片的小試管放入盛有少量NaOH溶液的大試管中，塞緊帶膠頭滴管（滴管內盛有濃硝酸）的橡膠塞，擠壓滴管滴入幾滴濃硝酸于小試管中與銅片接觸，觀察到有紅棕色氣體產生；停止反應時，傾斜試管使大試管中的氫氧化鈉溶液與小試管中的溶液混合即可。

改進優點：

（1）實驗操作簡單，現象明顯，在密閉體系中進行實驗，對環境無污染，實現零排放，有利于學生樹立環保意識。

（2）通過實驗，讓學生從氧化還原理論知識的角度，了解產物NO2和氫氧化鈉的反應，掌握 NO2的尾氣處理方法。

（3）傾斜該裝置，使小試管內反應后的溶液和大試管中的溶液接觸，觀察現象——產生藍色沉淀，引導學生分析推斷其原因，即：產物Cu（NO3）2溶液和NaOH溶液發生了反應。

可將大小不同的兩個試管換成其他儀器，如不同大小的培養皿[3]，或內部放小試管的廣口瓶[4]（見圖8），或連續反應裝置[5]等。

化學實驗是高中化學教學的重要手段，借助化學實驗學生不僅可以學習掌握新知識，還可通過發現和改進化學實驗的問題有助于培養學生的實驗設計、改進與創新能力、實驗觀察能力、實驗操作能力及表達能力，有助于培養學生創造性思維，開發學生潛能，發展學生個性。作為一線化學教師，在日常教學活動中，應重視對教材中現有的化學實驗的改進與創新。

參考文獻：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（第三版）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2]代黎娜，王小慶.銅與濃硝酸反應實驗的創新[J].中國現代教育裝備，2015，（10）：64～65.

[3]彭曉泉.銅與濃、稀硝酸反應的投影實驗[J].中學化學教學參考，2002，（5）：43.

[4]李東林.銅和濃硝酸反應實驗的改進操作[J].中學化學教學參考，1998，（8～9）：57.

[5]葉永謙，張賢金，吳新建.銅與濃、稀硝酸連續反應演示實驗的再改進[J].化學教學，2016，（7）：60～63.