基于綠色理念的氨的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王秀榮 聞鈺

關(guān)鍵詞：綠色化學(xué);氨的制備;性質(zhì)實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新設(shè)計(jì)

一、問題的提出

綠色化學(xué)已成為現(xiàn)代化學(xué)教育的主要發(fā)展方向。綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)等，是一門研究如何利用化學(xué)原理從源頭上減少和消除工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境污染的科學(xué)，其最大特點(diǎn)是在始端采用預(yù)防污染的科學(xué)手段提高原料的利用率，最終實(shí)現(xiàn)零排放和零污染。如何通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生進(jìn)一步領(lǐng)悟綠色化學(xué)的宗旨并逐步培養(yǎng)綠色化學(xué)的意識是當(dāng)前化學(xué)教學(xué)中所面臨的緊迫問題，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的微型化、綠色化研究正日漸成為中學(xué)化學(xué)教學(xué)中熱門的研究課題。

氨的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)。不同版本教材對氨氣的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)均獨(dú)立設(shè)計(jì)，氯化銨與氫氧化鈣固體混合共熱制氨耗時(shí)較長，且運(yùn)用向下排空氣法收集氨氣極易造成氨氣逸散，不利于實(shí)驗(yàn)人員的安全。人教版必修一中氨的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)——白煙實(shí)驗(yàn)采用開放性設(shè)計(jì)，即用兩根玻璃棒分別蘸取濃鹽酸和濃氨水相互靠近，雖白煙現(xiàn)象明顯，但逸散的氣體極易造成環(huán)境污染，不利于師生的身心健康。查閱大量文獻(xiàn)資料知，當(dāng)前對氨的制備與噴泉實(shí)驗(yàn)改進(jìn)較多，且大多集中在噴泉的形成原理與方法研究上，對性質(zhì)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立研究改進(jìn)的較多，綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)研究較少，尤其是運(yùn)用常規(guī)儀器創(chuàng)新設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)更少。經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐與探索，筆者運(yùn)用常規(guī)儀器與試劑將氨的制備與多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)及尾氣處理綜合在一起進(jìn)行一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)示范性強(qiáng)，現(xiàn)象引人人勝、對比度高，實(shí)驗(yàn)過程中幾乎無氨泄漏與殘留，極大地消除了師生實(shí)驗(yàn)中的畏懼心理，且十分符合綠色化學(xué)的環(huán)保理念。

二、氨的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的

本實(shí)驗(yàn)將氨的制備與性質(zhì)及尾氣處理綜合在一起進(jìn)行一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置密閉，不僅節(jié)約試劑，而且可控速率，既保證了實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性，又可分段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，非常適合教學(xué)示范。該實(shí)驗(yàn)運(yùn)用氫氧化鈉固體與濃氨水常溫反應(yīng)快速制備少量氨，省時(shí)高效。性質(zhì)實(shí)驗(yàn)不僅改進(jìn)了氨的噴泉實(shí)驗(yàn)與白煙實(shí)驗(yàn)，而且增設(shè)了氨與濃硫酸、氯氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。尾氣處理設(shè)計(jì)巧妙，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了污染氣體零排放。

2.實(shí)驗(yàn)用品

具支試管、干燥管、注射器（10mL兩支、20mL一支、50mL一支）、燒瓶（50mL）、小燒杯、小試管（三支）、鐵架臺、橡膠塞、輸液管小開關(guān)（2個(gè)）、試管架、濃氨水、氫氧化鈉固體、堿石灰、醋酸溶液、濃鹽酸、濃硫酸、氯氣、乙醇溶液（水和無水乙醇體積比1：1混合）、蒸餾水、紅色石蕊試紙、自制紫甘藍(lán)指示劑溶液（用醋酸溶液調(diào)節(jié)pH至3.7左右）

3.實(shí)驗(yàn)原理

氨的制備采用濃氨水（2mL）與氫氧化鈉固體（3g），無需加熱，在常溫下即可快速制備氨，再通過堿石灰干燥，即得干燥純凈的氨氣。

性質(zhì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)首先改進(jìn)了氨極易溶于水的噴泉實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用自制紫甘藍(lán)指示劑溶液替代常規(guī)的水加無色酚酞溶液，使噴泉的顏色由單一紅色變得絢麗多彩，大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性（表1）。其次，設(shè)計(jì)了氨與揮發(fā)性酸、難揮發(fā)性酸反應(yīng)的對比實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)深刻理解白煙實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)原理。另，增設(shè)了氨與氯氣的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，該反應(yīng)充分體現(xiàn)了氨的還原性，通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解工業(yè)上檢測輸送氯氣管道是否漏氣的方法。

氨的尾氣吸收試劑將常規(guī)的水或稀硫酸溶液改為水與無水乙醇以體積比1：1混合而成的乙醇溶液。實(shí)驗(yàn)表明，氨在乙醇溶液（1：1）中溶解較多且速率平穩(wěn)，故用乙醇溶液（1：1）不僅可以充分吸收逸出的氨氣，而且不用增加常規(guī)的防倒吸裝置。

4.實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象分析

（1）檢查裝置氣密性。如圖1所示連接好裝置，打開開關(guān)1，關(guān)閉開關(guān)2，使整個(gè)裝置密閉。緩慢向上推大注射器活塞一段距離，觀察小注射器的活塞是否向上移動(dòng)，松開大注射器活塞，觀察，若大小注射器活塞均回到原來的位置，則說明裝置氣密性良好。

（2）裝入試劑，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。向裝置左側(cè)具支試管中加入3g氫氧化鈉固體，將裝有2mL濃氨水的小注射器塞在該具支試管上方，干燥管內(nèi)裝入適量的堿石灰，大注射器內(nèi)吸入約60mL自制紫甘藍(lán)指示劑溶液，連接在50mL的燒瓶口處，燒杯中加入約50mL乙醇溶液（1：1）。如圖1連接好整個(gè)裝置。在兩支小試管中分別滴入兩滴濃鹽酸和濃硫酸，塞上橡膠塞。再用快速制備氯氣（高錳酸鉀固體與濃鹽酸常溫反應(yīng)）的方法收集少許氯氣于另一小試管中，塞緊橡膠塞。將三支小試管置于試管架上待做氨氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

（3）有序?qū)嶒?yàn)，觀察現(xiàn)象。

①打開開關(guān)1、2，向具支試管內(nèi)緩慢滴入濃氨水，觀察現(xiàn)象，可見試管內(nèi)迅速產(chǎn)生大量的無色氣體，右側(cè)盛有乙醇溶液的小燒杯內(nèi)的導(dǎo)管口處逐漸有氣泡冒出，且速率不斷加快，待氣泡連續(xù)均勻冒出時(shí)，將導(dǎo)管稍稍提出液面，迅速用濕潤的紅色石蕊試紙檢測該氣體（同時(shí)可聞到氨的刺激性氣味），若試紙變藍(lán)，說明氨氣已集滿，此時(shí)可關(guān)閉開關(guān)2，停止滴加濃氨水，將具支試管上方的注射器換成一支20mL的空注射器，然后關(guān)閉開關(guān)1，用該注射器抽取具支試管內(nèi)剩余的氨氣，留做后面的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。此環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，不僅獲得了性質(zhì)實(shí)驗(yàn)所用的氨氣，而且處理了裝置內(nèi)殘留的大量氨。

②將大注射器的活塞快速向上推入少許，使少量紫甘藍(lán)指示劑溶液噴入燒瓶內(nèi)，仔細(xì)觀察現(xiàn)象，可見注射器活塞自動(dòng)迅速向上移動(dòng)，燒瓶內(nèi)形成絢麗多彩的美麗噴泉。如圖2所示。噴泉實(shí)驗(yàn)的形成說明氨極易溶于水且溶液呈堿性，由于噴入燒瓶內(nèi)的紫甘藍(lán)溶液由少漸多，使得燒瓶內(nèi)溶液的pH值不斷變化，故噴泉顏色呈現(xiàn)了令人驚嘆、引人入勝的多彩變化。

③將注射器內(nèi)抽取的氨氣分別快速推入裝有濃鹽酸和濃硫酸的小試管中少許，觀察現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)裝有濃鹽酸的小試管內(nèi)迅速產(chǎn)生大量的白煙，而裝有濃硫酸的小試管中并無此現(xiàn)象，稍后可見該試管壁上附著少量白色固體，該實(shí)驗(yàn)充分說明氨具有堿性，但只與揮發(fā)性濃酸反應(yīng)產(chǎn)生白煙現(xiàn)象，運(yùn)用該反應(yīng)獨(dú)特而顯明的現(xiàn)象可進(jìn)行氨氣與揮發(fā)性酸的互檢。

④將注射器內(nèi)剩余的少量氨氣快速推人到裝有少量氯氣的小試管中，可見試管內(nèi)迅速產(chǎn)生大量的白煙，說明氨與氯氣反應(yīng)劇烈且有白色固體物質(zhì)生成。分析原理知，氨氣表現(xiàn)還原性，氨與強(qiáng)氧化性的氯氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成氯化銨和氮?dú)狻Ｒ驅(qū)嶒?yàn)中有氮?dú)馍桑蕦?shí)驗(yàn)中氯氣與推入的氨氣少量即可，現(xiàn)象明顯且實(shí)驗(yàn)安全（如圖3所示）。

（4）處理尾氣，巧妙環(huán)保。實(shí)驗(yàn)完畢后，用注射器向具支試管內(nèi)注入適量的水以吸收裝置內(nèi)殘留的氨氣，實(shí)現(xiàn)氨氣零排放。整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中尾氣處理共分三部分，第一部分，設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)裝置最后，將導(dǎo)氣管伸入盛有乙醇溶液（1：1）的小燒杯中，用以吸收反應(yīng)后逸出的氨氣，原理解釋可使學(xué)生了解到氫鍵與物質(zhì)溶解性的關(guān)系。第二部分，設(shè)計(jì)在氨氣集滿后關(guān)閉開關(guān)1、2，用注射器抽取裝置內(nèi)剩余的氨氣留做氨的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。第三部分，設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)完成后，用注射器向發(fā)生裝置內(nèi)打入適量的水，運(yùn)用氨極易溶于水的性質(zhì)特點(diǎn)將裝置中殘留的氨全部吸收，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)完畢后無氨殘留，綠色環(huán)保。

三、實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新研究及意義

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)綜合性強(qiáng)、微型微量

該實(shí)驗(yàn)將氨的制備、性質(zhì)及尾氣處理綜合在一起進(jìn)行了一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)，試劑用量少，僅用了2mL的濃氨水和3g氫氧化鈉固體制備氨，氨與酸反應(yīng)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，濃鹽酸與濃硫酸均使用了兩滴，所用氨氣則是用注射器從制備收集后的裝置內(nèi)抽取的剩余氨，不僅減少了試劑的用量，而且變廢為寶，為處理尾氣大大減負(fù)。

2.實(shí)驗(yàn)操作簡便易行、省時(shí)高效

氨氣的制備運(yùn)用快速制氨法，簡便易行，通過控制濃氨水的滴速來控制氨的制備速率及整個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)中可隨時(shí)控制反應(yīng)的起止，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣、省時(shí)高效，既保證了裝置的密閉性，又可分段實(shí)驗(yàn)，便于教學(xué)觀察與示范。

3.彩色噴泉、白煙實(shí)驗(yàn)，展現(xiàn)化學(xué)神秘美感

該實(shí)驗(yàn)通過彩色噴泉絢麗多彩的顏色變化向?qū)W生展現(xiàn)化學(xué)神秘莫測而又美麗的一面，大大激發(fā)了學(xué)生探究化學(xué)的強(qiáng)烈欲望，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的濃厚興趣;小試管內(nèi)進(jìn)行的白煙實(shí)驗(yàn)，采用對比法，現(xiàn)象明顯、保持時(shí)間長且無污染，便于實(shí)驗(yàn)中移動(dòng)觀察;性質(zhì)實(shí)驗(yàn)增加的氨與氯氣的反應(yīng)，不僅體現(xiàn)了氨的還原性，而且通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解并感受了工業(yè)上檢測輸送氯氣管道是否漏氣的方法。通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生深刻領(lǐng)悟了綠色化學(xué)的理念及化學(xué)源于生活服務(wù)于生活的學(xué)科特點(diǎn)。

4.尾氣處理巧妙創(chuàng)新，凸顯綠色化學(xué)理念

實(shí)驗(yàn)裝置密閉、無氨外逸、無氨殘留、綠色環(huán)保，尤其是氨的尾氣處理匠心獨(dú)運(yùn)，設(shè)計(jì)十分巧妙，主要體現(xiàn)在如下三個(gè)方面：一是裝置后尾氣吸收試劑換為乙醇溶液（1：1），不僅可以充分吸收氨，而且可以很好地防倒吸;二是氨氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)——氨與酸的反應(yīng)及氨與氯氣的反應(yīng)利用裝置內(nèi)剩余的氨氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅減少了試劑用量，而且變廢為寶;三是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用水處理裝置內(nèi)殘留的氨，實(shí)現(xiàn)氨氣零排放，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)非常符合綠色化學(xué)理念。