基于啟普發生器的實驗改進及原創試題命制

江西 謝葉歸 陳根鳳

氨氣的制備實驗是新人教版高中化學必修第二冊第五章第二節氮及其化合物的內容。現行的教材中采用氯化銨和氫氧化鈣固體在加熱條件下進行氨氣制備，在制備的過程中存在氨氣易泄露等情況，使得教師一般選擇不在課堂上進行演示實驗。《中國高考評價體系》提出了“一核四層四翼”的基本內涵和要求，加強對探究與創新能力的考查，筆者嘗試對氨氣的制備實驗進行改進，同時對創新型實驗裝置進行原創試題命制，以期對師生的高中化學學習有所幫助。

一、現行教材氨氣的制備實驗分析

表1 新人教版、新蘇教版、新魯科版實驗室制氨氣裝置示意圖

現行的三套教材均采用氯化銨固體和氫氧化鈣固體在加熱條件下制備氨氣，實驗裝置類似。但在實際教學過程中，筆者發現此實驗存在以下兩個問題：首先，上述實驗過程中耗能較大，不符合現在國家所提出的“碳中和”概念；其次，氨氣在收集過程中容易泄露，污染環境。

二、氨氣的制備創新實驗改進

2.1 實驗原理

2.2 實驗器材及藥品

實驗器材：啟普發生器、分液漏斗、集氣瓶、燒杯、普通漏斗、止水夾、導管若干；

實驗藥品：NaOH固體、堿石灰、濃氨水、水。

2.3 實驗步驟

①按照圖1所示組裝好裝置，并檢查裝置的氣密性。

圖1 氨氣的制備創新實驗裝置圖

②向啟普發生器中加入氫氧化鈉固體，從氣體出口處加入堿石灰，分液漏斗中加入濃氨水。

③打開分液漏斗及止水夾，逐滴加入濃氨水，產生的氨氣用集氣瓶進行收集，尾氣用水處理。

2.4 改進后的創新點

①相對于現行教材中的傳統實驗，該實驗過程中不需要額外消耗能量。

②實驗整體化。整個裝置組裝簡易，巧妙地將多個實驗融為一體，將氨氣的制取、干燥、收集、尾氣處理相結合，有效提升實驗的觀察效果，激發學生探究化學實驗的興趣，同時，發展學生的化學核心素養。

③實驗綠色化。相對于傳統實驗，操作簡單，成功率高，教學效果好。同時，該實驗藥品利用率較高，減少了環境污染。通過此實驗可培養學生的環保意識和綠色化學的理念。

④無需拆卸儀器，可反復多次實驗。

三、基于啟普發生器的原創試題命制

3.1 感悟高考真題

2017年中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于深化教育體制機制改革的意見》(以下簡稱《意見》)，《意見》指出，要注重培養支撐終身發展、適應時代要求的關鍵能力。在培養學生基礎知識和基本技能的過程中，強化對學生關鍵能力的培養。培學生養創新能力，激發其好奇心、想象力和創新思維，養成創新人格；鼓勵學生勇于探索、大膽嘗試、創新創造。其中2017年全國卷Ⅰ第10題實驗室用H2還原WO3制備金屬W的裝置引入啟普發生器，讓學生現場學習其類似于分液漏斗與錐形瓶的成套裝置，該實驗裝置具有“隨開隨用、隨關隨停”等優點，很好地考查學生創新思維能力。

【例1】(2017·全國卷Ⅰ·10)實驗室用H2還原WO3制備金屬W的裝置如圖2所示(Zn粒中往往含有硫等雜質，焦性沒食子酸溶液用于吸收少量氧氣)。下列說法正確的是

圖2

( )

A.①、②、③中依次盛裝KMnO4溶液、濃H2SO4、焦性沒食子酸溶液

B.管式爐加熱前，用試管在④處收集氣體并點燃，通過聲音判斷氣體純度

C.結束反應時，先關閉活塞K，再停止加熱

D.裝置Q(啟普發生器)也可用于二氧化錳與濃鹽酸反應制備氯氣

【答案】B

【解析】H2還原WO3制備金屬W，裝置Q用于制備氫氣，因鹽酸易揮發，則①、②、③應分別用于除去HCl和H2S、氧氣、水蒸氣，得到干燥的氫氣與WO3在加熱條件下制備W，實驗結束后應先停止加熱再停止通入氫氣，以避免W被重新氧化，以此解答該題。

氣體從焦性沒食子酸溶液中逸出，得到的氫氣混有水蒸氣，應最后通過濃硫酸干燥，故A錯誤；管式爐加熱前，應檢驗氫氣的純度，以避免不純的氫氣發生爆炸，可點燃氣體，通過聲音判斷氣體純度，聲音越尖銳，氫氣的純度越低，故B正確；實驗結束后應先停止加熱再停止通入氫氣，使W在氫氣的氛圍中冷卻，以避免W被重新氧化，故C錯誤；二氧化錳與濃鹽酸需在加熱條件下反應，而啟普發生器不能加熱，故D錯誤。答案為B。

3.2 原創試題命制

圖3

下列說法錯誤的是

( )

A.加熱前需先通入一段時間的H2

B.為保證H2的純度，裝置①中的鋅粒可以用還原鐵粉代替

C.裝置⑤幾乎不產生氣泡，則該反應幾乎完成

【答案】B

【原創試題2】圖4為實驗室制備氧釩(Ⅳ)堿式碳酸銨晶體(NH4)5[(VO)6(CO3)4(OH)9]·10H2O裝置示意圖，其中VO2+能被O2氧化，下列說法錯誤的是

圖4

( )

A.裝置①(啟普發生器)也可用于實驗室制備H2S氣體

B.裝置②中盛的試劑為飽和食鹽水，其作用為除去CO2中的HCl氣體

C.實驗過程中應該先打開活塞K，再打開活塞b

D.實驗③得到氧釩(Ⅳ)堿式碳酸銨晶體表面含有氯離子

【答案】B

【解析】實驗室可用ZnS或FeS固體與稀H2SO4反應制H2S，該反應可在啟普發生器中發生，故A正確；裝置②中盛的試劑應為飽和碳酸氫鈉溶液，其作用為除去CO2中的HCl氣體，故B錯誤；由題干可知，VO2+能被O2氧化，裝置①是制取二氧化碳，裝置②是除去雜質HCl，裝置③中發生反應制取氧釩(Ⅳ)堿式碳酸銨晶體，實驗操作時，應該先制取二氧化碳，使二氧化碳充入整套裝置后再打開b中活塞加入VOCl2溶液，制取晶體，防止VOCl2被氧化，故C正確；由反應原料VOCl2可知，實驗③得到氧釩(Ⅳ)堿式碳酸銨晶體表面含有氯離子，故D正確。

圖5

( )

A.實驗過程中應先往三頸燒瓶中滴入H2SO4溶液，后打開啟普發生器活塞

C.待三頸燒瓶和燒杯中產生氣泡的速率接近相等時關閉啟普發生器活塞

D.硫酸溶液的作用為使溶液酸化利于H2S逸出

【答案】A

四、復習與備考建議

實施新高考改革的省市，從2020年起，取消考試大綱，命題“依據高中課程標準，參考高考評價體系”。提出這一命題，是基于適應新時代對高考內容改革提出的新要求、新挑戰。為此筆者提出如下建議以供參考：

4.1 深化課堂教學改革

按照教學計劃循序漸進開展教學，提高課堂教學效率，以歷年高考真題為導向，創新設計課堂實驗，打破原有知識的孤立性和零散性，促進學生系統掌握各學科基礎知識、基本技能、基本方法，培養適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。

4.2 深化試題命制改革