多色雙噴泉實(shí)驗(yàn)

張阿芳 陳波 陳啟明

關(guān)鍵詞：多色雙噴泉實(shí)驗(yàn);氨氣;氯化氫;實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)探究

1研究背景分析

噴泉實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)在三個(gè)版本的高中教材里均有出現(xiàn)，滬教版還提到氯化氫的噴泉實(shí)驗(yàn)，因現(xiàn)象震撼，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，適合用作課堂演示實(shí)驗(yàn)。目前相關(guān)的文獻(xiàn)研究大多是基于實(shí)驗(yàn)的某一環(huán)節(jié)做出改進(jìn)，如增加制取氨氣的裝置、更換實(shí)驗(yàn)藥品、改變引發(fā)噴泉的方式提高實(shí)驗(yàn)成功率，設(shè)計(jì)一體化實(shí)驗(yàn)將氨氣的制取、噴泉、性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合改進(jìn)等。熊言林等人利用氨氣豐富的化學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)一種反復(fù)變色的噴泉，通過(guò)控制止水夾將多種現(xiàn)象融于一體，具有色彩融合的思維。另外還有作者從教學(xué)內(nèi)容出發(fā)，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生探究二氧化硫噴泉實(shí)驗(yàn)的可行性，將理論與實(shí)際相結(jié)合，更加具有教育意義。

上述改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案仍存在以下問(wèn)題：（1）缺乏足夠的吸引力。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置大多是單瓶噴泉，且未設(shè)計(jì)成方便增減的實(shí)驗(yàn)?zāi)K單元，規(guī)模較小，難以激發(fā)學(xué)生的興趣。（2）現(xiàn)象單調(diào)，持續(xù)時(shí)間短。實(shí)驗(yàn)使用的圓底燒瓶一般是250mL，噴泉引發(fā)后酚酞水溶液在燒瓶?jī)?nèi)迅速變紅，持續(xù)10s左右即停止，效果不佳。（3）容易形成定勢(shì)思維，缺乏創(chuàng)新性。大多數(shù)研究依然沿用了氨氣和酚酞水溶液來(lái)設(shè)計(jì)噴泉實(shí)驗(yàn)，事實(shí)上只要通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)制造壓強(qiáng)差就能實(shí)現(xiàn)噴泉。席改卿等人提出用建構(gòu)主義思想幫助學(xué)生打破定勢(shì)思維，并設(shè)想得到氯化氫、氨氣的噴煙現(xiàn)象，但并未深入探討噴泉和白煙相結(jié)合的實(shí)施方案，缺乏對(duì)學(xué)生進(jìn)行“模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成教育?；谏鲜鰡?wèn)題，本實(shí)驗(yàn)利用氨氣易溶于水和氯化氫氣體與堿液反應(yīng)的性質(zhì)，同時(shí)進(jìn)行雙噴泉實(shí)驗(yàn)。原理上，實(shí)驗(yàn)巧妙利用氨氣和氯化氫的反應(yīng)，制造白煙繚繞的奇幻現(xiàn)象，且白煙的生成量可以指示集氣完成情況，解決了以往氣體泄漏的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)自行設(shè)計(jì)、定制的三頸燒瓶實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置的一體化，增加了氨氣的儲(chǔ)量，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，延長(zhǎng)了趣味現(xiàn)象呈現(xiàn)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，部分反應(yīng)液可經(jīng)調(diào)節(jié)pH再回收利用3-5次，符合綠色化學(xué)的要求。

2改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)涉及到以下幾個(gè)主要化學(xué)反應(yīng)：

（1）氨氣極易溶于水，并能和水反應(yīng)生成一水合氨，溶液呈堿性;氯化氫氣體易與氫氧化鈉溶液反應(yīng)。

（2）酚酞溶液遇堿變紅，而二價(jià)銅離子在氨水溶液中發(fā)生配位反應(yīng)，生成深藍(lán)色的四氨合銅配離子，通過(guò)倒吸混合氨水、酚酞和硫酸銅溶液可以呈現(xiàn)藍(lán)紫色。

2.2試劑和儀器

氨水、五水合硫酸銅、六水合氯化鈷、對(duì)硝基苯酚、N（1萘基）乙二胺鹽酸鹽、冰醋酸、亞硝酸鈉、對(duì)氨基苯磺酸、硫氰化鉀、六水合三氯化鐵、濃硫酸、酚酞指示劑，以上試劑均為分析純。

2.3實(shí)驗(yàn)步驟

搭建如圖1所示反應(yīng)裝置。

（l）檢查裝置的氣密性：將與直角玻璃導(dǎo)管連接的玻璃活塞4b-4h、4j-4p打開(kāi)，將左、中、右側(cè)與三角漏斗連接的三個(gè)玻璃活塞4a、4i、4q關(guān)閉。向燒杯中加入適量水，使得長(zhǎng)玻璃導(dǎo)管下端浸沒(méi)在水中。先用酒精燈微熱左側(cè)錐形瓶，觀察燒杯內(nèi)是否有氣泡冒出，待冷卻后，再用酒精燈微熱右側(cè)定制三頸燒瓶，觀察氣泡，若兩側(cè)均有氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明裝置氣密性良好。

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）將噴泉的顏色反應(yīng)與白煙反應(yīng)結(jié)合，觀賞性強(qiáng)。

（2）實(shí)驗(yàn)符合環(huán)保要求：無(wú)氣體泄漏，實(shí)驗(yàn)藥品用量少，且部分可回收利用。

（3）新創(chuàng)裝置氣密性好、噴泉量大，能實(shí)現(xiàn)多色噴泉且能控制噴發(fā)順序。

（4）本實(shí)驗(yàn)建立起了化學(xué)噴泉模型，可操作性強(qiáng)。教師在教學(xué)時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行藥品的更換和裝置的改進(jìn)，還可設(shè)置相關(guān)的思考題供學(xué)生學(xué)習(xí)。

4教學(xué)建議

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)涉及氨氣的性質(zhì)、酸堿指示劑、配位反應(yīng)、沉淀反應(yīng)等，教師可以結(jié)合學(xué)生儲(chǔ)備的化學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)他們進(jìn)一步思考該實(shí)驗(yàn)在試劑和操作上的其他改進(jìn)方案。以下幾個(gè)實(shí)例可供參考：

（1）壓強(qiáng)差原理。生活中有很多應(yīng)用壓強(qiáng)差的例子，比如人體呼吸、虹吸現(xiàn)象、吸盤(pán)等。化學(xué)學(xué)習(xí)中也有多處運(yùn)用到壓強(qiáng)差原理，比如化學(xué)噴泉實(shí)驗(yàn)、裝置氣密性檢查、啟普發(fā)生器原理、通過(guò)紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)定空氣中氧氣的含量、壓強(qiáng)差法制備純凈的氫氧化亞鐵、防倒吸裝置等。教師可引導(dǎo)學(xué)生從生活實(shí)際出發(fā)，進(jìn)行類(lèi)比總結(jié)，建立起以壓強(qiáng)差為中心的知識(shí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

（2）顏色反應(yīng)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)中往往伴隨許多綺麗的色彩變化，除了酸堿指示劑遇酸/堿發(fā)生顏色變化外，金屬離子的沉淀反應(yīng)、生成配合物的反應(yīng)都能呈現(xiàn)出奇妙的特征顏色。學(xué)生可通過(guò)查閱資料，整理常見(jiàn)的顏色反應(yīng)，再進(jìn)一步用于開(kāi)發(fā)新的趣味實(shí)驗(yàn)，如化學(xué)雞尾酒、化學(xué)交通燈等。

（3）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)分析了噴泉實(shí)驗(yàn)的原理及過(guò)程，提供了從實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)藥品選用等多個(gè)角度的創(chuàng)新演示，學(xué)生可據(jù)此設(shè)計(jì)、創(chuàng)新更多的噴泉實(shí)驗(yàn)的方案。

新創(chuàng)的多色雙噴泉實(shí)驗(yàn)從多個(gè)角度改進(jìn)了課本實(shí)驗(yàn)，其涉及了多種反應(yīng)原理，現(xiàn)象生動(dòng)有趣。趣味實(shí)驗(yàn)?zāi)軓囊曈X(jué)等方面帶給學(xué)生較強(qiáng)烈的震撼感和沖擊力，引發(fā)學(xué)生的好奇心，同時(shí)也能明顯提升學(xué)習(xí)效果，有利于開(kāi)拓學(xué)生的發(fā)散思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，是教師進(jìn)行素養(yǎng)教學(xué)的一個(gè)良好素材。