碳酸氫銨加熱分解反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

張靜

摘要： 傳統(tǒng)的碳酸氫銨固體加熱分解反應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在一定的不足。采用常見的球形干燥管、拇指試管及水浴加熱等方法對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，利用二氧化碳和氨氣在水中溶解能力的差異，有效分離產(chǎn)生的兩種氣體。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置簡單，操作方便，現(xiàn)象明顯，并可將該演示實(shí)驗(yàn)安排為學(xué)生獨(dú)立操作的分組實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 碳酸氫銨分解； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 球形干燥管； 拇指試管

文章編號(hào)： 10056629（2023）08006403中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法存在的不足

在滬教版《化學(xué)》九年級(jí)上冊(cè)中，碳酸氫銨的受熱分解實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生進(jìn)入化學(xué)學(xué)習(xí)后接觸到的第一個(gè)課堂演示實(shí)驗(yàn)。教材中的實(shí)驗(yàn)方法，是將碳酸氫銨放置在敞口的蒸發(fā)皿中，在空氣中用酒精燈進(jìn)行加熱（見圖1）。該方法在實(shí)踐中存在諸多不足，主要是：蒸發(fā)皿不透明，很難觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；三種產(chǎn)物無法有效確認(rèn)；生成的氨氣直接擴(kuò)散至空氣中，對(duì)師生健康及環(huán)境造成一定的影響。因此，實(shí)際教學(xué)中大多數(shù)教師改為以在試管中加熱碳酸氫銨的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（見圖2）。在試管中進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生能觀察到試管內(nèi)壁出現(xiàn)水霧，燒杯內(nèi)的澄清石灰水變渾濁，但氨氣的生成并沒有明顯的現(xiàn)象，只能借助打開試管口膠塞進(jìn)行嗅聞的方式來確認(rèn)。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)在試管中進(jìn)行時(shí)，容易出現(xiàn)試管破裂，由于涉及到酒精燈等儀器的操作使用，無法讓剛接觸化學(xué)的學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。

為了使該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，操作更加簡單易行，還能讓學(xué)生親手實(shí)踐，

有效激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，筆者利用球形干燥管和拇指試管等簡單常見儀器，對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)獲得了2023年蘇州市中學(xué)化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)比賽一等獎(jiǎng)?，F(xiàn)介紹如下與大家分享。

2 儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：

球形干燥管1個(gè)（上口外直徑18mm，下口外直徑5mm，總長140mm）、拇指試管1個(gè)（直徑10mm，總長70mm）、直角導(dǎo)管2個(gè)（5×5cm、 5×12cm）、乳膠管1根、單孔膠塞1個(gè)、藥匙1把、燒杯2個(gè)（250mL， 100mL）、石棉網(wǎng)1個(gè)、彈簧夾1個(gè)

實(shí)驗(yàn)藥品：

碳酸氫銨固體、變色硅膠（橙色）、無色酚酞試液、澄清石灰水、熱水（沸水）

本實(shí)驗(yàn)所用變色硅膠為無鈷橙色硅膠，主要成分為二氧化硅，是一種環(huán)保型干燥劑，具有很強(qiáng)的吸濕能力。其外觀顏色會(huì)隨著吸濕量的增加由橙色逐漸變成藍(lán)綠色。

3 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)操作步驟、現(xiàn)象及原理

（1） 在大燒杯中倒入適量熱水（接近沸水為宜），將球形干燥管小口朝下放入燒杯中。此時(shí)熱水由球形干燥管小口進(jìn)入，最終球形干燥管內(nèi)液面與燒杯內(nèi)液面齊平。

（2） 將盛有適量碳酸氫銨固體和橙色硅膠顆粒的拇指試管放入球形干燥管中，使得球形干燥管內(nèi)液面高于藥品最高面。用帶有直角導(dǎo)管的單孔膠塞將球形干燥管大口塞住，并通過乳膠管與裝有澄清石灰水的小燒杯相連。

（3） 碳酸氫銨35～60℃分解為二氧化碳、氨和水［1］。拇指試管內(nèi)的碳酸氫銨受到水浴加熱后迅速分解，固體表面產(chǎn)生大量氣泡，使澄清石灰水變渾濁。由于產(chǎn)生的二氧化碳在熱水中的逸出速率明顯大于溶解速率，因此大量的二氧化碳通過導(dǎo)管進(jìn)入澄清石灰水中，使得澄清石灰水出現(xiàn)明顯的渾濁現(xiàn)象。

（4） 向大燒杯中滴加無色酚酞試液，燒杯內(nèi)液體明顯變紅。由于氨氣極易溶于水，產(chǎn)生的氨氣大部分被球形干燥管內(nèi)的水吸收，通過球形干燥管下口使得大燒杯中的水呈堿性。

（5） 用彈簧夾夾住乳膠管，球形干燥管內(nèi)液面逐漸下降，大量氣泡從球形干燥管小口逸出，大燒杯內(nèi)液體紅色逐漸變淺，并迅速退至無色。當(dāng)乳膠管被彈簧夾夾住后，二氧化碳無法排出，只能在球形干燥管內(nèi)聚積，使得球形干燥管內(nèi)氣壓迅速增大，球形干燥管內(nèi)的水被壓回大燒杯中。同時(shí)，一部分二氧化碳在壓力作用下溶于水中，使得溶液堿性減弱，酚酞試液由紅色逐漸變淺，直至完全退色。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，拇指試管內(nèi)碳酸氫銨固體消失，留下較多無色液體，變色硅膠由橙色變?yōu)樗{(lán)綠色，證明有水生成。

5 注意事項(xiàng)

5.1 水溫

溫度是影響碳酸氫銨固體分解速率的重要因素。此實(shí)驗(yàn)適合在燒杯中加入沸水進(jìn)行。

5.2 藥品濕度

碳酸氫銨固體的分解速率還受藥品本身濕度的影響。若取較為干燥的藥品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)速率明顯變緩。

5.3 滴加無色酚酞試液的時(shí)機(jī)

本實(shí)驗(yàn)適宜在澄清石灰水明顯渾濁時(shí)滴加無色酚酞試液，此時(shí)也正是氨氣大量產(chǎn)生并溶于水的時(shí)候。若滴入時(shí)間過早，由于氨氣生成量較少，燒杯中水溶液堿性較弱，紅色不明顯。若滴入時(shí)間過晚，則由于氨氣揮發(fā)，水溶液的堿性已由強(qiáng)變?nèi)酰t色亦不明顯。

6 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

6.1 用熱水浴的方式代替酒精燈加熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

采用熱水浴進(jìn)行加熱，既有易于控溫、受熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，又避免了酒精燈的使用，使得初學(xué)者也能上手操作。觀察反應(yīng)時(shí)，水和玻璃相互作用，形成放大效應(yīng)，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程與現(xiàn)象清晰明了。除加熱固體外，燒杯中的水還可以有效吸收產(chǎn)生的氨氣，有利于環(huán)保。

6.2 有效分離氨氣與二氧化碳兩種氣體

二氧化碳?xì)怏w在熱水中，溶解能力有所減小，在熱水中的逸出速率明顯大于溶解速率［2］，因此實(shí)驗(yàn)中有大量二氧化碳?xì)怏w從導(dǎo)管導(dǎo)出，進(jìn)入澄清石灰水中；而氨氣是一種極易溶于水的氣體，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氨氣大部分被球形干燥管中的水吸收，使得水溶液顯現(xiàn)堿性。

6.3 有效揭示二氧化碳?xì)怏w與氨氣的不同性質(zhì)

二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁；氨氣溶于水呈堿性，使得無色酚酞試液變紅，這些明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象揭示了兩種氣體的不同性質(zhì)。當(dāng)借助彈簧夾使得兩種氣體混合進(jìn)入熱水時(shí)，溶液顏色的變化可以激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中生成氣體的種類進(jìn)行思考。借助這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即使是初次接觸化學(xué)的學(xué)生，也能判斷出生成的氣體不止一種，進(jìn)一步可以推知這些氣體在水中能顯現(xiàn)出不同的性質(zhì)，甚至可以相互作用，這就為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)二氧化碳與氨氣的相關(guān)知識(shí)埋下了伏筆。

6.4 用橙色變色硅膠驗(yàn)證水的生成

正式實(shí)驗(yàn)前，用硅膠可以干燥碳酸氫銨固體（反應(yīng)物），避免對(duì)后續(xù)反應(yīng)產(chǎn)物中出現(xiàn)水造成干擾。對(duì)比反應(yīng)后拇指試管中出現(xiàn)的較多液體以及硅膠顆粒的顏色變化，可證明分解反應(yīng)有水的生成。

7 小結(jié)

7.1 要站在學(xué)生視角設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

碳酸氫銨固體受熱分解，會(huì)產(chǎn)生氨氣、二氧化碳和水三種新物質(zhì)，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，由于無法將氣體有效分離，只能采用相對(duì)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來分別說明三種物質(zhì)的產(chǎn)生。例如：用無水硫酸銅的變藍(lán)證明水的生成；用石灰水變渾濁證明有二氧化碳生成；用潤濕的pH試紙或石蕊試紙的變色來證明氨氣的產(chǎn)生。這些對(duì)于具有一定化學(xué)知識(shí)的人來說，是順理成章的。但我們面對(duì)的是剛接觸化學(xué)的學(xué)生，并不知曉二氧化碳和氨氣的相應(yīng)性質(zhì)。使澄清石灰水變渾濁的氣體是否就是讓石蕊試紙變色的那種氣體呢？導(dǎo)管中究竟存在幾種氣體？這些都會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生疑惑。我們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，避免“先射箭后畫靶”的思維模式。

7.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要遵循裝置簡單、操作方便、現(xiàn)象直觀、綠色環(huán)保的原則

實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要形式和學(xué)習(xí)化學(xué)的重要途徑。中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要意義在于讓學(xué)生親自動(dòng)手，在實(shí)踐中培養(yǎng)核心素養(yǎng)與化學(xué)思維，因此，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)或者創(chuàng)新的根本目的是服務(wù)于教學(xué)［3］。我們可以圍繞球形干燥管等眾多常規(guī)儀器，精心設(shè)計(jì)更多更好的、能讓學(xué)生親自動(dòng)手的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而幫助學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)、學(xué)習(xí)科學(xué)方法、增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)、養(yǎng)成合作習(xí)慣、樹立節(jié)約理念，進(jìn)而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］周公度. 化學(xué)辭典［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2003： 672.

［2］范玉英. 二氧化碳的性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)新設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2023， （3）： 80.

［3］楊劍春. 淺談初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］. 化學(xué)教與學(xué)， 2020， （7）： 75.