陳鵬　王培明

摘? 要 氨氣與氧氣反應(yīng)是高中化學(xué)教學(xué)中重要知識(shí)點(diǎn)，而現(xiàn)行高中化學(xué)教材沒有介紹該實(shí)驗(yàn)的具體方法，不利于該部分內(nèi)容的教學(xué)。利用玻璃罐頭瓶、具支試管、干燥管、鼓氣球、電爐絲以及調(diào)壓器等器材可設(shè)計(jì)出氨催化氧化一體化實(shí)驗(yàn)裝置。其中，玻璃罐頭瓶作為裝置底座和氧化瓶;電爐絲對(duì)催化劑鉑石棉進(jìn)行加熱;反應(yīng)物一氧化氮中的雜質(zhì)氨氣用濃硫酸吸收掉;二氧化氮?dú)怏w用潤(rùn)濕的紫色石蕊試紙來(lái)檢驗(yàn);最終的二氧化氮?dú)怏w用浸有氫氧化鈉溶液潤(rùn)濕的脫脂棉吸收掉。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué);氨氣;氧氣;催化氧化;實(shí)驗(yàn)裝置;實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G633.8??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）19-0120-03

1 問題提出

眾所周知，在催化劑作用下，氨與氧氣反應(yīng)生成一氧化氮和水。氨氣的這一性質(zhì)一直是高中化學(xué)教學(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)。在化學(xué)教材編寫設(shè)計(jì)中，通過實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，是一些老教材[1-2]編者的初衷。為此，設(shè)計(jì)氨與氧氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1所示），其實(shí)驗(yàn)方法是：“緩慢地把空氣通入盛濃氨水的錐形瓶，再把紅熱的螺旋狀鉑絲接近液面，但不要使鉑絲跟氨水接觸。觀察發(fā)生的現(xiàn)象。”如若按照老教材中的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)只能看到白色煙霧，根本看不到無(wú)色一氧化氮生成紅棕色二氧化氮的過程，其原因是：將紅熱的鉑絲伸進(jìn)錐形瓶后，盡管在催化劑鉑絲的作用下，氨氣與氧氣反應(yīng)生成無(wú)色的一氧化氮?dú)怏w，一氧化氮?dú)怏w繼續(xù)被空氣中的氧氣氧化生成紅棕色二氧化氮?dú)怏w，二氧化氮跟錐形瓶?jī)?nèi)的水蒸氣反應(yīng)生成硝酸，硝酸跟氨氣化合生成硝酸銨的白色煙霧。

因此，老教材的實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀性差，很難說明問題，而現(xiàn)行高中化學(xué)教材又[3]不知何故，將其刪除。這種處理方法給教學(xué)帶來(lái)很大弊端，不僅失去化學(xué)學(xué)科教學(xué)特點(diǎn)，而且影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)，違背了化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科的基本原則。筆者認(rèn)為，高中化學(xué)教師在氨的催化氧化教學(xué)中應(yīng)該不忘初衷、與時(shí)俱進(jìn)，利用現(xiàn)有條件積極尋找最佳的實(shí)驗(yàn)方案，努力探索、改進(jìn)、完善實(shí)驗(yàn)方法，使實(shí)驗(yàn)不斷推陳出新，向著理想化、綠色化邁進(jìn)，才能完成新時(shí)代賦予化學(xué)教師應(yīng)盡的責(zé)任和義務(wù)。

2 現(xiàn)狀及分析

1）按照老教材的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，現(xiàn)象缺乏直觀性，很容易使學(xué)生形成誤解：有的學(xué)生認(rèn)為氨氣沒有和氧氣發(fā)生反應(yīng)，看到的白色煙霧可能是水蒸氣;有的學(xué)生認(rèn)為氨氣沒有和氧氣發(fā)生反應(yīng)，看到的白色煙霧不是硝酸銨，而是氨氣溶于水的液滴;還有的學(xué)生認(rèn)為氨氣和氧氣發(fā)生了反應(yīng)，直接生成了硝酸銨，并沒有生成一氧化氮的過程。針對(duì)這些情況，在過去的幾十年里，廣大一線化學(xué)教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了認(rèn)真研究和改進(jìn)，并在各種刊物上先后發(fā)表數(shù)十篇有關(guān)氨的催化氧化實(shí)驗(yàn)的研究論文，為提高教學(xué)質(zhì)量獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。但絕大多數(shù)論文[4-8]實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，需要鐵架臺(tái)、十字夾、鐵夾等器材進(jìn)行固定和連接，氨氣的干燥、催化劑的加熱、氨氣的吸收、一氧化氮?dú)怏w的氧化、二氧化氮的證明和吸收不能形成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)體系，沒有很好地體現(xiàn)裝置的簡(jiǎn)單化，給儀器的組裝、連接、固定及其保存造成一定的不便。

2）現(xiàn)行高中化學(xué)教材只介紹了氨催化氧化的知識(shí)點(diǎn)，沒有提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法。那么，依照現(xiàn)行高中化學(xué)教材編者的設(shè)計(jì)觀念，教師也就只能在課堂上紙上談兵了。本應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)就能夠迎刃而解的問題，卻變成了一種教師在上面夸夸其談、學(xué)生在下面死記硬背的被動(dòng)教學(xué)模式。學(xué)生學(xué)完氨氣與氧氣反應(yīng)后感到枯燥無(wú)味，沒有獲得感，不利于素質(zhì)的培養(yǎng)，有悖于現(xiàn)代教學(xué)理念，影響了教學(xué)質(zhì)量。

可見，對(duì)氨催化氧化實(shí)驗(yàn)必須進(jìn)行重新審視，取他人之長(zhǎng)，補(bǔ)自己之短，對(duì)該實(shí)驗(yàn)方法再研究、再設(shè)計(jì)，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法，為搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量做出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

3 設(shè)計(jì)理念

由于氨氣跟氧氣反應(yīng)是放熱反應(yīng)，并生成無(wú)色的一氧化氮?dú)怏w，并可繼續(xù)氧化成紅棕色二氧化氮?dú)怏w，因此，氨的催化氧化實(shí)驗(yàn)裝置一體化設(shè)計(jì)必須保證五點(diǎn)：1）向催化劑中通入的氨氣一定要干燥;2）可以觀察到氨氣在催化劑作用下生成的一氧化氮?dú)怏w被空氣氧化成紅棕色的二氧化氮?dú)怏w的過程;3）能夠?qū)Υ呋瘎┻M(jìn)行加熱，停止加熱時(shí)，催化劑仍然保持紅熱狀態(tài)，說明反應(yīng)是放熱的;4）在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)空氣不能造成污染，充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化，達(dá)到環(huán)保要求;5）氨氣的通入、干燥，催化劑的加熱，混合氣中氨氣的吸收、一氧化氮?dú)怏w的氧化、二氧化氮的證明和吸收，要形成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)體系，充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的一體化設(shè)計(jì)思想。

4 設(shè)計(jì)方法

根據(jù)氨催化氧化的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)方法為：1）透明度良好的玻璃罐頭瓶作為裝置底座和氧化瓶;2）通過具支試管中濃氨水和堿石灰獲取干燥的氨氣;3）利用鼓氣球向盛有濃氨水的具支試管內(nèi)鼓入空氣以獲得氧氣;4）使用鉑石棉作為催化劑，并用電爐絲對(duì)其進(jìn)行加熱;5）一氧化氮中混有的氨氣通過小具支試管內(nèi)的濃硫酸吸收掉;6）氧化瓶?jī)?nèi)的二氧化氮?dú)怏w通過干燥管內(nèi)潤(rùn)濕的紫色石蕊試紙來(lái)檢驗(yàn);7）多余的二氧化氮?dú)怏w則通過干燥管上方用氫氧化鈉溶液潤(rùn)濕的脫脂棉吸收掉;8）儀器之間通過橡膠塞、硬質(zhì)膠管、玻璃管有機(jī)地連接到一起，并保障氣體暢通無(wú)阻，順利完成實(shí)驗(yàn)。

5 實(shí)驗(yàn)原理

1）氨氣與氧氣的反應(yīng)：4NH₃+5O_{2（催化劑→△）}4NO+6H₂O+熱量

2）一氧化氮跟氧氣反應(yīng)：2NO+O₂====2NO₂

3）二氧化氮跟水反應(yīng)：3NO₂+H₂O====2HNO₃+NO

4）硝酸與紫色石蕊反應(yīng)：紫色石蕊遇酸變紅。

5）二氧化氮與氫氧化鈉反應(yīng)：3NO₂+2NaOH====2NaNO₃+

NO+H₂O

6 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)用品? 透明玻璃罐頭瓶1個(gè)，大具支試管（2 cm×

20 cm）1支，小具支試管（1 cm×10 cm）1支，單球干燥管

1支，調(diào)壓器1臺(tái)，鼓氣球1個(gè)，電爐絲（1000 W、15 cm）1根，直玻璃管（20.5 cm）1根，直角玻璃管2根，三孔橡膠塞（16號(hào)）1個(gè)，單孔橡膠塞（3號(hào)）1個(gè)，單孔橡膠塞（2號(hào)）1個(gè)，橡膠塞（4號(hào)）1個(gè)，脫脂棉若干，細(xì)銅絲若干，硬質(zhì)膠管若干，導(dǎo)線若干，打孔器，剪刀，小刀;濃氨水，濃硫酸，堿石灰顆粒，紫色石蕊試紙條，鉑石棉，蒸餾水，10%氫氧化鈉溶液。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1）取一個(gè)4號(hào)橡膠塞，用小刀切下一個(gè)圓片，其直徑18 cm，厚度5 mm，用剪刀在其四周剪成八個(gè)三角口，在其中央用打孔器打一個(gè)小孔（如圖2所示）。

2）取一根玻璃管，在其下端裝上做好的帶有缺口的圓形橡膠片（要求膠片緊緊套在玻璃管上），上端裝上3號(hào)單孔橡膠塞（如圖3所示），調(diào)整好膠塞與膠片的距離，在膠塞的上方裝上鼓氣球。

實(shí)驗(yàn)裝置? 如圖4所示，A.鼓氣球，B.細(xì)銅絲，C.鉑石棉，D.電爐絲，E.堿石灰顆粒，F(xiàn).用氫氧化鈉溶液潤(rùn)濕的脫脂棉，G.直徑比具支試管內(nèi)徑略小的帶孔的圓形橡膠片，H.干燥的脫脂棉，I.用蒸餾水潤(rùn)濕的紫色石蕊試紙，J.濃氨水，K.濃硫酸。

實(shí)驗(yàn)過程及其現(xiàn)象

1）按照實(shí)驗(yàn)裝置圖將儀器、藥品裝好，并使調(diào)壓器指針調(diào)到0 V的位置。

2）接通電源，緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器的調(diào)壓旋鈕，使電壓逐漸升高;當(dāng)電爐絲紅熱時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)調(diào)壓旋鈕;用鼓氣球迅速向具支試管內(nèi)鼓入空氣，可觀察到反應(yīng)立即進(jìn)行（4NH₃+_{（催化劑→△）}5O₂4NO+6H₂O+熱量）;當(dāng)鉑石棉紅熱時(shí)，立即將調(diào)壓器的調(diào)壓旋鈕回調(diào)，使指針指向0 V的位置，此時(shí)鉑石棉繼續(xù)紅熱，說明氨氣與氧氣的反應(yīng)是放熱反應(yīng);片刻，罐頭瓶?jī)?nèi)有紅棕色氣體生成（2NO+O₂====2NO₂）;接著，干燥管內(nèi)潤(rùn)濕的紫色石蕊試紙變紅，說明二氧化氮遇水生成硝酸;反應(yīng)剩余的二氧化氮?dú)怏w被干燥管內(nèi)浸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉吸收掉（3NO₂+2NaOH====2NaNO₃+NO+H₂O），防止空氣污染。

7 實(shí)驗(yàn)說明

1）該裝置取材容易，設(shè)計(jì)合理，制作簡(jiǎn)單，操作方便，現(xiàn)象明顯，無(wú)空氣污染，能夠體現(xiàn)氨催化氧化實(shí)驗(yàn)裝置的一體化設(shè)計(jì)，一旦制成以后，可以保存在實(shí)驗(yàn)室備用。

2）干燥管內(nèi)干燥脫脂棉的作用是防止其上方的氫氧化鈉溶液下流，影響紫色石蕊試紙正常變色。

3）大具支試管有兩個(gè)作用：①盛放濃氨水;②盛放干燥劑堿石灰顆粒。這樣可以減少實(shí)驗(yàn)用品，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置。

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