氨氣倒吸原因的再探究及實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

葉永謙 吳新建 張賢金

摘要：針對(duì)文獻(xiàn)中對(duì)氨氣等易溶性氣體制備過(guò)程易發(fā)生倒吸原因的不同解釋，改進(jìn)了氣體吸收實(shí)驗(yàn)裝置。并就常見(jiàn)防倒吸裝置存在尾氣污染問(wèn)題并就其原因作了分析，總結(jié)了影響倒吸現(xiàn)象發(fā)生的主要因素?；跍囟瓤刂圃O(shè)計(jì)了可以調(diào)控尾氣處理及能防止氣體倒吸的實(shí)驗(yàn)裝置。

關(guān)鍵詞：氨氣吸收；尾氣處理；實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)探究

1 問(wèn)題的提出

中學(xué)化學(xué)演示易溶性氣體制備實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須選擇合適的防尾氣倒吸裝置。姚培龍等老師利用氨氣極易溶于水的性質(zhì)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)氨氣倒吸“示錯(cuò)情境”及探究防倒吸裝置培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)思維能力?？偨Y(jié)出的防倒吸裝置有肚容式、隔離式裝置等[1]。其中肚容式裝置可用倒扣的漏斗、干燥管等防止倒吸，隔離式裝置可將導(dǎo)管插入燒杯中的下層四氯化碳防倒吸，再利用燒杯上層的水溶液吸收氨氣（圖1）。

范永釗老師通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果將易溶性氣體裝在試管插入水中，會(huì)迅速發(fā)生倒吸，倒吸與氣體的溶解度較大有關(guān)[2]。馬金余等老師卻認(rèn)為：發(fā)生強(qiáng)烈倒吸是由于氣體或反應(yīng)容器在溶解前后的溫差變化引起；如果控制好溫度變量，絕大部分氣體（包括氨氣等）在水或其它液體中的溶解速率都很慢，不會(huì)引起強(qiáng)烈倒吸；用水吸收易溶性氣體時(shí)，可以不用倒扣漏斗而將導(dǎo)管直接插入水中，不會(huì)引起倒吸[3]。關(guān)于氣體在水中的溶解速度，劉載榮老師的觀點(diǎn)是還要考慮分子的極性[4]。正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是檢驗(yàn)化學(xué)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)[5]，對(duì)于倒吸原因存在的不同的解釋，只有通過(guò)實(shí)證研究才能得出正確的結(jié)論。

2 基于溫度變量控制的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

關(guān)于尾氣倒吸問(wèn)題的研究，存在一個(gè)難點(diǎn)兩個(gè)重點(diǎn)。一個(gè)難點(diǎn)是反應(yīng)體系溫度的測(cè)定和控制。根據(jù)馬金余等老師的觀點(diǎn)，要研究倒吸的原因必須控制溫度變量。兩個(gè)重點(diǎn)分別為尾氣吸收的效果和防止倒吸的效果。如果一個(gè)尾氣處理裝置無(wú)法高效地吸收尾氣，以至于造成空氣污染，那么研究其防倒吸功能就失去了意義。因此，裝置的設(shè)計(jì)必須能夠控制溫度變量，并兼顧尾氣吸收效果的監(jiān)測(cè)和防倒吸功能的對(duì)比。

藥品方面，反應(yīng)物越單一越有利于變量的控制，可以選擇一定體積、一定濃度的濃氨水，通過(guò)水浴加熱產(chǎn)生氨氣進(jìn)行研究。儀器方面，用酒精燈加熱無(wú)法精準(zhǔn)控制溫度，使用水浴加熱，并將溫度計(jì)插入濃氨水中，可以控制和觀察濃氨水的溫度變化情況。將用于研究溫度對(duì)乙醇燃燒火焰顏色影響的雙層三口平底燒瓶[6]，與溫度計(jì)、導(dǎo)管、倒扣漏斗及干燥管等組合，可以達(dá)到以上效果，四個(gè)用于探究倒吸原因的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

以上儀器中，雙層三口平底燒瓶作為氣體發(fā)生裝置，內(nèi)筒規(guī)格為50mL，用于盛裝20mL濃氨水，濃氨水不充滿內(nèi)筒而留有空氣，目的在于模擬常見(jiàn)氣體發(fā)生裝置中空氣的干擾。右瓶口用于將生成的氨氣通入水中，導(dǎo)氣管上貼有濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙，用于監(jiān)測(cè)氨氣的尾氣吸收效果。尾氣處理裝置為圖1四種（標(biāo)號(hào)A、B、C、D），分別與發(fā)生裝置的右管出氣口連接。其中裝置A、B、C分別使用玻璃導(dǎo)管、倒扣漏斗及干燥管置于水中，裝置D使用玻璃導(dǎo)管插入燒杯內(nèi)下層四氯化碳液體中（上層液體為蒸餾水），用于對(duì)比防倒吸的效果。中間瓶口用于往內(nèi)筒加入濃氨水，并套上帶有溫度計(jì)的單孔塞，溫度計(jì)底部與濃氨水相接觸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濃氨水的溫度變化情況。外筒規(guī)格為500mL，通過(guò)左瓶口往外筒加入熱水對(duì)內(nèi)筒液體進(jìn)行水浴加熱。必要時(shí)可以使用針筒將熱水抽出或換用其它溫度的水，使內(nèi)筒濃氨水溫度發(fā)生改變，用于對(duì)比不同溫度下的尾氣吸收效果和防倒吸效果。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

3.1裝置氣密性的檢驗(yàn)

按圖2中裝置A連接好儀器，往燒杯中加入蒸餾水至沒(méi)過(guò)導(dǎo)管口，塞緊右瓶口、中瓶口橡皮塞，往左瓶口加入沸水至沒(méi)過(guò)內(nèi)筒，如果導(dǎo)管口有連續(xù)的氣泡冒出，外層的沸水抽出一段時(shí)間后，導(dǎo)管口倒流一段水柱且保持水柱高度不變，說(shuō)明裝置的氣密性良好。裝置B、C、D的氣密性檢驗(yàn)方法同上。

3.2藥品的加入及水浴溫度的控制

以裝置A為例，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，往燒杯中的水溶液滴入幾滴酚酞，用于檢驗(yàn)氨水的生成。往中瓶口加入25%的濃氨水20mL，塞緊帶有溫度計(jì)的橡皮塞。往左瓶口加入沸水至內(nèi)筒全部被浸沒(méi)，觀察燒杯中的氣泡和溶液顏色變化情況，以及溫度計(jì)溫度變化、濕潤(rùn)紅色石蕊試紙的變色情況。一段時(shí)間后，用針筒將外筒熱水抽出使內(nèi)筒與熱水脫離，換用新的濕潤(rùn)紅色石蕊試紙?jiān)儆^察。以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程全程錄像，通過(guò)視頻回放進(jìn)行有效對(duì)比。裝置B、C、D的方法同上。

3.3空氣的排出及氨氣的生成

通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)前期加入沸水時(shí)，均出現(xiàn)燒杯中氣體出口（導(dǎo)管口、漏斗口或干燥管口）有無(wú)色氣泡緩慢冒出，溶液未變紅色，說(shuō)明該無(wú)色氣泡為空氣。一段時(shí)間后，氣泡連續(xù)冒出，溶液顏色逐漸出現(xiàn)紅色（裝置D下層顏色不變，上層變紅），說(shuō)明有氨氣生成。

3.4尾氣吸收效果的監(jiān)測(cè)

隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，濃氨水的溫度從30℃（實(shí)驗(yàn)時(shí)的室內(nèi)溫度）上升到70℃（因玻璃儀器等環(huán)境的吸熱，濃氨水的溫度未上升至100℃），內(nèi)筒濃氨水出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，氣體出口有大量氣泡冒出，此時(shí)裝置A的濕潤(rùn)紅色石蕊試紙略微變藍(lán)，裝置B、D試紙有藍(lán)色出現(xiàn)，裝置C試紙藍(lán)色最明顯（圖3）。以上現(xiàn)象說(shuō)明當(dāng)氨氣生成速率較快時(shí)，四套裝置的尾氣吸收效果都不理想。

為了對(duì)比B、C、D三套裝置在氨氣氣流比較平緩時(shí)的尾氣吸收效果，用針筒將外筒中熱水抽出使內(nèi)筒與熱水脫離，換用新的濕潤(rùn)紅色石蕊試紙監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)三套裝置中試紙仍然出現(xiàn)藍(lán)色，且變藍(lán)的程度區(qū)別不大，說(shuō)明氨氣氣流較為平緩時(shí)，三套裝置中仍然有氨氣逸出，尾氣處理的效果也不理想。

3.5防倒吸效果的對(duì)比及原因分析

（1）裝置A的倒吸及原因分析

裝置A當(dāng)沸水加入外筒后一段時(shí)間，濃氨水溫度穩(wěn)定在70℃（外筒沸水未抽出），但隨著氨水濃度的下降，氨氣的生成速率較為緩慢時(shí)，出現(xiàn)了瞬間劇烈的倒吸現(xiàn)象。根據(jù)馬金余等老師的觀點(diǎn)，控制好溫度變量，使用玻璃導(dǎo)管直接將易溶性氣體通入水中可以吸收尾氣，一般不會(huì)發(fā)生倒吸。裝置A的倒吸反駁了以上觀點(diǎn)，說(shuō)明對(duì)于易溶性氣體，通過(guò)控溫僅使用玻璃導(dǎo)管通入水中是無(wú)法防止倒吸的。反應(yīng)前期因氨水濃度大，氨氣大量生成，裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)增大且有空氣排出，不會(huì)發(fā)生倒吸。反應(yīng)一段時(shí)間后，氨水濃度下降且裝置內(nèi)空氣基本排空，此時(shí)雖然濃氨水的溫度不變，但導(dǎo)管中充滿的氨氣會(huì)較快溶解于水中，導(dǎo)致水柱沿導(dǎo)管上升，當(dāng)水柱遇到內(nèi)筒大量的氨氣時(shí)，瞬間發(fā)生劇烈的倒吸，氨水充滿整個(gè)內(nèi)筒。因此，倒吸發(fā)生的主要原因是氨氣在水中的溶解度大且溶解速度快，溶解時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)差導(dǎo)致的。

（2）裝置B的防倒吸及尾氣污染原因分析

裝置B在實(shí)驗(yàn)前期沸水充滿外筒時(shí)，有大量氨氣隨著空氣冒出?？諝怆y溶于水，但倒扣漏斗罩在液面上，空氣無(wú)法順利排出。只有當(dāng)積累到一定體積時(shí)，漏斗內(nèi)的氨氣和空氣一起從倒扣漏斗的邊沿瞬間逸出，燒杯口濕潤(rùn)紅色石蕊試紙變藍(lán)。

實(shí)驗(yàn)后期，空氣全部排出，當(dāng)氨氣產(chǎn)生速率小于氨氣溶解速率，即會(huì)出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象。當(dāng)漏斗中液面上升至與燒杯中溶液脫離時(shí)，在重力作用下液面下降，阻止了倒吸的繼續(xù)發(fā)生，但是氨氣也在此瞬間從漏斗中逸出。

總結(jié)以上兩種情況，倒扣的漏斗雖然能夠防止倒吸的發(fā)生，卻在實(shí)驗(yàn)前期和后期出現(xiàn)兩種氨氣逸出的情況，尾氣處理的效果不理想。而且當(dāng)漏斗口浸入液面的部分過(guò)深時(shí)，仍然會(huì)發(fā)生倒吸現(xiàn)象。

（3）裝置C的倒吸問(wèn)題及原因分析

裝置C的防倒吸原理及導(dǎo)致尾氣污染的原因與裝置b相似，但是在實(shí)際操作中卻出現(xiàn)意想不到的倒吸現(xiàn)象，即不管是干燥管的寬口接觸液面，還是細(xì)口接觸液面，只要插入液面的部分稍微深點(diǎn)，都在實(shí)驗(yàn)后期發(fā)生了瞬間的劇烈倒吸現(xiàn)象。

對(duì)比裝置A、B、C的倒吸情況，可以看出氣體管口與水的接觸面積是影響倒吸的重要因素。管口越細(xì)，與水接觸的面積越小，發(fā)生虹吸效應(yīng)的可能性越大，水柱越容易上升，最終導(dǎo)致瞬間劇烈的倒吸。

對(duì)于裝置B、C等氣體出口（漏斗口、干燥管口）與水的接觸面積較大的裝置，該出口插入液面的距離也是影響倒吸的重要因素。

（4）裝置D的防倒吸及尾氣污染原因分析

裝置D由于氨氣與四氯化碳接觸，可以防止倒吸現(xiàn)象的發(fā)生。但是依然出現(xiàn)了氨氣逸出的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)前期大量空氣及氨氣逸出，四氯化碳層出現(xiàn)劇烈的冒泡現(xiàn)象，由于氣流過(guò)于劇烈，氨氣無(wú)法與上層水溶液長(zhǎng)時(shí)間接觸，導(dǎo)致部分氨氣逸出（圖4左圖）。即便是實(shí)驗(yàn)后期氨氣生成速率趨于平緩，新?lián)Q的濕潤(rùn)紅色石蕊試紙依舊變藍(lán)（圖4中圖）。由于燒杯中蒸餾水在吸收氨氣后已經(jīng)變?yōu)榘彼以趯?shí)驗(yàn)后期該氨水濃度較大，揮發(fā)出的氨氣也是造成尾氣處理效果不理想的原因之一。如果在燒杯中上層的水面上再覆蓋一層植物油，仍然有氨氣沖破油層逸出（圖4右圖），說(shuō)明四氯化碳的存在雖然可以防止倒吸，但是整個(gè)體系對(duì)于氨氣的尾氣吸收效果并不理想。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及防倒吸裝置的改進(jìn)

4.1 尾氣吸收效果不理想的主要原因

根據(jù)以上分析，可以看出以上四套裝置在尾氣處理效果均不夠理想，主要有四方面原因：一是實(shí)驗(yàn)前期裝置內(nèi)空氣逸出時(shí)將氨氣帶出；二是實(shí)驗(yàn)前期氨氣濃度較高反應(yīng)較快，大量氨氣逸出無(wú)法被全部吸收；三是實(shí)驗(yàn)后期倒扣漏斗或干燥管內(nèi)液體上升至與燒杯中溶液脫離掉下時(shí)，氨氣在該瞬間逸出；四是實(shí)驗(yàn)后期燒杯中水溶液因吸收較多氨氣已成為一定濃度的氨水，該氨水也會(huì)揮發(fā)出氨氣，導(dǎo)致尾氣吸收效果不理想。

4.2 影響倒吸現(xiàn)象發(fā)生的主要因素

對(duì)比四套裝置，防倒吸效果最好的是裝置D，即四氯化碳隔離法效果最好；其次是裝置B和C，使用倒扣的漏斗及干燥管可以防止倒吸的發(fā)生，但需注意氣體出口不可浸入液面過(guò)深；裝置A在該實(shí)驗(yàn)條件下會(huì)發(fā)生劇烈的瞬間倒吸?？偨Y(jié)以上實(shí)驗(yàn)，可以歸納出影響倒吸的主要因素有三個(gè)：一是氣體在水中的溶解性，溶解度越大，溶解過(guò)程產(chǎn)生的壓強(qiáng)差越容易導(dǎo)致倒吸現(xiàn)象的發(fā)生；二是尾氣出口的管徑，管徑越小，越容易發(fā)生虹吸現(xiàn)象而倒吸；三是氣體出口（漏斗口或干燥管口）插入液面的深度，插入越深，最終越易導(dǎo)致倒吸的發(fā)生。

4.3防倒吸裝置的改進(jìn)

以上四套裝置中防倒吸效果最好的是裝置D，因此在該裝置基礎(chǔ)上改進(jìn)。改進(jìn)的方向有兩個(gè)，一是控制反應(yīng)的溫度，為了防止因溫度過(guò)高導(dǎo)致氨氣氣流太快無(wú)法吸收，將沸水浴改為溫水浴加熱，或者往外筒中僅加入200mL沸水（不接觸內(nèi)筒），利用熱的水蒸氣對(duì)內(nèi)筒加熱，此時(shí)產(chǎn)生的氨氣較為平緩，有利于尾氣的充分吸收。二是提高尾氣的吸收效率，在燒杯中上層水面上覆蓋一層植物油的效果不理想，主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)后期上層溶液已成為一定濃度的氨水，快速吸收氨氣的能力下降。為了提高上層溶液吸收氨氣的能力，將水溶液改為一定濃度的稀硫酸，并滴入甲基橙監(jiān)測(cè)稀硫酸吸收氨氣的情況。只要甲基橙不變黃色，就意味著上層溶液為酸性，還可以作為氨氣的吸收劑（圖5）。

圖5 改用滴有甲基橙的稀硫酸做吸收劑

通過(guò)改進(jìn)，既防止了倒吸的發(fā)生，又避免了尾氣的污染，換用新的濕潤(rùn)紅色石蕊試紙監(jiān)測(cè)，一段時(shí)間后試紙未見(jiàn)變藍(lán)，氨氣吸收效果較為理想（圖6）。

圖6 改進(jìn)后的防倒吸裝置氨氣吸收效果好

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》關(guān)于“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)的水平4要求中，明確指出“要能根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)際需要提出探究課題，能對(duì)實(shí)驗(yàn)中的異?，F(xiàn)象和已有結(jié)論進(jìn)行反思、提出質(zhì)疑和新的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，并付諸實(shí)施”[7]。以上研究針對(duì)文獻(xiàn)中對(duì)倒吸原因的不同解釋，基于溫度控制設(shè)計(jì)出監(jiān)測(cè)尾氣處理效果及防倒吸效果的實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)常見(jiàn)防倒吸裝置存在尾氣污染的問(wèn)題并分析原因，總結(jié)出影響倒吸現(xiàn)象發(fā)生的主要因素，通過(guò)控制加熱溫度及使用稀硫酸作吸收劑改進(jìn)了氨氣的防倒吸裝置，達(dá)到了較為理想的效果。問(wèn)題的提出、儀器的設(shè)計(jì)及研究的過(guò)程有利于培養(yǎng)學(xué)生的批判質(zhì)疑精神，促進(jìn)創(chuàng)新素養(yǎng)的發(fā)展。

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