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        氨氣倒吸原因的再探究及實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

        2023-05-30 10:48:04葉永謙吳新建張賢金
        化學(xué)教學(xué) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)探究

        葉永謙 吳新建 張賢金

        摘要:針對文獻(xiàn)中對氨氣等易溶性氣體制備過程易發(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。并就常見防倒吸裝置存在尾氣污染問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。基于溫度控制設(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),通過創(chuàng)設(shè)氨氣倒吸“示錯情境”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],對于倒吸原因存在的不同的解釋,只有通過實(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)測和防倒吸功能的對比。

        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)氣管上貼有濕潤的紅色石蕊試紙,用于監(jiān)測氨氣的尾氣吸收效果。尾氣處理裝置為圖1四種(標(biāo)號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)測濃氨水的溫度變化情況。外筒規(guī)格為500mL,通過左瓶口往外筒加入熱水對內(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過導(dǎo)管口,塞緊右瓶口、中瓶口橡皮塞,往左瓶口加入沸水至沒過內(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,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,換用新的濕潤紅色石蕊試紙?jiān)儆^察。以上實(shí)驗(yàn)過程全程錄像,通過視頻回放進(jìn)行有效對比。裝置B、C、D的方法同上。

        3.3空氣的排出及氨氣的生成

        通過對比,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)有無色氣泡緩慢冒出,溶液未變紅色,說明該無色氣泡為空氣。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),說明有氨氣生成。

        3.4尾氣吸收效果的監(jiān)測

        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,換用新的濕潤紅色石蕊試紙監(jiān)測。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,一般不會發(fā)生倒吸。裝置A的倒吸反駁了以上觀點(diǎn),說明對于易溶性氣體,通過控溫僅使用玻璃導(dǎo)管通入水中是無法防止倒吸的。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深時(shí),仍然會發(fā)生倒吸現(xiàn)象。

        (3)裝置C的倒吸問題及原因分析

        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,由于氣流過于劇烈,氨氣無法與上層水溶液長時(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?,且在?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),說明四氯化碳的存在雖然可以防止倒吸,但是整個(gè)體系對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深;裝置A在該實(shí)驗(yàn)條件下會發(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,為了防止因溫度過高導(dǎo)致氨氣氣流太快無法吸收,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,換用新的濕潤紅色石蕊試紙監(jiān)測,一段時(shí)間后試紙未見變藍(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”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]。以上研究針對文獻(xiàn)中對倒吸原因的不同解釋,基于溫度控制設(shè)計(jì)出監(jiān)測尾氣處理效果及防倒吸效果的實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)現(xiàn)常見防倒吸裝置存在尾氣污染的問題并分析原因,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。問題的提出、儀器的設(shè)計(jì)及研究的過程有利于培養(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。

        參考文獻(xiàn):

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