大学化学, 2020, 35(4): 43-49 doi: 10.3866/PKU.DXHX201911057

 

云蒸霞蔚——多色双喷泉实验

张阿芳, 敖渝涓, 钱鸣来, 王媛媛, 陈波,, 陈启明,

Multi-color Double Fountains

Afang Zhang, Yujuan Ao, Minglai Qian, Yuanyuan Wang, Bo Chen,, Qiming Chen,

通讯作者: 陈波, Email: bchen@chem.ecnu.edu.cn陈启明, Email: qmchen@chem.ecnu.edu.cn

第一联系人:

§2016级本科生

收稿日期: 2019-11-26   接受日期: 2019-12-17  

Received: 2019-11-26   Accepted: 2019-12-17  

摘要

本实验在氨气和氯化氢气体的单喷泉实验基础上设计了集两种气体的制备、收集、验满、尾气处理、气体反应、喷泉实验与试剂回收利用于一体的连续性实验,喷泉部分涉及到的实验原理有氨气与硫酸铜溶液的配位反应、氨气与氯化钴溶液的沉淀反应、无色酚酞溶液和酸性对硝基苯酚溶液在碱性环境下的变色反应,以及氯化铁和硫氰化钾在弱酸性条件下的反应等。本实验的主要仪器装置由团队自行设计、定制,操作简便,玻璃活塞还可控制喷发顺序,实现多色多样喷泉,伴随氯化铵生成时的袅袅白烟,云蒸霞蔚,煞是壮观。另外,我们设计了多角度的互动方案,针对不同程度知识背景的受众传授知识,让参观者真切感受到化学的魅力。

关键词: 双喷泉实验 ; 氨气 ; 氯化氢 ; 新创装置 ; 多色

Abstract

Based on the existing single fountain experiment of ammonia and hydrogen chloride, this experiment designed a continuous operation to integrate the preparation, collection, inspection, exhaust gas treatment, gas reaction, fountain experiment and reagent reuse of the two gases. The experimental principle of the fountain colors includes the coordination reaction of ammonia molecule with copper ion, the precipitation reaction of ammonia water and cobalt chloride solution, the color change reaction of leucophenolic phenolic solution, and acidic reaction of ferric chloride and potassium thiocyanate under acidic conditions. The main apparatus of this experiment was designed and customized by the team, and the operation of the experiment is very simple. The use of glass pistons can control the order of the fountains, thus achieving fountains of various colors. At the same time, with the formation of ammonium chloride, white smoke will be produced, and the colorful fountains are as inlaid in the white clouds, which is spectacular. In addition, we have designed a multi-angle interactive communication program that can transfer multiple levels of knowledge to different audiences, open their minds, and let visitors truly feel the charm of chemistry.

Keywords: Double fountains experiment ; Ammonia gas ; Hydrogen chloride ; Innovative device ; Multi-color

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张阿芳, 敖渝涓, 钱鸣来, 王媛媛, 陈波, 陈启明. 云蒸霞蔚——多色双喷泉实验. 大学化学[J], 2020, 35(4): 43-49 doi:10.3866/PKU.DXHX201911057

Afang Zhang. Multi-color Double Fountains. University Chemistry[J], 2020, 35(4): 43-49 doi:10.3866/PKU.DXHX201911057

1 引言

喷泉实验是高中化学的经典实验,氨气的喷泉实验在三个版本的高中教材里均有出现,沪教版还提到氯化氢的喷泉实验,因其现象震撼,容易激发学生的学习兴趣,适合用作课堂演示实验。目前相关的文献研究大多是基于课堂演示实验做出改进,如增加制取氨气的装置,更换实验药品,改变引发喷泉的方式提高实验成功率[1],设计一体化实验将氨气的制取、喷泉、性质实验进行综合改进等[2]

改进后的实验方案相比于课本实验操作性更强,但仍局限于课堂演示,不足以作为一个较大型的科普实验,原因如下:1)缺乏足够的吸引力。科普实验面向多个年龄段的人群,对不同的人群都应有新鲜感和吸引力,高中生和部分初中生早已详细地学习过该实验,改进实验不能激发他们的兴趣。2)现象单调,持续时间短。实验使用的圆底烧瓶一般是250 mL,喷泉引发后酚酞水溶液在烧瓶内迅速变红,持续15 s左右即停止,对于参与人数较多的科普活动效果不佳。3)容易形成定式思维。大多数研究依然沿用了氨气和酚酞水溶液来研究喷泉实验,事实上易溶于水的气体都能引发喷泉,且选择不同的试剂能够改变喷泉的颜色。科普实验应该既有激发兴趣、传播知识的作用,又要有开拓思维、引发思考的功能。

基于上述问题,我们做了一系列改进,创新了面向多个年龄段的,适合多人参观的多色双喷泉实验。本实验利用氨气易溶于水和氯化氢气体与碱液反应的性质,同时进行双喷泉实验,为实现实验的一体化,增加氨气的储量,延长实验时间,在装置上(见图1,我们设计了定制三颈烧瓶,烧瓶上部有直角形导管、下部有短导管均与外界相通,用于集气。三颈帮助实现多反应多色彩,三颈口内侧呈磨砂状,外侧有两个牛角尖;花洒喷头模拟现实中的喷泉,头部呈圆球形,上有五孔,下方匹配带牛角尖磨砂接口,使用时将上下两部分牛角尖用橡皮筋捆绑;由于中间的喷头呈360度花洒状,喷发时更壮观,下端连接的玻璃活塞方便控制喷泉的引发顺序,并防止气体泄漏。瓶与瓶之间也连有玻璃活塞,可根据需要逐个引发喷泉。实验巧妙利用氨气和氯化氢的反应,制造白烟缭绕的奇幻现象,并且白烟的生成量可以指示集气完成情况,解决了以往气体泄漏的问题。控制下方玻璃活塞能够实现试剂依次喷入瓶中,如图1左起第3个烧杯中的对硝基苯酚溶液由无色变为黄色,第4个烧杯中的氯化钴溶液由浅粉色变为深绿色沉淀,,依次打开活塞二者混合变为翠绿色;实验结束部分反应液可调节pH后回收利用3–5次,符合绿色化学的要求。

图1

图1   实验装置实物图


改进后的实验涉及氨气的性质、酸碱指示剂、配位反应等多个化学原理,可以针对不同的参与人群进行选择性讲解,对于思维活跃、具有探究性的个体还可以引导其进一步思考该实验在试剂和操作上的其他可能方案。对于非专业人群,实验过程中五彩斑斓的喷泉伴随着袅袅升起的白烟,宛如仙境,极大地激发了他们对化学世界的兴趣。另外,氨气和氯化氢在生产生活中有着重要的贡献,通过本实验科普受众能进一步关注身边的化学。

2 实验部分

2.1 实验原理

(1)氨气极易溶于水,并能和水反应生成一水合氨,溶液呈碱性;氯化氢气体易与氢氧化钠溶液反应。

$\begin{array}{l}{\rm{N}}{{\rm{H}}_3} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} \leftarrow {\rm{N}}{{\rm{H}}_3} \cdot {{\rm{H}}_2}{\rm{O}}\\{\rm{HCl + NaOH}} \to {\rm{NaCl + }}{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}\end{array}$

(2)酚酞溶液遇碱变红,而二价铜离子在氨水溶液中发生配位反应,生成深蓝色的配合物四氨合铜离子,通过倒吸混合氨水、酚酞和硫酸铜溶液可以呈现蓝紫色。

$\mathrm{Cu}^{2+}+4 \mathrm{NH}_{3} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow\left[\mathrm{Cu}\left(\mathrm{NH}_{3}\right)_{4}\right]^{2+}+4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$

(3)对硝基苯酚溶液在pH 3–4时几乎无色,遇碱变黄;二价钴离子本身溶液为浅粉红色,在碱性溶液中生成深绿色的沉淀,该沉淀是较不稳定的α-Co(OH)2

$\mathrm{Co}^{2+}+2 \mathrm{OH}^{-} \rightarrow \mathrm{Co}(\mathrm{OH})_{2} \downarrow$

(4)氯化氢气体与氨气反应生成白烟:HCl + NH3 → NH4Cl

(5)亚硝酸盐在弱酸条件下与对氨基苯磺酸发生重氮化反应后,再与盐酸萘乙二胺发生偶合反应,如图2所示。

图2

图2   亚硝酸盐相关反应方程式


(6)氯化铁溶液在弱酸性条件下与硫氰化钾发生配位反应:

${\rm{F}}{{\rm{e}}^{3 + }} + 3{\rm{SC}}{{\rm{N}}^ - } \to {\rm{Fe}}{\left( {{\rm{SCN}}} \right)_3}\left( {{\rm{血红色}}} \right)$

2.2 试剂和仪器

氨水、五水合硫酸铜、六水合氯化钴、对硝基苯酚、N-(1-萘基)乙二胺盐酸盐、冰醋酸、亚硝酸钠、对氨基苯磺酸、硫氰酸钾、六水合三氯化铁、浓硫酸,以上试剂为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;酚酞Ind,江苏强盛化学品有限公司。

铁架台、酒精灯、石棉网、锥形瓶、结晶皿、三颈烧瓶、滴液漏斗、新创装置(定制三颈烧瓶及玻璃花洒)、带磨砂接口胖肚胶头滴管、烧杯、橡胶管、三角漏斗、带导管玻璃活塞、软木塞、直角玻璃导管、钝角玻璃导管、长玻璃导管、橡皮筋、ME-104型电子分析天平。

2.3 实验步骤

搭建如图3所示装置。

图3

图3   实验装置草图


(1)配制溶液:0.005 mol·L-1硫酸铜溶液,0.05 g·L-1酚酞溶液,0.02 g·L-1对硝基苯酚溶液逐滴加稀盐酸至无色,0.5 g·L-1氯化钴溶液,0.001 g·L-1亚硝酸钠溶液,0.5 g·L-1N-(1-萘基)乙二胺盐酸盐,盐酸溶液(体积比为1 : 1),0.1 g·L-1对氨基苯磺酸+冰醋酸混合溶液,0.0005 mol·L-1氯化铁溶液,0.005 mol·L-1硫氰化钾溶液。

(2)向锥形瓶中加入浓氨水并将其用铁夹固定于铁架台上,关闭活塞4a、4b以防氨气泄漏。

(3)在250 mL三颈烧瓶中加入20 g氯化钠固体,在滴液漏斗中加入约20 mL浓硫酸。

(4)分别将定制三颈烧瓶9a、9b、9c、9d、9e固定于铁架台上,以带活塞的玻璃导管使其相互联通。打开连接定制三颈烧瓶之间的活塞4e、4h、4j、4m、4p使得气体能够顺利通过,关闭下方与烧杯相连的活塞4f、4g、4i、4k、4l、4n、4o。5个定制三颈烧瓶下端依次连接硫酸铜溶液和无色酚酞溶液,氯化钴溶液和酸性对硝基苯酚溶液,与大气相通的长导管(导管下端靠近水面),盐酸N-(1-萘基)乙二胺+冰醋酸混合溶液和亚硝酸钠+ 4-氨基苯磺酸混合溶液,三氯化铁溶液和硫氰酸钾溶液。

(5)连接锥形瓶与与定制三颈烧瓶9a,依然保持两者之间的活塞4b处于关闭状态。在定制三颈烧瓶9a上覆盖热毛巾并将最后定制三颈烧瓶9e的导管插入水中以检验其气密性。

(6)在确定气密性良好后连接氯化氢发生装置,关闭连接结晶皿和三颈烧瓶的活塞4q,打开活塞4i,点燃酒精灯8a,开始收集氨气。待烧杯14e中出现气泡,打开酒精灯8b,开始收集氯化氢气体。

(7)待定制三颈烧瓶9c中迅速出现大量白烟后继续收集约2 min,保证所有定制三颈烧瓶中集满气体。

(8)关闭连接三颈烧瓶之间的活塞4e、4h、4j、4m、4p,依次挤入胖肚胶头滴管12a、12b、12c、12d中的液体,得到结果见表1图4

表1   实验结果

烧瓶30 s1 min3 min
定制三颈烧瓶9a硫酸铜溶液酚酞溶液无明显现象无明显现象浅蓝色硫酸铜溶液(变深蓝色)和无色酚酞溶液(变红色)倒吸入三颈烧瓶,混合显蓝色
定制三颈烧瓶9b氯化钴溶液酸性对硝基苯酚溶液无明显现象无明显现象浅红色氯化钴溶液(绿色沉淀)和对硝基苯酚酸性溶液(变黄色)倒吸入三颈烧瓶,混合呈翠绿色
定制三颈烧瓶9d N-(1-萘基)乙二胺盐酸盐+冰醋酸混合液亚硝酸钠+4-氨基苯磺酸混合液无明显现象无明显现象倒吸后出现浅红色,继续倒吸,颜色变深,最后呈紫红色
定制三颈烧瓶9e氯化铁溶液
硫氰化钾溶液
无明显现象无明显现象三价铁与硫氰酸钾反应,显血红色

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图4

图4   实验结果图

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3 科普展示和互动方案

展示地点:科普实验展示基地通风橱旁边、空气流动性较好的场所或室外。

本次科普展示实验是在华东师范大学化学实践工作站——上海市青少年科技人才培养基地设计完成,便于进行科普展示。另,由于实验装置的简易性及实验药品的可回收性,本展示实验也可于其他空气流动性较好的场所进行。

展示对象:中小学生、市民群众(在后续描述中,分初三年级以下学生与初三及以上年级学生两类,其中,市民群众视作初三年级以下学生)。

展示形式:演示实验+志愿者讲解+观众互动。

展示内容:(具体呈现内容、顺序及形式可根据展示时长进行调整)

1)演示实验:云蒸霞蔚——多色双喷泉。

2)喷泉实验原理分析:

在一个密闭的体系里充满了氨气和氯化氢这样溶解度比较大的气体,当向体系内加入少量液体时,气体迅速大量溶解于液体中,使得体系内压强迅速减小,与外界形成压强差。在这样的压强差下,与体系相连接的液体被外界大气压压入体系,通过尖嘴处形成喷泉。

【互动】初三年级以下学生由志愿者解释,初三及以上年级由学生描述。

氨气和氯化氢气体可快速反应生成白烟——氯化铵固体颗粒。

可利用酸碱指示剂溶液检验气体酸碱性:氨气为碱性气体,氯化氢为酸性气体。本次实验所用酸碱指示剂为酚酞、对硝基苯酚。

【互动】各类酸碱指示剂的变色范围及显色特性。

对硝基苯酚在碱性溶液中显亮黄色。

铜盐的稀溶液显淡蓝色,铜离子与氨分子反应络合生成四氨合铜络离子,呈深蓝色。

【提问1】(针对初三及以上年级学生)除了我们为大家演示的“水往高处流”的化学喷泉之外,大家可以回忆或者思考一下,还有什么化学实验或者操作是利用了气压差这一条件呢?

【互动】学生互动回答、志愿者补充完善:

A、利用体系或装置内外的压强差检验装置的气密性,我们在本次实验开始之前也同样进行了该操作。

B、测定空气中氧气含量实验:红磷燃烧结束后,水因为压强差被倒吸入集气瓶中,体积约为1/5。

C、验证二氧化碳溶于水:向一收集满二氧化碳的塑料瓶中加入水,拧紧瓶盖密封,瓶子变瘪。

D、防倒吸操作。实验过程中会发生倒吸的原因即是因气体减少、气体冷却等原因形成压强差,为此须进行防倒吸操作。本实验装置中即有两处用到了防倒吸操作。

E、须严格控制反应开始时间的反应,可利用气压差使反应物固体和液体接触。

F、分离实现气体“随时制取随时停止”的控制。

【提问2】(针对初三及以上年级学生)我们本次实验是利用了溶解度大的气体来实现压强差,那除了本次实验用到的氨气和氯化氢,还有哪些气体可以用于喷泉实验呢?

【互动】学生互动回答、志愿者补充完善:

A、二氧化碳、二氧化硫及氯气溶于碱水。

B、二氧化氮与氧气混合后溶于水。

C、乙烯溶于溴水。

【提问3】(针对初三及以上年级学生)对于“喷泉实验”,有哪些方法可以形成压强差?

【互动】学生互动回答、志愿者补充完善:

A、容器内气体极易溶于水。

B、容器内气体易快速与溶液中的溶质发生反应。(本实验中利用浓碱水吸收氯化氢气体)

C、(拓展)容器内液体由于受热挥发产生大量气体,使得容器内压强迅速增大,将液体压出形成喷泉。例如浓盐酸、浓氨水、酒精等。

D、(拓展)容器内液体由于快速发生化学反应产生大量气体,使得容器内压强迅速增大,将液体压出形成喷泉。火山喷发、灭火器等即是利用该原理[3]

3)喷泉实验装置及操作分析(针对初三年级以下学生)。

气体发生装置:

A、实验室快速制取氨气:加热浓氨水。

B、实验室快速制取氯化氢气体:浓硫酸+氯化钠,微热。

气体收集装置:

A、氨气:向下排空气法。

B、氯化氢气体:向上排空气法。

检验装置气密性:关闭相应玻璃活塞(可现场演示),热毛巾敷定制三颈烧瓶,观察中间三颈烧瓶下端水中导气管处是否有气泡冒出,是否能形成稳定水柱。

集气时体系与大气联通,注意除尾气;集气完毕,使体系密闭,进行喷泉实验,此时由于气体发生反应不能立即停止,须另有导气管导出、尾气处理气体,并进行防倒吸操作。

4)观众动手体验简易版喷泉实验。

直接在圆底烧瓶或茄形烧瓶中加入1–2 mL浓氨水,在酒精灯及石棉网上加热1 min后将装有尖嘴装置的烧瓶导于无色酚酞试液中,即可形成红色喷泉。

5)喷泉实验改进创新方案交流。

本次实验已经分析了喷泉实验的原理及过程,提供了从实验装置、实验现象、实验药品选用等多个角度的创新演示,学生可据此衍生出更多的课进行喷泉实验的方案。例如:利用金属离子与不同配体进行配位时的稳定性不同、呈现出的颜色不同,可以实现颜色的变化;在容器内壁做试剂涂层,使得液体进入时与其中溶质进行反应以实现典型的颜色反应;利用溶质的不同密度或溶剂的不互溶性、溶质在不同溶剂中的溶解度与颜色不同,可实现分层显色等。

4 结语

多色双喷泉实验将以往的单个氨气喷泉和氯化氢喷泉合二为一,但这绝非简单的堆砌,利用氨气易与氯化氢气体反应的特性,一方面能制造出白烟缭绕的景象,增加实验的趣味性;另一方面又起到指示作用——出现大量白烟时可认为已经收集满气体,解决了气体泄漏问题。在实验装置方面,为了延长喷泉的时间,增加颜色的多样性,引入定制三颈烧瓶,同一瓶中可实现三种颜色的喷泉,通过控制玻璃活塞来控制喷泉的颜色变化,这其中既涉及化学反应,又与颜色混合相关。整个实验集氨气、氯化氢的制取,收集,性质及尾气处理于一体,原理丰富,现象生动有趣,能够满足不同人群的学习需求。它打破了传统喷泉实验的局限,开拓了更多的实验思路,帮助人们认识负压的强大威力,同时氨气作为一种常用配体,与金属离子的配位反应带领大家走进配位化学。酸和碱看似相互对立,却又能相互转化,实现循环利用,蕴藏着哲学的智慧。

5 特点/特色/创新性声明

(1)将喷泉的颜色反应与白烟反应结合,观赏性强。

(2)绿色化:几乎无气体泄漏,实验药品用量少,且部分可回收利用。

(3)新创装置气密性好、喷泉量大,能实现多色喷泉且控制喷发顺序。

参考文献

李世贤,陈石夫.实验教学与仪器, 2010, No. 10, 26.

[本文引用: 1]

丁新华.教师, 2016, No. 1, 62.

[本文引用: 1]

施秀美.福建基础教育研究, 2019, No. 5, 118.

[本文引用: 1]

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