“N₂及Mg₃N₂制备”实验是面对化学类大一学生开设的一个经典的基础化学实验项目^[1]，不仅融合了N₂的制备、净化、干燥的原理以及Mg₃N₂的制备原理与性质等，还涉及了化学反应动力学和热力学知识的理解与应用，有助于学生直观认识N₂的惰性和Mg₃N₂的活性以及对学生批判性思维的培养。同时，该实验也是一个很好的有关安全问题的载体，有助于培养学生的安全意识以及安全操作和团队合作的实践能力。

本实验的教学方式包括课前学生线上、线下学习，课中教师讲解、示范、演示和学生三人一组动手完成实验，以及课后以问题为导向的“先做后教、以做定教”的师生讨论、总结，并结合本实验中N₂制备、净化与Mg₃N₂制备条件以及理论课堂上学习的有关NH₃合成的实验条件，与学生一起探讨人工固氮研究的意义和老一辈科学家卢嘉锡、蔡启瑞院士等在固氮研究方面所取得的辉煌成就，以及目前固氮研究的方向和所取得的进展，引领学生初步认识科研，培养学生学以致用的能力。

“N₂及Mg₃N₂制备”实验是先利用NaNO₂固体与饱和NH₄Cl溶液在微热条件下相互作用来制备N₂，再经过净化、干燥后用球胆收集N₂。利用收集的N₂与少量Mg粉于300 ℃条件下制备得到Mg₃N₂固体，并试验Mg₃N₂的水解性，有关反应见方程式(1)、(2)和(3)。

(1)

(2)$ \mathrm{N}_{2}+3 \mathrm{Mg} \stackrel{300^{\circ} \mathrm{C}}{=} \mathrm{Mg}_{3} \mathrm{~N}_{2} $

(3)$ \begin{array}{l}\mathrm{Mg}_{3} \mathrm{~N}_{2}+6 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}=3 \mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_{2} \downarrow+2 \mathrm{NH}_{3} \uparrow\end{array} $

下面具体介绍N₂和Mg₃N₂的制备条件、制备过程及课程思政元素的有机融入方式。

N₂制备的简易装置实物图如图 1所示，实际上该制备N₂的简易装置具有潜在的不安全性，如何能安全有效地收集到N₂，需要注意以下几个方面。

要有效得到既纯净又干燥的N₂的首要条件就是保证制备装置的安全性和制备体系的密闭性。在组装仪器时，首先要注意检查洗气瓶的安装顺序以及导气管“长进短出”的方向性，否则，可能会使安全瓶中的空气难以排除干净，或当体系压力过大时，洗气瓶2中的吸收液可能被压入瓶3中造成吸收液的污染，或将吸收液压入干燥塔中。其次，要注意检查CaCl₂干燥塔帽的出气孔与干燥塔口出气孔的重合性，保证体系气路通畅，否则将导致体系压力过大而冲开洗气瓶盖或干燥塔帽等，或导致反应瓶爆炸而引发安全事故。此外，安全瓶盖、干燥塔帽、滴液漏斗和二通管的旋塞等需要正确涂好凡士林，否则或出现旋塞旋转不灵活，或可能导致系统漏气，或可能导致体系气路不畅而引发安全问题。手把手地教大一学生如何在滴液漏斗旋塞等几处涂好凡士林是很重要的，这项技术在后续实验课以及科研实验过程中也常会用到。

N₂制备反应启动前不仅要做好安全性和气密性检查，而且由于该反应快且剧烈等原因，提前做好反应过程及临近反应结束时的安全评估、提前考虑可能出现的安全问题及解决预案等的重要性凸显。

用图 1所示的简易装置制备N₂实验是一个具有潜在危险性的实验，也是一个富有刺激性、趣味性和成就感的实验。

首先，在学生课前学习以及对课中演示实验过程和结果认识的基础上，引领学生进一步从理论上分析对于如此剧烈的反应，为什么在反应开始前还要加热？

从演示实验过程可以知道，按照本实验的反应物量比关系，将NaNO₂固体与饱和NH₄Cl溶液混合，几乎看不到N₂气泡产生，即反应没有发生，这是因为NaNO₂与NH₄Cl反应是典型的复分解反应，但不符合复分解反应发生的条件(体系需生成沉淀、气体或弱电解质)。从反应式(1)可以看出，NH₄NO₂分解产生N₂才是NaNO₂与NH₄Cl复分解反应发生的动力(平衡向右移动)，但NaNO₂与NH₄Cl作用产生的NH₄NO₂再分解产生N₂的反应具有较高的活化能，而在室温时，产生N₂反应非常慢，以致于我们都觉察不到反应的发生；需要加热提供一定能量，即微微加热使反应启动。NH₄NO₂分解反应是放热反应，当反应启动后，反应所放出的热量足以满足反应所需的活化能而使反应进行完全。“微热”的程度决定了反应缓慢进行或剧烈进行。

从演示实验过程也可以看出，随着反应进行，体系放热越多，体系温度越高，反应越剧烈，如果不采取降温措施，白色的气雾、泡沫充满整个反应瓶，并直冲反应瓶侧管进入安全瓶，反应瓶整体就像白色的烟雾弹一样，呈现的反应景象既壮观又使人有点胆战心惊。

对于放热反应，如何降低反应速率？在该实验设计时，是想通过用滴液漏斗控制NH₄Cl饱和溶液的滴加速度来控制反应体系中NH₄Cl浓度以控制反应速率，但由于密闭体系有气体产生时，滴液漏斗中溶液难以滴下，即使用恒压漏斗解决了这一问题，但又由于体系反应过于平稳，体系中N₂的压力较小，难于将其收集于球胆中。

对于本实验给定的装置，采用湿抹布包裹反应瓶以及控制包裹反应瓶面积的大小，可以冷却反应液并有效控制反应的速率，保证反应既安全进行又能维持体系有足够的N₂压力而使其进入球胆。

通过上述N₂制备实验，让学生直观感受到温度对反应速率的影响，正如理论课上所讲到的，有的反应一旦启动，便迅速发生；有的反应极快，达到瞬间爆炸；也让学生进一步理解对于如此剧烈的放热反应，为什么一开始还要加热以及如何安全、有效地控制反应速率等问题。

对学生的安全意识及其安全实践能力的培养教育贯穿于这个实验教学始终，例如从涂抹凡士林到体系气密性和气路的通畅性检查，实验器皿在通风橱的摆放位置以及通风橱的使用规范，护目镜、手套的正确使用及湿抹布的提前准备，仪器安装顺序及实验操作顺序和停止加热时间的把握等，其中任何一个环节的疏忽，都可能会导致实验失败和或小或大的安全事故发生。做实验需要胆大心细。如果只是怕危险，而不是积极做好安全防护，可能什么事情也做不成，那也就不可能有创新。原创的科学是未知的，进行实验的每一步都可能会遇到危险，需要未雨绸缪，在动手实验前要做好实验环境和实验过程的安全评估和安全预测，可能会遇到什么不安全因素、如何预防等；并要具有安全实践的行动力，把不安全因素降到最低。

用本实验方法制得的N₂中含有少量氮氧化物等，需要用适当的吸收剂除去，才能得到纯净、干燥的N₂来进一步制备Mg₃N₂。

图 1中的安全瓶也叫缓冲瓶，用以缓冲气流，防止倒吸或使气体中烟尘等微小固体沉降，这种瓶子都是硬质玻璃的，骤热、骤冷会引起爆裂，所以在安全瓶中放入适量的水。作为安全瓶，一般来说，导气管应该是“短进短出”，这样才不会在停止加热时发生链式倒吸。但本实验制备出的N₂比空气轻，需要赶尽体系中的空气才能收集N₂，所以，实际操作时是导气管“长进短出”。在实验时，只要维持反应瓶中反应持续进行，在停止反应时，先打开滴液漏斗的旋塞和盖子使反应瓶与大气相通，就不会发生链式倒吸。

图 1中其他洗气瓶中装的吸收液分别是FeSO₄∙(NH₄)₂SO₄ (学生合成产品回收利用)饱和溶液和40% NaOH溶液，用以除去N₂气流中的O₂及NO和NO₂，有关反应见方程式(4)、(5)、(6)和(7)。

(4)$ \begin{aligned} 2 \mathrm{Fe}^{2+}+1 / 2 \mathrm{O}_2+2 \mathrm{H}^{+}=2 \mathrm{Fe}^{3+}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \end{aligned}$

(5)$ \mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{NO}=[\mathrm{Fe}(\mathrm{NO})]^{2+} $

(6)$ 2 \mathrm{NO}_2+2 \mathrm{OH}^{-}=\mathrm{NO}_3^{-}+\mathrm{NO}_2^{-}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} $

(7)$ \mathrm{NO}+\mathrm{NO}_2+2 \mathrm{OH}^{-}=2 \mathrm{NO}_2^{-}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} $

干燥塔中的干燥剂无水CaCl₂吸收N₂气流中的H₂O形成CaCl₂∙6H₂O而达到干燥N₂的目的。干燥塔中的干燥剂无水CaCl₂颗粒不能太大或装的太密实，颗粒太大，吸水效果不好，装的太密实会导致气流不畅，造成洗气瓶或安全瓶盖被冲开等一系列问题，导致实验失败或安全事故，也因此该实验需安排在通风橱里进行。对于装好干燥剂的干燥塔，为了防止干燥剂吸水失效，在使用前后如何保养干燥塔，也是需要提醒学生注意的。

如上所述，本实验制备的N₂中含有氮氧化物和O₂及水蒸气，直接与Mg粉反应不能得到Mg₃N₂，需要对N₂进行净化和干燥，但这样的洗气、干燥条件和流程所得到的N₂不能满足更高实验要求。20世纪70年代，因当时市面上根本买不到高纯N₂，厦门大学蔡启瑞为了当时固氮酶活性中心模型化合物合成研究实验之需，自己亲自设计组装了一套N₂净化装置来净化其实验所需高纯N₂，图 2为该N₂净化装置的模型实物(现收展于厦门大学化学化工学院“仪器示教中心”，并在此实验教学环节适时带领学生到“仪器示教中心”实地参观和学习)照片^[2]。

学生可能难以想象当时国力较弱，科技多么地不发达，连N₂净化设备都没有，高纯N₂也买不到，蔡先生白手起家，亲自设计组装了这套N₂净化装置，以满足其科研之需。现在再看这套装置，似乎微不足道，而再看蔡先生的人生和对我国催化学科的贡献，无不说明从小事做起才能做大事的人，就是靠着从小事做起的认真习惯和遇到问题有解决问题的意识和解决问题的行动力，终成一代大师。

20世纪50年代，我国的化学工业和炼油工业还十分落后，要改变这一现状，催化科学是关键。虽已在结构化学小有名气，但在国家最需要的时候，44岁的蔡启瑞毅然决定转行从事催化研究。“国家需要什么，我就做什么”的家国情怀感人至深。因为热爱(对祖国的热爱、对科学的热爱)，所以投入，成为公认的中国催化科学研究与配位催化理论概念的奠基人和开拓者。通过对蔡先生这些事例的介绍，让大一学生初步认识到科研兴趣是创新的源泉和动力，它服务于国家的需要，服务于国家安全和社会发展的重大需求，承载着对社会的责任。

用上述收集到的纯净、干燥N₂与Mg粉反应制备Mg₃N₂，其制备简易装置实物图如图 3所示。

我们知道，N₂在常温下是不活泼的气体，但在高温时，可与Mg生成Mg₃N₂，同时Mg也能与O₂和H₂O反应，而且产物Mg₃N₂对水敏感，因此，Mg₃N₂的制备过程要求无氧、无水。应用纯净、干燥的N₂是该实验成功的关键，同时，也要先通N₂将体系中空气赶尽后再充分加热，这时的N₂既是反应物，又起到保护气氛的作用^[3]。

当然，制备体系也要密闭，以免反应过程体系中进入空气和水分，造成实验失败。如图 3中的反应管要干燥且反应管口端要略向下倾斜，以防止实验过程水倒吸造成Mg₃N₂水解或反应管爆裂而引发安全事故；在反应过程中，要始终保持反应体系内的压力稍大于外界的大气压，以气泡在烧杯中一个接一个地冒出为宜。如果发现烧杯中的气泡明显减少时，应用手适度挤压N₂球胆以增大N₂的供应量使反应完全。

实验结束时，也要切记先将导气管移离液面，并将烧杯移开，才能停止加热，否则停止加热后必然造成倒吸而引起实验失败或安全事故。

待反应体系冷却后，及时将反应管中的产物转至干燥的表面皿中，可看到黄绿色产物Mg₃N₂。有学生看到表面灰白色物质，就认为是Mg₃N₂，其实用玻棒拨开产物表面的灰白色物质才能看到黄绿色产物。为什么Mg₃N₂固体是黄绿色而不是白色的？灰白色物质又是什么？也是值得学生思考和探究的问题。

此外，在实验前，也要对所使用的化学试剂的性质有一个全面的了解和认识，如本实验中用到的活泼金属Mg粉，遇水或潮气反应放出氢气，并大量放热，引起燃烧或爆炸。尽管在本实验中每组学生使用的Mg粉量很少，但发放到实验室的Mg粉也要保存得当，要远离水、火。不能在学生实验现场存放大量Mg粉，否则，可能会因某种原因引起Mg粉燃烧爆炸等事故。近几年，几所高校使用金属粉末引发爆炸致人伤亡的案例，无时无刻不在警示和告诫我们，在实验室里没有100%的安全(其实做任何事情，都可能有潜在的危险)，只有100%的安全防范意识和责任意识及法律意识。

我们在中学化学和生物课中已经知道固氮的三种基本方式，如图 4所示，而Mg₃N₂制备过程也可以认为是人工固氮的一种方式。从上述Mg₃N₂制备实验条件和过程可以看出，N₂与活泼金属Mg粉反应还需要300 ℃高温条件，直观感受到了N₂的惰性，也说明了这种固氮方法条件苛刻、成本很高。

工业合成NH₃技术是20世纪最重大的科学发现之一，为确保人类社会可持续发展做出了重大贡献。合成NH₃技术的创立开辟了人工固氮的重要途径，而我们在中学就熟悉的NH₃的合成就是最成熟的人工固氮方式，从热力学和动力学角度分析，综合考虑合成NH₃的转化率和反应速率，利用大气N₂合成NH₃还需要高能量，即需要在高压(~30 MPa)、高温(~500 ℃)并使用铁触媒加速反应和提高转化率^[4]。该技术虽经100多年的发展，但仍需在高温高压下进行，所需能耗极大，其年均能耗约占到世界能源总消耗的1%–2%，它所产生的CO₂年排放量约占总温室气体的1.5%。因此，如果能够实现在常温常压下N₂和H₂高效反应合成NH₃，那也是多少年来人们梦寐以求的。特别是如果合成NH₃过程中的驱动能量还能由可持续的绿色能源供给，将能够彻底克服目前合成NH₃所面临的涉及能耗、污染以及安全性等方面的问题。

尤其当前，为了实现碳达峰、碳中和国家目标，迫切需要开发绿色合成NH₃新技术，进而推动氨能源和“氨经济”发展。因此，开展仿生化学模拟生物固氮酶，实现温和条件下催化N₂合成NH₃在新时期具有重大的科学意义和产业需求。

大自然早已证实常温常压下合成NH₃的可行性——含有固氮酶的微生物(譬如根瘤菌)可以在常温常压下将N₂还原为NH₃。正是这种天然的催化剂给予了人们莫大的启发(也是人们认识自然的结果)，如何能够像自然界中一些植物的根瘤菌作为催化剂而在常温、常压的低能量条件下把空气中的N₂转化为氮化合物，早在20世纪70年代初，我国科学家就致力于这样的模拟工作并取得了令世人瞩目的成就。

早在20世纪70年代初，我国著名化学家卢嘉锡、蔡启瑞和唐敖庆在极其艰苦的条件下共同发起了模拟生物固氮的基础研究。结合结构化学和催化理论与量化计算，蔡启瑞与卢嘉锡分别在厦门和福州，从略微不同的角度在国际上最早提出了原子簇结构的固氮酶活性中心模型，最初并称为“厦门模型”与“福州模型”，后被化学界称为“福建模型”，并有力地促进了我国原子簇化学的发展^{[5, 6]}。在中国化学史上，有关模拟生物固氮的“福建模型”是催化化学研究达到的一个高峰。这些成果在1978年美国召开的第3届国际固氮大会上就受到了同行的关注，直到2003年在北京召开的第14届国际固氮大会上，我国科学家的有关研究一直受到重视和好评，这些国际水平的辉煌成就可归功于卢嘉锡先生曾经提出过的三个“CO”：除了竞争Competition，还需要合作Cooperation和协调Coordination ^[7]。这也是百年来厦大化学人敢为先、重细节、合为贵的学科文化的一直实践的体现。

N₂中的N≡N非常稳定，在常温常压下，N₂和H₂的反应在动力学上非常难于进行，而自然环境条件下植物信手拈来的事情，为什么在实验上却很难实现？围绕着人工固氮研究的这一最基本的科学问题，50多年来，我国科学家也一直致力于常温、常压下“人工固氮”的新方法研究，并取得了一系列可喜成果。如大连理工大学研究团队等使用廉价易得的双核铁硫簇合物为反应前体，设计合成了第一例结构明确的硫桥联双铁氮桥固氮酶模型配合物。通过进一步的实验化学与计算化学结合，证实了双铁胺化物是该氮化物氢化还原放NH₃过程的关键中间体。该项研究从分子水平阐释了铁氮物种是工业合成NH₃和生物固氮过程的关键中间体，将为开发更加温和高效的绿色合成NH₃新催化剂提供了重要的研究方案和设计策略^[8]。

特别是近年来，一些基于光催化、电催化的固氮体系被陆续证实可利用可再生能源在常温常压下实现N₂还原固氮，如华南理工大学团队利用MXene (二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物)作为催化剂活性中心实现了NH₃的电化学高效合成，从而实现常温常压下高效的电化学固氮^[9]。

但直至目前为止，如何构建像固氮酶那样精巧的催化剂将是常温常压下高效固氮的主要挑战。

通过学生比较熟悉的人工固氮的有关内容的介绍，让大一学生初步了解什么是“科研”以及做科研的意义和价值。

自然界是一个大平衡，不管刮风、下雨、下雪、地震等自然现象都是平衡移动的产物。在研究高效、便宜、安全、环保地实现人工固氮的过程中，我们也要认识到人工固氮可能带来的生态问题，以确保人类社会可持续发展。

“N₂与Mg₃N₂制备”实验教学过程是集知识传授、兴趣启蒙、全局安全意识和安全实践行动力培养与价值引领于一体的实验教学过程。也是对学生“思政”能力的有效训练和有效实践过程。

通过实例可以看出，科学家既要有家国情怀，也要有勇于创新、刻苦攻关和无私奉献的精神；通过实例，培养学生的社会责任感和家国情怀的意识；引领学生充分认识科学研究在强国中的重要性，培养学生科技报国的理念；引导和鼓励青年学生以前辈为榜样，继续从大局着眼、从细节入手，脚踏实地学好本领，肩负起新时代的重任。

“教书育人”一直以来都是教师的基本责任和义务，德智体美劳的教育目标也一直没有改变过。实验课程教学内容的设计主要聚焦于“智育”，思政元素的设计则可以从其他四个方面，即“德育”“体育”“美育”和“劳育”进行仔细考虑。细看基础化学实验长期以来的教学目标，即“在实验教学过程贯穿水、火、电、毒、伤的安全教育和环保理念，特别强调规范操作以保障人身、财产安全和获得科学的数据和结果，培养学生从一开始就树立严谨务实的科学态度、认真细致的工作作风、条理整洁的良好习惯、互助协作的团队精神以及自主学习能力和终身学习意识”，可以看到，思政育人元素一直都存在于教学过程中。此外，化学史、职业健康、科学与艺术等题材也可以提供大量、丰富、可借鉴的元素，配合实验室这一能够提供“劳育”的情境，在基础化学实验中设计思政育人教学内容也就有迹可循。