氨气倒吸原因的再探究及实验装置的改进
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作者:叶永谦 吴新建 张贤金
摘要：针对文献中对氨气等易溶性气体制备过程易发生倒吸原因的不同解释，改进了气体吸收实验装置。并就常见防倒吸装置存在尾气污染问题并就其原因作了分析，总结了影响倒吸现象发生的主要因素。基于温度控制设计了可以调控尾气处理及能防止气体倒吸的实验装置。
关键词：氨气吸收；尾气处理；实验装置改进，实验探究
1 问题的提出
中学化学演示易溶性气体制备实验时，必须选择合适的防尾气倒吸装置。姚培龙等老师利用氨气极易溶于水的性质，通过创设氨气倒吸“示错情境”及探究防倒吸装置培养学生的化学实验思维能力。总结出的防倒吸装置有肚容式、隔离式装置等[1]。其中肚容式装置可用倒扣的漏斗、干燥管等防止倒吸，隔离式装置可将导管插入烧杯中的下层四氯化碳防倒吸，再利用烧杯上层的水溶液吸收氨气（图1）。
范永钊老师通过实验发现，如果将易溶性气体装在试管插入水中，会迅速发生倒吸，倒吸与气体的溶解度较大有关[2]。马金余等老师却认为：发生强烈倒吸是由于气体或反应容器在溶解前后的温差变化引起；如果控制好温度变量，绝大部分气体（包括氨气等）在水或其它液体中的溶解速率都很慢，不会引起强烈倒吸；用水吸收易溶性气体时，可以不用倒扣漏斗而将导管直接插入水中，不会引起倒吸[3]。关于气体在水中的溶解速度，刘载荣老师的观点是还要考虑分子的极性[4]。正确的实验结果是检验化学真理的唯一标准[5]，对于倒吸原因存在的不同的解释，只有通过实证研究才能得出正确的结论。
2 基于温度变量控制的实验装置设计
关于尾气倒吸问题的研究，存在一个难点两个重点。一个难点是反应体系温度的测定和控制。根据马金余等老师的观点，要研究倒吸的原因必须控制温度变量。两个重点分别为尾气吸收的效果和防止倒吸的效果。如果一个尾气处理装置无法高效地吸收尾气，以至于造成空气污染，那么研究其防倒吸功能就失去了意义。因此，装置的设计必须能够控制温度变量，并兼顾尾气吸收效果的监测和防倒吸功能的对比。
药品方面，反应物越单一越有利于变量的控制，可以选择一定体积、一定浓度的浓氨水，通过水浴加热产生氨气进行研究。仪器方面，用酒精灯加热无法精准控制温度，使用水浴加热，并将温度计插入浓氨水中，可以控制和观察浓氨水的温度变化情况。将用于研究温度对乙醇燃烧火焰颜色影响的双层三口平底烧瓶[6]，与温度计、导管、倒扣漏斗及干燥管等组合，可以达到以上效果，四个用于探究倒吸原因的实验装置见图2。
以上仪器中，双层三口平底烧瓶作为气体发生装置，内筒规格为50mL，用于盛装20mL浓氨水，浓氨水不充满内筒而留有空气，目的在于模拟常见气体发生装置中空气的干扰。右瓶口用于将生成的氨气通入水中，导气管上贴有湿润的红色石蕊试纸，用于监测氨气的尾气吸收效果。尾气处理装置为图1四种（标号A、B、C、D），分别与发生装置的右管出气口连接。其中装置A、B、C分别使用玻璃导管、倒扣漏斗及干燥管置于水中，装置D使用玻璃导管插入烧杯内下层四氯化碳液体中（上层液体为蒸馏水），用于对比防倒吸的效果。中间瓶口用于往内筒加入浓氨水，并套上带有温度计的单孔塞，温度计底部与浓氨水相接触，实时监测浓氨水的温度变化情况。外筒规格为500mL，通过左瓶口往外筒加入热水对内筒液体进行水浴加热。必要时可以使用针筒将热水抽出或换用其它温度的水，使内筒浓氨水温度发生改变，用于对比不同温度下的尾气吸收效果和防倒吸效果。
3 实验过程及实验现象
3.1装置气密性的检验
按图2中装置A连接好仪器，往烧杯中加入蒸馏水至没过导管口，塞紧右瓶口、中瓶口橡皮塞，往左瓶口加入沸水至没过内筒，如果导管口有连续的气泡冒出，外拥姆兴抽出一段时间后，导管口倒流一段水柱且保持水柱高度不变，说明装置的气密性良好。装置B、C、D的气密性检验方法同上。
3.2药品的加入及水浴温度的控制
以装置A为例，实验开始时，往烧杯中的水溶液滴入几滴酚酞，用于检验氨水的生成。往中瓶口加入25%的浓氨水20mL，塞紧带有温度计的橡皮塞。往左瓶口加入沸水至内筒全部被浸没，观察烧杯中的气泡和溶液颜色变化情况，以及温度计温度变化、湿润红色石蕊试纸的变色情况。一段时间后，用针筒将外筒热水抽出使内筒与热水脱离，换用新的湿润红色石蕊试纸再观察。以上实验过程全程录像，通过视频回放进行有效对比。装置B、C、D的方法同上。
3.3空气的排出及氨气的生成
通过对比，发现实验前期加入沸水时，均出现烧杯中气体出口（导管口、漏斗口或干燥管口）有无色气泡缓慢冒出，溶液未变红色，说明该无色气泡为空气。一段时间后，气泡连续冒出，溶液颜色逐渐出现红色（装置D下层颜色不变，上层变红），说明有氨气生成。
3.4尾气吸收效果的监测
随着实验的进行，浓氨水的温度从30℃（实验时的室内温度）上升到70℃（因玻璃仪器等环境的吸热，浓氨水的温度未上升至100℃），内筒浓氨水出现沸腾现象，气体出口有大量气泡冒出，此时装置A的湿润红色石蕊试纸略微变蓝，装置B、D试纸有蓝色出现，装置C试纸蓝色最明显（图3）。以上现象说明当氨气生成速率较快时，四套装置的尾气吸收效果都不理想。
为了对比B、C、D三套装置在氨气气流比较平缓时的尾气吸收效果，用针筒将外筒中热水抽出使内筒与热水脱离，换用新的湿润红色石蕊试纸监测。发现三套装置中试纸仍然出现蓝色，且变蓝的程度区别不大，说明氨气气流较为平缓时，三套装置中仍然有氨气逸出，尾气处理的效果也不理想。
3.5防倒吸效果的对比及原因分析
（1）装置A的倒吸及原因分析
装置A当沸水加入外筒后一段时间，浓氨水温度稳定在70℃（外筒沸水未抽出），但随着氨水浓度的下降，氨气的生成速率较为缓慢时，出现了瞬间剧烈的倒吸现象。根据马金余等老师的观点，控制好温度变量，使用玻璃导管直接将易溶性气体通入水中可以吸收尾气，一般不会发生倒吸。装置A的倒吸反驳了以上观点，说明对于易溶性气体，通过控温仅使用玻璃导管通入水中是无法防止倒吸的。反应前期因氨水浓度大，氨气大量生成，装置内气体压强增大且有空气排出，不会发生倒吸。反应一段时间后，氨水浓度下降且装置内空气基本排空，此时虽然浓氨水的温度不变，但导管中充满的氨气会较快溶解于水中，导致水柱沿导管上升，当水柱遇到内筒大量的氨气时，瞬间发生剧烈的倒吸，氨水充满整个内筒。因此，倒吸发生的主要原因是氨气在水中的溶解度大且溶解速度快，溶解时产生的压强差导致的。
（2）装置B的防倒吸及尾气污染原因分析
装置B在实验前期沸水充满外筒时，有大量氨气随着空气冒出。空气难溶于水，但倒扣漏斗罩在液面上，空气无法顺利排出。只有当积累到一定体积时，漏斗内的氨气和空气一起从倒扣漏斗的边沿瞬间逸出，烧杯口湿润红色石蕊试纸变蓝。
实验后期，空气全部排出，当氨气产生速率小于氨气溶解速率，即会出现倒吸现象。当漏斗中液面上升至与烧杯中溶液脱离时，在重力作用下液面下降，阻止了倒吸的继续发生，但是氨气也在此瞬间从漏斗中逸出。
总结以上两种情况，倒扣的漏斗虽然能够防止倒吸的发生，却在实验前期和后期出现两种氨气逸出的情况，尾气处理的效果不理想。而且当漏斗口浸入液面的部分过深时，仍然会发生倒吸现象。
（3）装置C的倒吸问题及原因分析
装置C的防倒吸原理及导致尾气污染的原因与装置b相似，但是在实际操作中却出现意想不到的倒吸现象，即不管是干燥管的宽口接触液面，还是细口接触液面，只要插入液面的部分稍微深点，都在实验后期发生了瞬间的剧烈倒吸现象。
对比装置A、B、C的倒吸情况，可以看出气体管口与水的接触面积是影响倒吸的重要因素。管口越细，与水接触的面积越小，发生虹吸效应的可能性越大，水柱越容易上升，最终导致瞬间剧烈的倒吸。
对于装置B、C等气体出口（漏斗口、干燥管口）与水的接触面积较大的装置，该出口插入液面的距离也是影响倒吸的重要因素。
（4）装置D的防倒吸及尾气污染原因分析
装置D由于氨气与四氯化碳接触，可以防止倒吸现象的发生。但是依然出现了氨气逸出的问题，实验前期大量空气及氨气逸出，四氯化碳层出现剧烈的冒泡现象，由于气流过于剧烈，氨气无法与上层水溶液长时间接触，导致部分氨气逸出（图4左图）。即便是实验后期氨气生成速率趋于平缓，新换的湿润红色石蕊试纸依旧变蓝（图4中图）。由于烧杯中蒸馏水在吸收氨气后已经变为氨水，且在实验后期该氨水浓度较大，挥发出的氨气也是造成尾气处理效果不理想的原因之一。如果在烧杯中上层的水面上再覆盖一层植物油，仍然有氨气冲破油层逸出（图4右图），说明四氯化碳的存在虽然可以防止倒吸，但是整个体系对于氨气的尾气吸收效果并不理想。
4 实验结论及防倒吸装置的改进
4.1 尾气吸收效果不理想的主要原因
根据以上分析，可以看出以上四套装置在尾气处理效果均不够理想，主要有四方面原因：一是实验前期装置内空气逸出时将氨气带出；二是实验前期氨气浓度较高反应较快，大量氨气逸出无法被全部吸收；三是实验后期倒扣漏斗或干燥管内液体上升至与烧杯中溶液脱离掉下时，氨气在该瞬间逸出；四是实验后期烧杯中水溶液因吸收较多氨气已成为一定浓度的氨水，该氨水也会挥发出氨气，导致尾气吸收效果不理想。
4.2 影响倒吸现象发生的主要因素
对比四套装置，防倒吸效果最好的是装置D，即四氯化碳隔离法效果最好；其次是装置B和C，使用倒扣的漏斗及干燥管可以防止倒吸的发生，但需注意气体出口不可浸入液面过深；装置A在该实验条件下会发生剧烈的瞬间倒吸。总结以上实验，可以归纳出影响倒吸的主要因素有三个：一是气体在水中的溶解性，溶解度越大，溶解过程产生的压强差越容易导致倒吸现象的发生；二是尾气出口的管径，管径越小，越容易发生虹吸现象而倒吸；三是气体出口（漏斗口或干燥管口）插入液面的深度，插入越深，最终越易导致倒吸的发生。
4.3防倒吸装置的改进
以上四套装置中防倒吸效果最好的是装置D，因此在该装置基础上改进。改进的方向有两个，一是控制反应的温度，为了防止因温度过高导致氨馄流太快无法吸收，将沸水浴改为温水浴加热，或者往外筒中仅加入200mL沸水（不接触内筒），利用热的水蒸气对内筒加热，此时产生的氨气较为平缓，有利于尾气的充分吸收。二是提高尾气的吸收效率，在烧杯中上层水面上覆盖一层植物油的效果不理想，主要是因为实验后期上层溶液已成为一定浓度的氨水，快速吸收氨气的能力下降。为了提高上层溶液吸收氨气的能力，将水溶液改为一定浓度的稀硫酸，并滴入甲基橙监测稀硫酸吸收氨气的情况。只要甲基橙不变黄色，就意味着上层溶液为酸性，还可以作为氨气的吸收剂（图5）。
图5 改用滴有甲基橙的稀硫酸做吸收剂
通过改进，既防止了倒吸的发生，又避免了尾气的污染，换用新的湿润红色石蕊试纸监测，一段时间后试纸未见变蓝，氨气吸收效果较为理想（图6）。
图6 改进后的防倒吸装置氨气吸收效果好
《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》关于“科学探究与创新意识”素养的水平4要求中，明确指出“要能根据文献和实际需要提出探究课题，能对实验中的异常现象和已有结论进行反思、提出质疑和新的实验设想，并付诸实施”[7]。以上研究针对文献中对倒吸原因的不同解释，基于温度控制设计出监测尾气处理效果及防倒吸效果的实验装置，发现常见防倒吸装置存在尾气污染的问题并分析原因，总结出影响倒吸现象发生的主要因素，通过控制加热温度及使用稀硫酸作吸收剂改进了氨气的防倒吸装置，达到了较为理想的效果。问题的提出、仪器的设计及研究的过程有利于培养学生的批判质疑精神，促进创新素养的发展。
参考文献：
[1] 姚培龙，孙佳欢，任铁钢.实验教学中巧设“示错情境”发展化学思维――以“防倒吸装置及原理”教学为例[J].教育与装备研究，2020，36（05）：48～52.
[2] 范永钊.气体溶解引起倒吸原因的探究[J].化学教学，2001，（10）：7～8.
[3] 马金余，邵益君.氯化氢溶于水非得用“倒挂漏斗”吗？――关于“倒吸现象”的研究[J].化学教学，2006，（01）：9～10.
[4] 刘载荣，周志华.非极性气体在水中的溶解性和单位体积极化率判据[J].南京师大学报（自然科学版），1991（03）：47～51.
[5] 王祖浩.以实验创新研究促进学生学科核心素养的发展――《实验化学》教科书内容建构及学科特色探索[J].全球教育展望，2019，48（11）：59～70.
[6] 叶永谦，叶一勤，叶燕珠等.乙醇燃烧火焰颜色变化的实验探究[J].化学教学，2020，（06）：77～80.
[7] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）.北京：人民教育出版社，2020：91
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