物质能量双重视角下的碳酸氢铵加热实验改进

摘要

针对沪教版教材中“加热碳酸氢铵”实验现存的操作局限性与现象不明显等问题，在梳理国内外相关文献的基础上，通过增设防溅球装置并采用恒温水浴加热方式，同时创新性地引入物质与能量转化的双重视角对该实验进行系统优化设计。改进后的实验装置不仅实现了绿色环保与节能，且操作更为简便安全，实验现象直观显著，重现性与成功率极高，既完美适配于教师的课堂演示教学，同时也完全满足学生分组探究实验的实际需求。

Graphical abstract

关键词

碳酸氢铵 / 物质能量 / 双重视角 / 实验改进 / 能量转化 / 防溅球 / 水浴加热

沪教版化学九年级第一章第二节安排了“加热碳酸氢铵”实验（图1）。作为初中化学入门阶段的经典实验，其在帮助学生感知化学变化特征、培养基于证据的推理能力方面具有重要作用。实验具体操作如下：取少量碳酸氢铵粉末置于试管中，用酒精灯加热；学生通过观察管壁出现的水珠及闻到的氨气刺激性气味，推断分解产物，进而得出碳酸氢铵受热易分解的结论^［1］。

在教学实践中，笔者发现沪教版中该实验存在以下不足。

（1） 该实验通常在初秋进行，此时天气较为炎热，打开试剂瓶即有刺激性气味逸出。这易使学生产生困惑：逸出的气体是碳酸氢铵本身，还是其分解产生的氨气？

（2） 装置呈开放状态，反应生成的氨气直接排入空气，不仅污染教室环境，也违背了绿色化学理念。

（3） 依据课程标准，化学观念应包含“物质变化”与“能量转化”双重维度^［2］。然而教学中往往重产物检验，轻能量转化的直观探究。

（4） 鉴于学生初学化学，操作技能薄弱，实验中极易发生倒吸或试管破裂，致使该实验难以开展分组探究。

1 已有研究概述

在中国知网以“碳酸氢铵分解”等为关键词检索，获得多篇相关文献。这些研究成果虽具有一定的创新性，对后续改进有启发，但仍存在不足之处。

1.1 利用生活中常见用品改进实验

雍世伟^［3］对碳酸氢铵受热分解实验进行改进（图2）的问题为：①酚酞试液中的水干扰了产物中水的检验；②雪碧瓶和铜片难以保证气密性，且未对氨气进行尾气处理；③试管中的石灰水存在倒吸风险。

1.2 利用常规实验仪器重组改进实验装置

张静^［4］对该实验进行改进（图3）的问题为：①采用水浴加热，水与反应体系直接接触，干扰了产物中水的检验；②未排除二氧化碳对氨气检验的干扰，且酚酞滴加时机不易把握，难以观察到溶液变红现象。

1.3 利用自制仪器装置改进实验

杨爱芳等^［5］利用双具支试管设计新装置（图4）的问题为：①未排除二氧化碳对氨气检验的干扰，难以观察到酚酞变红现象；②注射器内的液体易发生倒吸。

2 实验改进

2.1 设计理念

教材编排该实验的目的包含两点：一是引导学生基于宏观实验现象深入认识化学反应的基本特征；二是理解物质的性质决定其用途，从而学会科学地利用化学物质。笔者的改进方案采用水浴加热精准控温以替代酒精灯，利用无水硫酸铜遇水变蓝定性检验水的生成；利用澄清石灰水变浑浊定性检验二氧化碳的生成；利用湿润酚酞试纸变红定性检验氨气的生成。为有效排除二氧化碳对氨气检验的干扰，巧妙利用疏水PTFE滤纸包覆氢氧化钠颗粒，选择性吸收二氧化碳。在整个实验中，借助威尼尔温度传感器实时监测反应体系的温度变化，通过增设空白对照实验，用数据充分说明碳酸氢铵受热分解为吸热反应。实验完毕，巧妙利用氨气极易溶于水的物理特性完成尾气吸收处理。

整套实验装置的设计创新在于，将碳酸氢铵的加热分解、尾气无害化处理及能量变化定量观测三大功能高度集成于一体，能够高效且稳定地支持教师进行课堂演示实验或引导学生开展分组探究实验。

2.2 改进方案

根据设计理念，具体的改进方案为：①增设空白对照组，采用两套完全相同的装置，一套加入碳酸氢铵加热分解，另一套留空作对比；②气体产物从上下两个端口分别进行检验，实现产物的一一验证；③利用弹簧夹夹紧橡胶管，演示时可将整套装置脱离热源后进行巡回展示，方便全体观察。展示完毕，将导管直接通入水中，利用氨气的水溶性完成尾气处理。

2.3 实验原理

（1） \mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{̿}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\uparrow +{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\uparrow。

（2） 氨气溶于水显碱性，可以使酚酞试纸变红。

（3） 无水硫酸铜遇水从白色变为蓝色。

（4） 二氧化碳可以使澄清石灰水变浑浊。

（5） 由于采用热水浴加热，分解生成的氨气、水和二氧化碳会重新生成碳酸氢铵。碳酸氢铵的水溶液呈碱性，25 ℃时，0.1 mol/L的碳酸氢铵溶液pH约为7.8，在石蕊试液的变色范围内，但不在酚酞的变色范围内，故采用酚酞试纸检验氨气。

（6） 二氧化碳与氢氧化钠发生反应：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O。用疏水PTFE滤纸包裹氢氧化钠颗粒，避免氢氧化钠的碱性干扰下方酚酞试纸对氨气的检验。

2.4 实验用品

仪器：球形防溅漏斗（50 mL）、烧杯、导管、橡胶塞、弹簧夹、镊子、威尼尔温度传感器、单向阀。

药品及试剂：碳酸氢铵固体、澄清石灰水、无水硫酸铜粉末、氢氧化钠颗粒、酚酞试纸、脱脂棉、疏水PTFE滤纸。

2.5 实验装置

（1） 核心反应装置的制作。

加热碳酸氢铵分解实验改进装置核心组件的制作：一是采用防溅球作为碳酸氢铵的主要反应容器，可直接在网店购买；二是选用合适的带导管的单孔塞和试管塞，确保装置具有良好的气密性（图5）。

（2） 装置组装。

用中药包裹法处理氢氧化钠颗粒，将包裹好的氢氧化钠置于装置下端口，其下方放置酚酞试纸，然后塞紧橡胶塞。在上端口放入用脱脂棉包裹的无水硫酸铜粉末，塞上带有导管的单孔塞，并将导管另一端通入澄清石灰水中（图6）。加入热水后，使用威尼尔温度传感器全程监测实验过程中的温度变化。

2.6 实验操作

（1） 连接仪器，检查装置的气密性。

（2） 在防溅球中放入碳酸氢铵固体，在上端口放入包有无水硫酸铜粉末的脱脂棉。用带导管的单孔塞将防溅球上口塞住，并通过导管与装有澄清石灰水的烧杯相连。在漏斗下端口放入用疏水PTFE滤纸包裹的氢氧化钠颗粒，下方放置酚酞试纸，用橡胶塞塞紧下端口。

（3） 在两个500 mL的烧杯中加入约450 mL热水，用温度传感器测量水温的变化。

（4） 将装有药品的防溅球和无药品的防溅球同时放入热水中，观察温度曲线的变化。

（5） 用止水夹夹紧橡皮管，将导管放入大烧杯中，松开止水夹，实现尾气处理。

2.7 实验现象及解释

（1） 初期，温度传感器采集的两条数据曲线基本重合。放入反应器后，曲线迅速出现变化。加热碳酸氢铵分解的曲线位于水在空气中自动散热的曲线下方（图7），说明加热碳酸氢铵分解为吸热反应。

（2） 漏斗内的碳酸氢铵受到水浴加热后迅速分解，固体表面产生大量气泡，澄清石灰水变浑浊。漏斗下部酚酞试纸变红，包有无水硫酸铜粉末的脱脂棉变蓝。

（3） 用弹簧夹夹紧橡皮管，将导管放入烧杯中的热水内，利用氨气极易溶于水的性质直接进行尾气处理。

3 实验优点

（1） 操作简单，现象明显。实验装置可重复使用，既能用于演示实验，也能用于分组实验，适合课堂推广。

（2） 装置密封性良好，避免污染教室空气。

（3） 采用水浴加热替代酒精灯，有利于控温、使碳酸氢铵受热均匀且节能环保；烧杯中的水在使实验现象更明显、过程更清晰的同时，还能吸收氨气，实现尾气处理。

（4） 一体化设计实现了对3种分解产物的有效分离，清晰展示了各自的性质差异，有助于学生认识化学变化的特征，培养基于实验事实进行证据推理的能力。

（5） 帮助学生明确了化学反应的认识角度，包括物质变化和能量变化。

参考文献

[1] 王祖浩.义务教育教科书化学九年级上册［M］.上海：上海教育出版社，2024．

[2] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[3] 雍世伟.对碳酸氢铵受热分解实验的再改进［J］.新高考（升学考试），2015（11）：12-13.

[4] 张静.碳酸氢铵加热分解反应实验的改进［J］.化学教学，2023（08）：64-66.

[5] 杨爱芳，李德前.用双具支试管设计新的实验装置及其应用［J］.化学教学，2024（04）：73-76.

基金资助

江苏省教研室第15期立项课题“指向‘科学探究与实践’的初中化学实验创新教学研究”(2023JY15-L94)