侯氏制碱模拟实验的改进

孙鹏

摘要： 用注射器代替胶头滴管和量筒转移饱和食盐水，用医用引流袋代替集气瓶收集氨气和二氧化碳，成功地将侯氏制碱模拟实验带进课堂。改进后的实验具有现象明显、成功率高、见效快等优点，“碳酸氫钠饱和而析出”这一实验现象尤为突出。可作为初、高中“侯氏制碱法”原理教学的辅助实验。

关键词： 侯氏制碱法； 实验改进； 学生实验； 碳酸氢钠

文章编号： 10056629（2023）08006203中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 提出问题

《义务教育化学课程标准（2022年版）》［1］关于物质的性质与应用的情境素材建议中提出可以将侯德榜对我国制碱工业的贡献作为教学情境。在《上海市中学化学课程标准（试行稿）》［2］中，对“制碱原理”规定的学习水平是“理解”，对“侯氏与索氏法的比较”的规定是“掌握”，属学习水平中的最高要求。无论在初中还是高中“侯氏制碱法”都是教学中重要的知识点和高频考点。它关联着钠及其化合物等元素化合物知识；关联着综合化学实验和工业流程设计；关联着溶解平衡、电离平衡、水解平衡等基本化学反应原理；承载着弘扬民族自信、进行爱国主义教育的情感态度价值观的教育［3］。侯氏制碱法模拟实验可分为两步：第一步是向饱和食盐水中先后通入氨气和二氧化碳，生成碳酸氢钠和氯化铵。总反应的方程式可表示为NaCl+H2O+NH3+CO2NaHCO3↓+NH4Cl，碳酸氢钠在常温下溶解度较小，达到饱和而析出；第二步是将过滤所得的碳酸氢钠固体加热分解，制得产品——纯碱。教师模拟制碱的难点是第一步“碳酸氢钠饱和而析出”的现象难以在短时间内被观察到。查阅资料，针对这一问题的改进和创新实验较多。例如案例一：饱和食盐水和饱和碳酸氢铵溶液混合［4］，笔者尝试多次均未在40分钟内观察到沉淀。分析原因，两种溶液混合使溶剂约增加至原溶液的三倍，碳酸氢钠难以达到饱和。将两种饱和溶液混合制碱也不符合侯氏制碱工艺原理；案例二：现场制备氨气和二氧化碳先后通入饱和食盐水中［5］，这是最原始的方法。但现场制取氨气容易泄露且耗时较长，结晶速度非常慢，需要长时间静置；案例三：利用超声雾化器和恒温器等设备制碱［6］，存在设备不易获取的困难。

为了解决上述问题，笔者将医疗器械融合在改进实验中，经过教师实验和学生分组测试，获得不错的效果。

2 实验方案

2.1 仪器与药品

实验仪器：医用一次性引流袋（容积1000mL）×2、医用10mL注射器×1、固体加热型发生装置一套、固液不加热型发生装置一套、烧杯1只、小试管1支、酒精灯1个、宽胶带若干

实验药品：硫酸铵固体和氧化钙固体、大理石和稀盐酸、氯化钠和蒸馏水等

2.2 准备阶段

（1） 硫酸铵和氧化钙固体混合后加热，见图1。将产生的氨气通入引流袋至体积不再变化（此处耗时较长，约15分钟）。关闭引流袋自带旋塞，贴上标签，并在引流袋中下部粘贴长约5cm宽胶带，备用。粘贴胶带处即是学生注射和取出液体位置，胶带作用是密封针孔。

（2） 用大理石和稀盐酸制取二氧化碳，见图2。将产生的二氧化碳通入引流袋中至体积不再变化。关闭引流袋自带旋塞，贴上标签和宽胶带，备用。

（3） 在烧杯中配制20mL饱和氯化钠溶液，备用。

2.3 实验过程

步骤1：揭开盛有氨气的引流袋外侧宽胶带一角，用注射器吸取约5mL饱和食盐水，然后注入引流袋中，重新贴好胶带防止漏气。

步骤2：手握两端，快速、上下振荡引流袋10次。观察到装有氨气的引流袋完全变瘪。

步骤3：再次撕开胶带，用注射器将袋中液体全部吸出，得到氨盐水。

步骤4：参照步骤1，将所得上述液体注入装有二氧化碳的引流袋中，快速、用力振荡引流袋20次。将引流袋向同一方向甩动，使液体和析出的固体集中在引流袋一角，静置10秒。

步骤5：重复振荡、甩动和静置引流袋3次。观察到引流袋体积变小，约为原气体体积的一半。

步骤6：用注射器吸取全部混合物，转移到干净的小试管中，观察到有较多悬浮的固体。静置12小时后有更多晶体沉降。实验过程环境温度在6℃左右。

3 实验结果与讨论

学生分组实验均能在8分钟内观察到明显的浑浊现象，即碳酸氢钠饱和析出。静止12小时后试管底部出现大量晶体，可用于后续定性和定量探究。

将5mL饱和食盐水充分反应所得的悬浊液静置，过滤，干燥得0.33g固体A。取适量固体A于试管中充分加热，生成能使澄清石灰水变浑浊的气体，试管口有水珠出现，充分加热后仍有剩余固体B。将加热所得固体B溶于水形成无色透明溶液，向其中缓慢滴加稀盐酸观察到一开始无气泡产生，继续滴加稀盐酸后产生大量气泡，产生气泡现象与向碳酸钠溶液中滴加稀盐酸的现象一致。另取固体A溶于水形成溶液，向其中滴加稀盐酸立即有大量气泡产生，产生气泡现象与向碳酸氢钠溶液中滴加稀盐酸的现象一致。

改进后的实验缩短了沉淀出现的时间，方便教师在课堂上开展侯氏制碱法探究活动。也可让学生分组实验，从理论学习转变为实践学习。注射器和引流袋的组合将

“向液体中通气体”的操作改为“向气体中加液体”，与侯氏制碱法中“先通氨气后通二氧化碳”的过程相一致。如有需要，可以设计相反的分组实验，将注射的顺序由先氨气改为先二氧化碳，观察沉淀现象和引流袋体积的变化情况。实验在课堂上的功能可以根据实际教学课时和教学内容作灵活调整。

4 提高实验成功率的注意点

第一，选择大容积引流袋，保证实验所需气体充足。20℃时碳酸氢钠的溶解度为9.6g，5mL水最多能溶解0.48g碳酸氢钠，需要氨气质量约为0.0971g，根据摩尔体积计算，理论上需要标况下的氨气体积约为1279.9mL。容积为1000mL的引流袋集满氨气和二氧化碳可满足实验需求。笔者向相同体积氨气中分别加入5mL和10mL饱和食盐水进行对比，均能观察到明显的沉淀。5mL饱和食盐水产生的沉淀在小试管中更适合学生做振荡操作和现象观察。

第二，注意实验过程中的散热问题，关注振荡操作的技巧。氨盐水和二氧化碳反应是放热反应，实验时能明显感知到引流袋表面温度升高，又因碳酸氢钠的溶解度随温度升高而增大，温度越低结晶效果越好。实验时需剧烈振荡引流袋，引流袋表面积大，与外界热传递速度快，能达到迅速降温的效果。笔者在6℃和18℃两个温度条件下完成实验对比发现：温度低时易形成细小颗粒状沉淀，颗粒清晰层次分明；温度高则形成棉絮状沉淀，类似石灰水变浑浊的现象。反应生成的碳酸氢钠从溶液中结晶的速度较慢，振荡会导致微小的晶体附着在引流袋内壁。因此，每振荡20次后需要将引流袋朝着一个方向甩动几次，使附着的晶体与溶液再次融合，析出的固体作为晶核能使结晶速度明显加快。

第三，注射器转移液体要做到无残留。笔者在多次实验过程中均发现一个异常现象。将饱和食盐水注入氨气中振荡后，液体中出现白色沉淀，观察浑浊状态类似于面粉在水中分散的现象。为解释这一现象做了以下三组实验：首先，将氨盐水上层清液取出后注入二氧化碳中，无明显现象；将引流袋中全部悬浊液取出注入二氧化碳中，先观察到浑浊消失，充分振荡后再次出现沉淀。其次，将最终制得的“碳酸氢钠”悬浊液静止12小时后析出的固体过滤，溶解在20mL水中，固体完全溶解，无任何难溶性固体杂质。最后，取相同方法收集的两袋氨气分别加入等体积的饱和食盐水和蒸馏水，只有加入饱和食盐水的引流袋中出现浑浊，可以说明沉淀并不是氢氧化钙或碳酸钙等物质。查阅资料，在低温下氯化铵的溶解度小于氯化钠，氨盐水浑浊的原因是氯化铵饱和而析出。所以，用注射器吸取时需将氨盐水全部吸出，尤其是袋中的沉淀物质，这是后续碳酸氢钠成功结晶的关键。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 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.

［2］上海市教育委員会. 上海市中学化学课程标准（试行稿）［S］. 上海： 上海教育出版社， 2005： 89.

［3］薛琴， 黄谦. 遵循认知规律多角度认识侯氏制碱法［J］. 化学教与学， 2021， （8）： 16～18.

［4］陆丽洁， 刘丽君. 模拟工业制备纯碱的实验设计［J］. 化学教学， 2014， （1）： 52～54.

［5］刘怀乐. 纯碱生产实验的秘诀［J］. 化学教学， 2011， （1）： 48～49.

［6］田雅玲， 贾光弟等. 利用超声雾化技术优化“侯氏制碱”模拟实验［J］. 化学教学， 2020， （4）： 61～63.

*苏州市工业园区十四五教育科研课题“化学史融入初中化学教学的研究与实践”（课题编号syk2021023）的阶段性研究成果。