微型離子反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)與研制

金子爍，趙明雪，朱寶偉，劉海燕

(1.遼寧省實(shí)驗(yàn)中學(xué) 營口分校， 遼寧 營口 115003； 2.營口理工學(xué)院 化學(xué)與材料工程系，遼寧 營口 115014)

微型離子反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)與研制

金子爍1，趙明雪1，朱寶偉2，劉海燕2

(1.遼寧省實(shí)驗(yàn)中學(xué) 營口分校， 遼寧 營口 115003； 2.營口理工學(xué)院 化學(xué)與材料工程系，遼寧 營口 115014)

該裝置利用毛細(xì)管虹吸和微量進(jìn)樣器輔助壓力的作用，將反應(yīng)物注射在微型反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并通過顯微鏡與電腦和投影儀聯(lián)機(jī)，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行放大演示。超微型離子反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低，藥品用量極少，減少環(huán)境污染，更便于清晰的觀察實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果。

微型反應(yīng)器；離子反應(yīng)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)

高中化學(xué)課堂上，老師用試管做離子反應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，坐在教室后排的學(xué)生很難觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)藥品用量大、反應(yīng)時(shí)間長、經(jīng)常出現(xiàn)教室空氣污染超標(biāo)等現(xiàn)象，而且實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的“廢水”“廢氣”“廢渣”難于處理。目前通過微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)可降低試驗(yàn)藥品用量，縮短反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)解決強(qiáng)腐蝕、有毒和高污染排放等諸多難題[1-2]。然而國內(nèi)外研究的微型化學(xué)反應(yīng)裝置，一般適合學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里操作實(shí)驗(yàn)，不適合教師課堂演示時(shí)使用[3-4]。針對上述現(xiàn)象，我們設(shè)計(jì)研制一種能在顯微鏡下觀察化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)裝置，通過數(shù)碼光學(xué)顯微鏡與電腦和投影儀聯(lián)機(jī)，把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過多媒體投影到大屏幕上，讓全班同學(xué)都能清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)微觀反應(yīng)過程的放大化，給同學(xué)們帶來非常直觀視覺刺激與感受，激發(fā)他們學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，展示出化學(xué)學(xué)科的魅力。

1 微型離子反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)原理

微型離子反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)原理是將反應(yīng)容器設(shè)計(jì)到微升級別，通過顯微鏡觀察到化學(xué)反應(yīng)過程。我們利用毛細(xì)管虹吸和微量進(jìn)樣器輔助壓力的作用，使反應(yīng)物在微型反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行充分反應(yīng)，反應(yīng)過程通過視頻輸出，在多媒體投影儀上放大放映。反應(yīng)結(jié)束后，可用微量進(jìn)樣器負(fù)壓將產(chǎn)物吸出，反應(yīng)裝置可以重復(fù)使用。

2 微型離子反應(yīng)裝置的研制

最初利用實(shí)驗(yàn)室中常見的毛細(xì)管、載玻片、硅膠材料、微量注射器等自行研制了第一批簡易微型離子反應(yīng)器。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)進(jìn)樣通路，一個(gè)反應(yīng)腔，兩個(gè)蓋玻片，一個(gè)注射器組成(如圖1)。

圖1 簡易微型離子反應(yīng)器

將數(shù)碼光學(xué)顯微鏡與電腦投影儀相連，在液-液相離子反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，將微型化學(xué)反應(yīng)器放在數(shù)碼光學(xué)顯微鏡的載物臺上，調(diào)焦至電腦中畫面清晰后，將反應(yīng)溶液吸入注射器中，通過反應(yīng)器進(jìn)樣通路將反應(yīng)物注射到反應(yīng)腔內(nèi)，然后從另一進(jìn)樣口注射另一種反應(yīng)物，在電腦顯示屏和投影屏幕上能清晰地觀察到反應(yīng)過程與現(xiàn)象。例如圖2所示，鹽酸與碳酸鈉溶液反應(yīng)生成二氧化碳的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有大量氣泡產(chǎn)生。圖3所示，硝酸銀與氯化鈉反應(yīng)生成氯化銀沉淀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有大量白色沉淀生成。

第一批簡易反應(yīng)器制作地過程中出現(xiàn)反應(yīng)腔制作不均勻，反應(yīng)腔容積很難定量控制，外觀不美觀等問題。為了解決這些問題，進(jìn)一步縮小反應(yīng)容積，研制出恒容的超微型反應(yīng)器，我們通過CAXA實(shí)體軟件制圖，應(yīng)用3D打印技術(shù)研制了第二批超微量反應(yīng)器，它的反應(yīng)腔容積可恒定為10～50μL。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)進(jìn)樣通路，一個(gè)出樣排氣通道，一個(gè)反應(yīng)腔，兩個(gè)載片槽，兩個(gè)膠塞口，兩個(gè)蓋玻片，兩個(gè)微量進(jìn)樣器和一個(gè)注射器組成(如圖4)。

圖2 生成氣體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖3 生成沉淀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖4 左圖為CAXA實(shí)體軟件設(shè)計(jì)圖；右圖為3D打印實(shí)物圖

第二代微型反應(yīng)器改變了輸送藥品和出樣方式，改成直線型進(jìn)樣和直角型出樣，出樣口設(shè)置在反應(yīng)腔的上半部分，有利于平衡氣壓和生成物的排出。頂部的蓋玻片可以裝卸，這樣解決了實(shí)驗(yàn)局限于氣-液相和液-液相化學(xué)實(shí)驗(yàn)的問題，液-固相實(shí)驗(yàn)也可在此化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行，提高了其應(yīng)用的廣泛性。

3 微型離子反應(yīng)裝置的特點(diǎn)

當(dāng)前國內(nèi)外研發(fā)的相關(guān)微型化學(xué)反應(yīng)器，大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，不能普遍應(yīng)用。我們研制的微型離子反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，可廣泛應(yīng)用于中學(xué)、大學(xué)的離子反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。本反應(yīng)裝置主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

①微離子反應(yīng)器比國內(nèi)外其他微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品更微小，在生物細(xì)胞級水平完成化學(xué)反應(yīng)，通過顯微鏡與電腦投影儀聯(lián)機(jī)現(xiàn)場直接放大演示，便于清晰的觀察實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。②藥品用量少，減少貴重藥品成本，還可減少對環(huán)境的污染。③制作方法簡單，既可以自己動(dòng)手制作，也可由廠家批量生產(chǎn)。④能改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，減少實(shí)驗(yàn)室三廢排發(fā)，有益于師生的健康。⑤節(jié)省反應(yīng)時(shí)間，儀器易沖洗，可以重復(fù)使用。

4 結(jié)語

在微型離子反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)及實(shí)踐中，我們看到微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)比起常規(guī)實(shí)驗(yàn)更加簡單易行、安全可靠、趣味性高、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯等優(yōu)勢。并且在本?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)進(jìn)行的使用，教學(xué)效果十分突出。 我們將繼續(xù)對該反應(yīng)儀器進(jìn)行研究和完善，開發(fā)出適用于多種反應(yīng)類型的微型裝置，使儀器更具有實(shí)用性和新穎性，相信微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器在中學(xué)、大學(xué)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 宋心琦. 關(guān)于發(fā)展和推廣微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一點(diǎn)看法[J]. 化學(xué)教學(xué)，2008 (2):1-2.

[2] 陳 凱，周志華. 中學(xué)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展的若干思考[J].化學(xué)教育，2010, 31(8):6-9.

[3] 潘耀團(tuán)，王向軍. 兩則中學(xué)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2009, 15(4): 173-174.

[4] 石宇婧. 高中化學(xué)教材中部分實(shí)驗(yàn)的微型化設(shè)計(jì)研究[D].西安: 陜西師范大學(xué)，2013.

(本文文獻(xiàn)格式：金子爍，趙明雪，朱寶偉，等.微型離子反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)與研制[J].山東化工，2017，46(04)：118-119.)

Design and Development of the Micro Ionic Reaction Appliance

JinZishuo1,ZhaoMingxue1,ZhuBaowei2,LiuHaiyan2

(1.Liaoning Province Shiyan High School Yingkou Campus,Yingkou 115003, China;2 Department of Chemical and Material Engineering, YingKou Institute of Technology,Yingkou 115014, China)

The compounds produce chemical reaction in the micro reaction cavity through capillary siphoning and trace injection pressure. The experimental phenomena is magnified demo via online of microscope, computer, and projector. The micro ionic reaction appliances are simple structure, low cost, drug dosage less, and reduce environmental pollution. In addition, the experimental process and results are more likely observed.

the micro reactor; ion reaction; chemical experiment

2016-12-28

金子爍(2000—)，高中二年級學(xué)生。通訊聯(lián)系人，劉海燕。

G633.8

A

1008-021X(2017)04-0118-02