模擬工業(yè)制備鹽酸演示實驗裝置的再設計

葉永謙　葉燕珠　張賢金　嚴業(yè)安

摘要： 針對模擬工業(yè)制備鹽酸的演示實驗裝置的不足之處，基于STEAM理念從實驗儀器、操作步驟、控制條件等進行再設計。利用新設計的實驗裝置，以氯化鈉為原料，實現(xiàn)氫氣和氯氣的制備、氯化氫的合成和檢驗、氫氣的驗純和尾氣處理等多種功能。新的實驗兼有儀器簡約、操作便捷、現(xiàn)象可視、過程環(huán)保等優(yōu)點，有助于提高實驗教學的效果。

關鍵詞： 模擬鹽酸工業(yè)制法; STEAM理念; 實驗裝置改進; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2020）03-0076-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

在教材電解飽和食鹽水實驗的基礎上，增添氯化氫合成爐模擬裝置，可以成功演示鹽酸的生產過程[1]。就像工程機械一樣，每一件演示裝置其設計總是在實踐中不斷完善的。該裝置在具體課堂演示過程中，也出現(xiàn)了需要再完善之處： 比如因整套裝置較為復雜，存在簡約性不夠的問題（見圖1）;因操作步驟較為繁雜，存在課堂演示費時較長的問題;因氣體燃燒時間較短或者不夠順暢，存在可視化程度不夠高的問題。

圖1? 原工業(yè)制備鹽酸演示裝置示意圖

科學的創(chuàng)新往往源于形象思維而終于邏輯思維，藝術家的形象思維一般屬于不同事物的大跨度聯(lián)想，對藝術家的形象思維成果進行嚴密的數學推導或嚴謹的科學驗證，則屬于科學家的邏輯思維，STEAM教育理念實現(xiàn)了這兩種思維的整合對接。基于STEAM理念的設計必須滿足裝置簡約化、現(xiàn)象可視化、過程環(huán)?；Ⅲw驗藝術化的要求[2]，最終達到讓學生在課堂演示實驗中既“看得懂”“看得清”又“放心看”“喜歡看”的目的。為此，從實驗儀器的再設計和操作步驟的再優(yōu)化入手，對工業(yè)制備鹽酸演示裝置進行再設計。

1? 從科學、技術與工程入手，設計實驗儀器

1.1? 杯形容器下加裝支管，解決鹽酸的收集過程無法演示的問題

在原演示裝置中，氯化氫生成后產生的白霧罩在倒扣的三角漏斗內，直接在杯形容器中加滴有洗潔精和酚酞的氫氧化鈉溶液，通過白霧的生成和酚酞的褪色證明有氯化氫生成，但無法收集氯化氫溶于水后得到的鹽酸。為了解決這個問題，在杯形容器下加裝帶有玻璃活塞的支管（見圖2），用于將氯化氫溶于水后制得的鹽酸導出到燒杯中收集，也方便在杯形容器中換用各種液體。

圖2? 在杯形容器下加裝支管示意圖

1.2? 改進電解容器，解決儀器復雜問題及安全隱患問題

原演示裝置的復雜性在于U形管較大，而且無法獨立支撐，必須制作專用的底座才能固定住。為了解決這個問題，將大號U形管改為筒形平底三口燒瓶，其中兩側標準接口用來插入連接管，中間接口用橡皮塞塞?。ㄒ妶D3）。為了能夠插入長的碳棒及三角漏斗下管，連接管下口設計為外磨24/29標準接口與三口燒瓶對接;上口設計為內磨40/38。大口徑是為了方便使用大號橡皮塞，留有足夠位置插入碳棒、三角漏斗下管及導氣管。長度設計為20cm，目的是將碳棒限制在連接管內，有效杜絕氫氣與氯氣混合爆炸的隱患。選用三口燒瓶而不用雙口燒瓶，還基于萬一出現(xiàn)因氣壓較大時，三口燒瓶的中口塞著的橡皮塞可以及時跳出減小壓力，確保實驗安全（見圖3）。

圖3? 用筒形平底三口燒瓶加連接管代替大號U形管示意圖

2? 從科學和藝術入手，設計實驗操作過程

2.1? 巧妙利用產物氫氧化鈉溶液，解決氯化氫的驗證和多余氯氣的處理問題

在原演示裝置中，氯化氫的驗證是使用pH試紙貼在廣口瓶內觀察其顏色的變化，現(xiàn)象雖有但距離較遠的學生無法觀察到;處理多余氯氣的方法是在陽極管外加支管將氯氣導入裝有氫氧化鈉溶液的燒杯中，裝置較為復雜。從藝術的角度再設計，可以巧妙地利用陰極區(qū)三角漏斗中的產物氫氧化鈉溶液。往三角漏斗中的溶液滴加酚酞后變紅，用針筒取用20毫升紅色溶液注入杯形容器中，再往杯形容器上套上廣口瓶，將裝置生成的氯化氫氣體或氯氣限制在該溶液中。搖動廣口瓶，即可通過觀察溶液紅色的消失檢驗氯化氫的生成和處理多余的氯氣。在實際操作中，可以往杯形容器中再滴入少許洗潔精，廣口瓶搖動時可能有少量氣體逸出，洗潔精形成的肥皂泡剛好可以將這些氣體吸收處理。整個設計使操作更加簡捷，裝置更加簡單，通過溶液顏色的變化使反應現(xiàn)象更加明顯，展示了化學的藝術之美。

2.2? 巧用洗潔精形成氫氣氣泡，解決氫氣的驗純和尾氣處理問題

在原演示裝置中，是通過收集氫氣做爆鳴實驗對氫氣進行驗純，但現(xiàn)象不夠明顯;演示結束后，多余的氫氣導入肥皂水中形成肥皂泡點燃除去。借鑒上述氯氣的尾氣處理方法，可以取用三角漏斗中的紅色溶液20毫升，滴入少許洗潔精。往燃燒管外套上一個小廣口瓶，打開氫氣導管玻璃活塞，將陰極區(qū)產生的氣體通入肥皂水中形成氣泡。點燃氣泡，如出現(xiàn)清脆的爆鳴聲，說明氫氣不純。反復二至三次后，當氣泡燃燒時出現(xiàn)輕微而低沉的“噗”的一聲時，說明氫氣是純凈的。反應結束后，使用相同的方法，將氫氣尾氣排到上述肥皂水中形成氣泡，再進行燃燒處理。再設計后的氫氣驗純和尾氣處理方法相同，現(xiàn)象更加明顯，操作更加安全，燃燒后美麗的火焰更是為學生帶來美的體驗。

3? 從科學和數學入手，再設計實驗控制條件

3.1? 計算電流強度，解決電解速度慢及熱的飽和食鹽水配制時間問題

為了提高演示實驗的效果，設計時必須關注現(xiàn)象的清晰度和操作的簡練性[3]，方便教師在幾分鐘內將實驗目的、實驗原理、儀器藥品、操作步驟、實驗結果等講解清楚。原演示裝置因電解速度慢、需現(xiàn)場配制熱的飽和食鹽水，導致課堂演示時間較長。為了解決這個問題，運用物理、化學和數學知識，從電解的電流強度計算入手，尋找更合理的實驗條件。假設在5分鐘的電解時間內，必須制得112毫升（換算為標準狀況）的氫氣，則直流電源必須在該時間內提供至少960庫侖的電量。加上電解過程中部分電能轉化為熱能，平均電流必須達到3.2安培。經過計算后，將學生電源換為60V直流電源，即便使用常溫下的飽和食鹽水，電解速率也得到明顯提高，解決了課堂時間不足的問題。當然，使用該電源要注意安全問題，因此在改進中使用絕緣套套住石墨電極裸露在外的部分，確保實驗安全。

3.2? 測算氣泡冒出速率，解決氫氣燃燒不夠順暢問題

原演示裝置還存在一個“如何測算氫氣進入燃燒管的速率，確保氫氣順暢燃燒”的問題。因為氫氣進管速率如果太小，無法順利燃燒;如果太快，燃燒時間又太短，現(xiàn)象不夠明顯。解決這個問題的方法只有通過實踐的摸索尋找合適的流速。經過不斷探索，終于找到判斷氫氣流速的方法，即計算氫氣從小廣口瓶中冒出氣泡的速率。當氫氣從小廣口瓶中冒出氣泡8秒內可均勻達到20個氣泡時，氫氣即可順暢燃燒，即氫氣可持續(xù)燃燒的流速應為氣泡2.5個/秒。測算的時機可以選擇在氫氣驗純時，通過控制連接氫氣的玻璃活塞和止水夾完成。

4? 再設計裝置的操作步驟及實驗現(xiàn)象

經過以上基于STEAM理念的再設計（見圖4），新的演示裝置更加簡單、操作更加方便、現(xiàn)象更加清晰、過程更加環(huán)保、體驗更加深刻，實現(xiàn)了化學的科學之美、藝術之美的有效融合。具體步驟及實驗現(xiàn)象如下。

圖4? 新的基于STEAM理念設計的演示裝置示意圖

4.1? 氣密性檢驗

按圖4裝置裝配好儀器后，關閉活塞，往三角漏斗中加入蒸餾水。一段時間后，蒸餾水無法流下且三角漏斗內外存在液面高度差且保持不變，說明裝置氣密性良好。

4.2? 飽和食鹽水的配制和注入

配制1500mL飽和食鹽水待用。兩個電極先插入連接管但橡皮塞不塞緊，打開活塞，往三角漏斗中注入飽和食鹽水至液面離兩個連接管的上管口各1cm處。塞緊兩個橡皮塞，通過往三角漏斗中加入少量飽和食鹽水調節(jié)液面至充滿兩個連接管。

4.3? 飽和食鹽水的電解

接通可調壓直流電源，電壓控制為60V，開始電解，兩極均有明顯的氣泡冒出。電解一段時間后，左管收集到大量氫氣，右管收集到的氯氣較少，產生的氣體將溶液壓入三角漏斗中。

4.4? 氫氣的驗純及流速的測算

收集到大量氫氣后，往三角漏斗中滴加幾滴酚酞溶液，三角漏斗中溶液變?yōu)榧t色，證明該溶液中含有氫氧化鈉。使用注射器吸取該紅色溶液20mL注入合成爐的杯形容器中，再滴入幾滴洗潔精后攪拌均勻。電解過程中，三角漏斗中氫氧化鈉濃度不斷升高，導致酚酞分子結構發(fā)生變化[4]，粉紅色會褪去。此時應注意引導學生對比實驗現(xiàn)象，關注酚酞變紅及褪色的原因。通過對課堂生成的新問題進行實證研究，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度和認識量變引起質變的科學素養(yǎng)。

杯形容器注入氫氧化鈉溶液后，往燃燒外管上扣上一個小廣口瓶，打開活塞1，使一定量的氫氣進入廣口瓶在瓶外的液面上形成氫氣肥皂泡。點火，無明顯現(xiàn)象，因排出的首先是廣口瓶中的空氣。再排出氣泡，并計算氣泡冒出速度是否達到2.5個/秒。點火，有尖銳的爆鳴聲，說明所收集氫氣不純，原因在于導管中有空氣存在。重復以上步驟，直到聽到沉悶的“噗”的一聲，說明氫氣已經純凈，可以安全燃燒。

4.5? 氯化氫氣體的合成及檢驗（選用步驟）

如果實驗的目的是更清楚地觀察和檢驗氯化氫的生成，可選用本步驟。氫氣驗純后，取出套在燃燒管外的小廣口瓶。打開活塞1，點燃氫氣，氫氣在外管口安靜地燃燒。再打開活塞2，氯氣進入內管助燃，火焰呈蒼白色（見圖5）。使用蒸餾水潤濕過的集氣瓶，罩在火焰上方并使瓶口沒入液體中。此時有大量白霧出現(xiàn)，火焰熄滅，關閉活塞1、2。搖動集氣瓶，使白霧與滴有酚酞的氫氧化鈉溶液接觸。一段時間后，瓶中白霧基本消失，紅色褪去，說明有鹽酸生成。搖動過程中可能有少量氯化氫氣體逸出，滴入的洗潔精可以有效地將這些逸出的氣體粘住，防止污染空氣。

圖5? 引發(fā)氫氣在氯氣中燃燒實驗裝置實物圖

4.6? 氯化氫氣體的合成及鹽酸的收集（選用步驟）

如果要演示收集氯化氫溶于水制得的鹽酸，可選用本步驟。氫氣驗純后，取出套在燃燒管外的小廣口瓶。打開活塞3，用燒杯接住流出液體。再使用蒸餾水洗滌杯形容器，關閉活塞3。往杯形容器中加入20毫升蒸餾水，用于吸收合成后的氯化氫氣體制備鹽酸。打開活塞1，點燃氫氣，氫氣在外管口安靜地燃燒。再打開活塞2，氯氣與氫氣接觸后燃燒起來，火焰呈蒼白色。

將蒸餾水潤濕過的集氣瓶倒扣在火焰上方并使瓶口沒入液體中，有大量白霧出現(xiàn)，關閉活塞1、 2，火焰熄滅。搖動廣口瓶，使白霧與蒸餾水充分接觸，一段時間后，廣口瓶中白霧基本消失。打開活塞3，即可用燒杯承接吸收氯化氫氣體后的鹽酸溶液（見圖6）。

圖6? 檢驗氯化氫并收集鹽酸實驗裝置實物圖

4.7? 尾氣的處理

演示結束后，還有多余的氫氣和氯氣殘留在連接管中。因氯氣的處理需要再加入氫氧化鈉溶液，所以先處理氯氣。取下集氣瓶，打開活塞3流出杯形容器中的液體注入廢液缸。再用注射器吸取三角漏斗中的液體20mL注入合成爐的杯形容器中，滴入酚酞呈紅色，再滴入幾滴洗潔精后攪拌均勻，扣上廣口瓶。打開活塞2，往三角漏斗中加入蒸餾水增大壓強，使右管中的氯氣全部進入杯形容器中。搖動集氣瓶，直至瓶中紅色逐漸褪去。氯氣處理后，關閉活塞2，打開活塞1，往三角漏斗中加入蒸餾水增大壓強，使左管中的氫氣全部進入杯形容器中形成氫氣肥皂泡，點燃肥皂泡將氫氣除去，實驗完成。

在化學教育中引進STEAM理念，通過讓學生運用跨學科知識解決實際問題，嘗試將所學知識及技術應用于創(chuàng)新探究活動，有助于學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展[5]。本實驗的再設計正是基于STEAM理念，不但從科學的角度做到讓學生看得懂設計原理、從技術和工程的角度讓學生看得清實驗裝置和實驗現(xiàn)象，而且從藝術的角度讓學生體驗實驗的感官享受、從數學的角度總結實驗的條件控制和數據的分析，將有利于學生科學素養(yǎng)和人文素養(yǎng)的提高。

參考文獻：

[1]葉永謙， 張賢金， 吳新建. 工業(yè)制備鹽酸演示裝置的設計[J]. 化學教育（中英文）， 2019， 40（7）： 85～87.

[2]葉永謙， 張賢金， 吳新建. 銅與濃、 稀硝酸連續(xù)反應演示實驗的再改進[J]. 化學教學， 2016， （7）： 60～61， 64.

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[5]嚴文法， 蘆瑾， 金普軍. 基于6E設計型學習模式的STEAM活動設計——以青銅器文物除銹為例[J]. 化學教學， 2018， （11）： 61～65.