新型多功能制氣裝置的設(shè)計

楊月云

2012年版《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂稿》提出：“化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)以實驗為主的科學(xué)探究活動，有助于激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生在觀察、實驗和交流討論中學(xué)習(xí)化學(xué)知識，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力?！被瘜W(xué)實驗集中體現(xiàn)科學(xué)精神和態(tài)度，具有非常豐富的教育價值和內(nèi)涵，有利于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。而化學(xué)實驗創(chuàng)新是化學(xué)教師對化學(xué)實驗的深刻理解，也是對科學(xué)精神和核心素養(yǎng)的不懈追求?；瘜W(xué)實驗創(chuàng)新的根本目的是服務(wù)教學(xué)，服務(wù)學(xué)生，解決實驗教學(xué)中存在的問題，讓學(xué)生動手做實驗，動腦思考，探究“為什么”?；瘜W(xué)實驗創(chuàng)新應(yīng)該以學(xué)生的發(fā)展為本，做到時刻關(guān)注提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

實驗室制取氣體，要選擇合適的發(fā)生裝置。筆者研究的是反應(yīng)物為固體和液體，反應(yīng)條件為不需要加熱的“固液不加熱型”發(fā)生裝置。此類發(fā)生裝置在初中化學(xué)實驗教學(xué)和中考題中有著舉足輕重的位置，常年以四代經(jīng)典裝置出現(xiàn)在各類試題中，每一代都有其特有的優(yōu)點，如圖1。

但實驗時，如果要達到不同的功能，就需要組裝四套儀器;要考慮試管、錐形瓶與橡皮塞的吻合度，導(dǎo)管的選擇，橡皮塞上打孔的位置、大小;分液漏斗因為經(jīng)常使用、清洗，玻璃塞和活塞芯已有許多不能與分液漏斗配套，有時會漏液，導(dǎo)致無法操作;這些儀器多為玻璃制品，組裝難度高，學(xué)生操作容易出現(xiàn)危險....四.套裝置組裝好后，制備一次氣體，比較繁瑣，耗時多，浪費藥品嚴(yán)重。

比如做氣體性質(zhì)的驗證實驗，實驗前有繁瑣的氣體制備過程;然后組裝儀器（各種儀器要合適配套），檢查裝置的氣密性（組裝一次，就要檢查一次），裝足藥品（以防中途氣體的量不夠，不能完，成實驗）;對于裝置內(nèi)的空氣，制氣一回就得排一回;實驗結(jié)束，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)氣泡還在冒著，浪費藥品;還要廢液處理，儀器刷洗等。而真正驗證氣體性質(zhì)就用了一分鐘，可謂“臺上一分鐘，臺下十年功”。繁瑣的操作會讓一線教師想，放棄動手實驗，直接講實驗，這樣省時、省力。

針對以，上問題，筆者設(shè)計了由塑料瓶、注射器、輸液器、氣球組成的多功能制氣裝置（圖2），用的注射器、輸液器各部件的名稱如圖3所示，利用膠水黏合塑料瓶與輸液軟管、氣球，以確保裝置的氣密性。該裝置適用于一些反應(yīng)物為液體與固體、液體與液體，不需要加熱的化學(xué)反應(yīng)，例如初中階段制取氧氣、二氧化碳、氫氣等實驗。

塑料瓶用于盛放固體（或者液體）反應(yīng)物，注射器用于吸取液體反應(yīng)物。反應(yīng)時，只要推動注射器推桿，液體便會滴到塑料瓶內(nèi)的反應(yīng)物上發(fā)生反應(yīng)。產(chǎn)生的氣體從導(dǎo)氣口排出。此裝置操作簡單，排出的氣體純凈。制氣完畢，可打開排廢液口處的流速調(diào)節(jié)器，排出廢液，以備再用。對于固液反應(yīng)，沒有特殊要求，固體在反應(yīng)前最好一次加足，在反應(yīng)中，可以通過控制注射器滴加液體藥品的速度，控制反應(yīng)速率（注射器代替分液漏斗所起的作用），通過控制液體加入量，來制得所需要的氣體量。

該多功能制氣裝置的功能及優(yōu)點：裝置簡單輕便，易操作，學(xué)生上手快;便于添加液體藥品，隨用隨制;可以控制反應(yīng)速率以及反應(yīng)的發(fā)生與停止;有加壓、貯氣功能;塑料瓶作為反應(yīng)容器，易打孔，孔位及大小可隨實驗?zāi)康亩?藥品利用率高，實驗綠色化;成本低;具有科學(xué)性，實用性強，易推廣;便于將氣體收集在氣球或注射器中，以便完成一些趣味小實驗;可探究，可微型化。

氣球在中學(xué)化學(xué)實驗中的用途很廣，用它可以收集、儲存氣體;也可以封閉反應(yīng)體系，防止有害氣體外泄，調(diào)節(jié)反應(yīng)體系壓強。所以，能鼓起氣球的制氣裝置能滿足初中化學(xué)實驗更多的需求，但是常規(guī)的制氣裝置不能加壓，很難鼓起氣球。本裝置能較好地解決這個問題。

下面，以實驗室制取二氧化碳為例，具體說明此多功能制氣裝置的使用及功能。

1.檢查氣密性。

旋緊瓶蓋，關(guān)閉導(dǎo)氣口、排廢液口，插好注射器，用一只手?jǐn)D壓瓶身，氣球鼓起，再用另一只手?jǐn)D壓氣球，瓶身恢復(fù)，證明氣密性良好。（若不放心，也可待氣球鼓起后放置一天再驗證。）2.裝藥品。

塊狀大理石或石灰石在反應(yīng)前最好一次加足。打開導(dǎo)氣口，用注射器推入稀鹽酸，反應(yīng)發(fā)生。在反應(yīng)中，通過注射器控制液體加入量，獲得所需要的氣體量，制備多次氣體時，無須添加固體，無須拆卸裝置，無須刷洗儀器。（如果用過氧化氫溶液在二氧化錳的催化作用下制取氧氣，可用二氧化錳丸。若條件限制，可將二氧化錳粉末放于紗布袋中，防止實驗結(jié)束后二氧化錳粉末隨廢液一起排出。如果實驗室制氫氣，鋅粒要一次加足，無須其他處理。）

3.收集氣體。

反應(yīng)發(fā)生后幾分鐘，再將導(dǎo)氣管放于集氣瓶中收集氣體，以便排凈裝置內(nèi)的空氣，保證二氧化碳氣體的純凈。（氣球中原有的少量空氣可以通過手壓氣球?qū)⑵渑艃?。）?dāng)收集好所需的氣體，即可關(guān)閉粗輸液軟管上的流速調(diào)節(jié)器。此時塑料瓶內(nèi)若依然有氣泡產(chǎn)生，沒有關(guān)系，可以儲存于氣球中，以備不時之需。塑料瓶內(nèi)不再產(chǎn)生氣泡后，打開排廢液口處的粗輸液軟管上的流速調(diào)節(jié)器，即可將廢液排凈。當(dāng)排凈廢液后，要及時關(guān)閉排廢液口，以防氣體逸出。因為氣球內(nèi)已儲存一些氣體，裝置內(nèi)氣壓變大，廢液可以順利排凈，但同時也帶來一個問題，推入稀鹽酸的細輸液軟管置于瓶內(nèi)的部分一定要接近瓶底，利用所，加稀鹽酸形成液封，以防氣壓變大，將注，射器推桿頂出。在實際實驗過程中，由于氣球中儲存氣體量的不斷增多，少量廢液被壓入注射器中，但這在可控范圍之內(nèi)，不會將推桿頂出造成氣體逸出。

導(dǎo)氣口和排廢液口的位置和切口方式在設(shè)計時也是有考慮的。導(dǎo)氣口：斜切粗輸液軟管（瓶內(nèi)部分盡量短），開口近瓶口，有利于排凈空氣，也有利于二氧化碳氣體的導(dǎo)出。排廢液口：斜切粗輸液軟管，開口近瓶底，有利于廢液排凈。

在實際實驗中，如驗證二氧化碳的性質(zhì)，有時需要將氣體收集在氣球中。如果用常規(guī)玻璃導(dǎo)氣管將氣體收集在氣球中，若扣得不緊，會漏氣，若扣得太緊，氣球難以取下。而如果用此裝置，把氣球套在輸液器的滴壺上，便能輕松搞定。先關(guān)閉粗輸液軟管上的流速調(diào)節(jié)器，既能保證氣密性，又能將收集好的氣球扎緊輕松取下。若有時想用注射器抽出所需氣體進行實驗，可先將流速調(diào)節(jié)器關(guān)閉，將注射器的頭插入粗輸液軟管中，再打開調(diào)節(jié)器，就可輕松抽出所需氣體進行實驗。為使用方便，可在近瓶口處配置兩到三個導(dǎo)氣口，分別接上含滴壺、不含滴壺的長短不一的粗輸液軟管。（長短不一可滿足排水集氣法、排空氣法，代替尋找合適角度、長度的玻璃導(dǎo)管。）但每根軟管上必須配有流速調(diào)節(jié)器，以控制氣密性。實驗沒用到的軟管都要處于關(guān)閉狀態(tài)。

4.廢液處理以及后續(xù)實驗。

筆者上課時，當(dāng)已經(jīng)收集到所需的氣體量，就會關(guān)閉導(dǎo)氣口的流速調(diào)節(jié)器，將剩余氣體儲存于氣球中，直至塑料瓶內(nèi)無氣泡產(chǎn)生，再將廢液排凈，瓶中留下石灰石;若下次，上課發(fā)現(xiàn)儲存的氣體量不夠?qū)嶒炗昧繒r，可直接通過注射器再次注入稀鹽酸，讓反應(yīng)再次發(fā)生以制取氣體。裝稀鹽酸的注射器可準(zhǔn)備兩支，若一支用完，可掐住細軟管，直接取“下空注射器，再裝，上另一支新注射器，操作簡單;操作時要防止漏液、漏氣。在用注射器取用藥品時，如圖4，操作簡單、安全。

該裝置能隨時控制反應(yīng)的發(fā)生與停止;停止實驗時，無須等到無氣泡產(chǎn)生，可直接打開排廢液口，固液分離即可。但筆者不建議如此浪費藥品，建議讓反應(yīng)物慢慢反應(yīng)，保證藥品的最大利用率，將氣體儲存于氣球中備用，等到塑料瓶內(nèi)無氣泡產(chǎn)生時，廢液基本上無污染。

自制創(chuàng)新小實驗，操作簡便，實驗現(xiàn)象直觀;不僅關(guān)注實驗結(jié)論的得出，更關(guān)注實驗過程的呈現(xiàn);既傳授知識和技能，又培養(yǎng)學(xué)生的思維能力;有易推廣、實用、科學(xué)、可探究、綠色化、微型化、成本低等特點。

（作者單位：江蘇省淮安市文通中學(xué)）