可明火加熱啟普發(fā)生器的改進(jìn)及應(yīng)用案例

葉永謙 葉燕珠 張賢金 嚴(yán)業(yè)安

摘要： 設(shè)計(jì)可明火加熱的啟普發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中固體反應(yīng)物的更換。改進(jìn)后的發(fā)生器用途更廣泛，可用以制備多種中學(xué)常見氣體。使用改進(jìn)后的發(fā)生器，僅用一份硝酸可將硝酸六個(gè)重要性質(zhì)于一課時(shí)完成演示。該儀器設(shè)計(jì)巧妙、操作簡便、易于控制、現(xiàn)象明顯。

關(guān)鍵詞： 明火加熱; 啟普發(fā)生器; 硝酸性質(zhì); 過程控制; 安全環(huán)保

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）03-0070-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問題的提出

啟普發(fā)生器設(shè)計(jì)巧妙，是中學(xué)具有代表性的氣體發(fā)生器之一。但其存在的不足也較為明顯： 底座體積太大浪費(fèi)藥品、無法進(jìn)行加熱[1]、反應(yīng)液無法充滿底座導(dǎo)致制取氣體不純[2]、無法進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)等[3]。針對(duì)以上不足，筆者借鑒啟普發(fā)生器葫蘆形底座通過凹陷部位進(jìn)行固液分離的精髓設(shè)計(jì)一種能制備多種氣體的發(fā)生器，并可使用硅橡膠加熱套裝進(jìn)行加熱[4]，實(shí)現(xiàn)一種固體與多種液體的連續(xù)反應(yīng)[5]，達(dá)到節(jié)約藥品[6]、使演示實(shí)驗(yàn)更加可視化的效果[7]。發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的幾種發(fā)生器在使用過程中還是存在兩處短板（以藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置為例）： 一是無法明火加熱，雖然可用硅橡膠加熱套裝進(jìn)行加熱，但加熱溫度一般不能超過150℃，限制了較高溫度的反應(yīng)，且加熱套包裹在發(fā)生器中部，影響了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察（見圖1）;二是無法實(shí)現(xiàn)一種液體與多種固體的反應(yīng)，因采用中部凹陷的做法，反應(yīng)過程中液體可以更換，固體卻無法更換。通過再次改進(jìn)，不僅可以對(duì)發(fā)生器進(jìn)行明火加熱，而且反應(yīng)中可多次更換固體，有效擴(kuò)大了發(fā)生器的應(yīng)用范圍。在硝酸的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，可以實(shí)現(xiàn)僅用一份硝酸就可以完成課堂所需演示實(shí)驗(yàn)，達(dá)到操作簡便、過程可控、節(jié)約藥品、安全環(huán)保的效果。

2? 可明火加熱啟普發(fā)生器的改進(jìn)

針對(duì)藕節(jié)式氣體發(fā)生器等存在的無法明火加熱、實(shí)驗(yàn)中無法更換固體反應(yīng)物的不足，通過改變玻璃材質(zhì)、改進(jìn)儀器形狀、增加玻璃漏槽等予以克服。

2.1? 可明火加熱底座的改進(jìn)及設(shè)計(jì)意圖

啟普發(fā)生器葫蘆形底座為平底型且材質(zhì)為普通玻璃，不適合加熱。受圓底燒瓶可隔著石棉網(wǎng)加熱的啟發(fā)，以其為原型進(jìn)行改進(jìn)。關(guān)于玻璃材質(zhì)問題，硼硅酸鹽玻璃由于其高含量的SiO2與B2O3，使得其網(wǎng)絡(luò)完整性和致密度較好，具有優(yōu)良的熱學(xué)性能，可應(yīng)用于器皿炊具、建筑防火等領(lǐng)域[8]。

選用硼硅酸鹽玻璃材質(zhì)后，為了保留反應(yīng)液可以多次換用的功能，在圓底燒瓶側(cè)部增加一支管，支管上設(shè)計(jì)有玻璃活塞（簡稱活塞A，下同），方便液體從該處流出;瓶口設(shè)計(jì)為磨口，用于提高球形漏斗插入后裝置的氣密性。改進(jìn)后的儀器如圖2所示。

2.2? 可更換固體的球形漏斗改進(jìn)及設(shè)計(jì)意圖

簡易啟普發(fā)生器常用隔板放置在底座中部以實(shí)現(xiàn)固液分離[9]，但隔板在反應(yīng)過程中無法取出，導(dǎo)致無法更換固體反應(yīng)物。為了解決該問題，將隔板換為玻璃漏槽，設(shè)置在球形漏斗下管中部，漏槽中裝固體反應(yīng)物，通過將球形漏斗取出更換固體反應(yīng)物。玻璃漏槽中設(shè)計(jì)有多個(gè)漏孔，目的在于及時(shí)將反應(yīng)液流出，達(dá)到固液分離的目的。為了與底部圓底燒瓶緊密結(jié)合，該球形漏斗設(shè)計(jì)有磨口套管，套管上方設(shè)計(jì)一個(gè)支管，支管上帶玻璃活塞（簡稱活塞B，下同），用于將生成的氣體導(dǎo)出。改進(jìn)后的球形漏斗如圖3所示，與改進(jìn)后的圓底燒瓶組合成新的啟普發(fā)生器（見圖4）。

2.3? 可明火加熱啟普發(fā)生器裝置及設(shè)計(jì)意圖

改進(jìn)后的啟普發(fā)生器，配套酒精燈、尾氣處理裝置等即可在課堂上使用。以演示碳與濃硝酸反應(yīng)為例（見圖5），具體說明裝置的用途及設(shè)計(jì)意圖。

圖5裝置中，酒精燈用于明火加熱，改進(jìn)后的圓底燒瓶中裝濃硝酸，該燒瓶支管通過活塞A連接橡皮管插入燒杯的氫氧化鈉溶液中，用以將部分濃硝酸流出，通過再加蒸餾水稀釋得到稀硝酸;還可用于實(shí)驗(yàn)后期的殘液處理。球形漏斗下管中部的玻璃漏槽中裝有焦炭，反應(yīng)后產(chǎn)生的二氧化氮等氣體通過活塞B連接浸入氫氧化鈉溶液中倒扣的三角漏斗進(jìn)行吸收。反應(yīng)開始后，球形漏斗瓶口套上一個(gè)三角漏斗，三角漏斗中放蘸有氫氧化鈉溶液的棉花，用于吸收可能外逸的有毒氣體。關(guān)于碳與濃硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，曹愛娟使用玻璃棒尖端鋼針插著灼熱的焦炭在三頸燒瓶中反應(yīng)[10]，該設(shè)計(jì)雖巧妙但無法遷移至本實(shí)驗(yàn)，因本實(shí)驗(yàn)后續(xù)還將對(duì)反應(yīng)后的硝酸進(jìn)行復(fù)原。3? 可明火加熱的啟普發(fā)生器在硝酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用? ?硝酸的性質(zhì)涉及面廣，如硝酸的揮發(fā)性、強(qiáng)氧化性、氮氧化物的轉(zhuǎn)換等，學(xué)習(xí)硝酸的性質(zhì)對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)具有重要意義[11]。但因演示硝酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)由于硝酸的強(qiáng)腐蝕性、氮氧化物的毒性等，師生往往對(duì)該演示實(shí)驗(yàn)望而生畏。改進(jìn)后使用可明火加熱的啟普發(fā)生器裝置，僅用一份中等濃度的硝酸，即可連續(xù)完成硝酸的揮發(fā)性演示、碳與濃硝酸反應(yīng)、過氧化氫與二氧化氮反應(yīng)、銅與濃硝酸反應(yīng)、銅與稀硝酸反應(yīng)、一氧化氮的檢驗(yàn)等六個(gè)演示實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)路線如圖6所示。

3.1? 演示硝酸的揮發(fā)性

按圖5將儀器裝配好后，先進(jìn)行氣密性檢查。關(guān)閉兩個(gè)活塞，往上口漏斗中倒入一定量水，一段時(shí)間后，圓底燒瓶中有氣體存在且球形漏斗中液面高度保持不變，說明氣密性良好。實(shí)驗(yàn)開始后，打開活塞B，往漏斗中加入60mL中等濃度硝酸（濃硝酸與蒸餾水體積比為3∶1，濃度太低無法觀察到紅棕色氣體）[12]，關(guān)閉活塞。在球形漏斗瓶口放入三角漏斗，三角漏斗中放蘸有氫氧化鈉溶液的棉花。使用酒精燈加熱圓底燒瓶，一段時(shí)間后，產(chǎn)生無色氣體將硝酸壓入球形漏斗。在慢慢加熱過程中溶液不變黃色且液面能夠上升，說明在此加熱條件下該濃度硝酸不會(huì)分解，無二氧化氮生成，產(chǎn)生的氣體是硝酸蒸氣。設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的目的在于作為后續(xù)有二氧化氮?dú)怏w生成的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，說明二氧化氮生成另有原因。

3.2? 演示碳與濃硝酸反應(yīng)

硝酸的揮發(fā)性演示結(jié)束后，熄滅酒精燈，取下球形漏斗，將三角漏斗（內(nèi)有棉花）迅速插入圓底燒瓶瓶口，防止硝酸蒸氣外逸。在球形漏斗下管的玻璃漏槽中裝入一塊焦炭，插進(jìn)圓底燒瓶讓焦炭接觸到濃硝酸。明火加熱，碳與濃硝酸反應(yīng)，溶液變?yōu)辄S色，產(chǎn)生的紅棕色氣體將反應(yīng)液壓入球形漏斗直至與焦炭脫離，反應(yīng)結(jié)束。打開活塞B，反應(yīng)液下降與焦炭接觸繼續(xù)反應(yīng)，并把二氧化氮?dú)怏w排出到氫氧化鈉溶液中進(jìn)行吸收。由于在此加熱條件下，該濃度硝酸不分解，說明紅棕色二氧化氮是碳與濃硝酸反應(yīng)得到的產(chǎn)物，溶液變?yōu)辄S色是由于二氧化氮溶解在硝酸中導(dǎo)致的，工業(yè)濃硝酸顯黃色可用此演示解釋原因。

3.3? 演示過氧化氫與二氧化氮的反應(yīng)

上述反應(yīng)二氧化氮溶解在硝酸中導(dǎo)致溶液呈黃色，影響后續(xù)銅與硝酸反應(yīng)溶液的顏色觀察。二氧化氮?dú)怏w充滿發(fā)生器中部，如不趕出取下球形漏斗時(shí)會(huì)逸出污染空氣。本實(shí)驗(yàn)利用過氧化氫溶液解決以上兩個(gè)問題。在碳與濃硝酸實(shí)驗(yàn)演示結(jié)束后，往球形漏斗中加入少量過氧化氫溶液，打開活塞B，過氧化氫進(jìn)入圓底燒瓶反應(yīng)液中，與二氧化氮反應(yīng)生成硝酸，溶液由黃色變?yōu)闊o色。同時(shí)，過氧化氫遇熱的反應(yīng)液迅速分解，產(chǎn)生大量的氧氣將發(fā)生器中部的二氧化氮趕入氫氧化鈉溶液中進(jìn)行吸收。用帶火星的木條檢驗(yàn)球形漏斗中的無色氣體，火星復(fù)燃，說明裝置中充滿氧氣。

3.4? 演示銅與濃硝酸的反應(yīng)

在以上環(huán)境中取下球形漏斗裝銅片，再插進(jìn)圓底燒瓶中，整個(gè)更換固體的過程中裝置充滿氧氣，操作安全無有毒氣體逸出。往漏斗中加少量蒸餾水至沒過銅片，銅與濃硝酸劇烈反應(yīng)，溶液變?yōu)榫G色，生成的紅棕色氣體將反應(yīng)液壓入球形漏斗直至與銅片脫離。打開和關(guān)閉活塞B，可以控制反應(yīng)的開始和結(jié)束。

3.5? 演示銅與稀硝酸反應(yīng)及一氧化氮的檢驗(yàn)

在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開活塞A，讓一半體積的反應(yīng)液流入氫氧化鈉溶液中。關(guān)閉活塞A，打開活塞B，加蒸餾水至充滿圓底燒瓶，關(guān)閉活塞B。加蒸餾水后，反應(yīng)液被稀釋，溶液變?yōu)樗{(lán)色，銅與稀硝酸繼續(xù)反應(yīng)（若課堂演示需要，可加熱節(jié)約反應(yīng)時(shí)間）。開始時(shí)有淡黃色氣體生成，控制活塞B使氣體反復(fù)被趕出再繼續(xù)生成，最后可以觀察到有無色氣體生成。往漏斗中滴入過氧化氫溶液，關(guān)閉活塞B，打開活塞A，過氧化氫進(jìn)入圓底燒瓶中與反應(yīng)液接觸，由于Cu2+的催化作用[13]，過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣遇無色氣體使其變?yōu)榧t棕色，說明該無色氣體為一氧化氮。

上述六個(gè)實(shí)驗(yàn)演示可以在一節(jié)課內(nèi)完成，通過打開與關(guān)閉活塞B可以控制后五個(gè)反應(yīng)的開始與結(jié)束，使整個(gè)課堂教學(xué)可以有條不紊地進(jìn)行，充分發(fā)揮了該裝置臨時(shí)貯存氣體的作用。整節(jié)課演示完成后，打開活塞A，讓裝置中的溶液流入燒杯進(jìn)行殘液處理。關(guān)閉活塞A，加水至充滿球形漏斗，打開活塞B，液面下降將裝置中的氣體全部趕入氫氧化鈉溶液進(jìn)行尾氣處理。反復(fù)處理殘液和尾氣，直至發(fā)生器中溶液變?yōu)闊o色，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

以上儀器的改進(jìn)及六個(gè)實(shí)驗(yàn)的演示，通過借鑒圓底燒瓶形狀、改變玻璃材質(zhì)設(shè)計(jì)了可明火加熱的啟普發(fā)生器底座;通過在球形漏斗下管中部設(shè)置一個(gè)玻璃漏槽盛裝固體，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過程中固體反應(yīng)物的更換。改進(jìn)后的發(fā)生器用途更加廣泛，可以制備多種中學(xué)常見氣體。該儀器可訂制、且價(jià)格便宜（已申請(qǐng)專利，有需要可聯(lián)系本文作者）。使用該發(fā)生器，僅用一份中等濃度的硝酸，配合其他反應(yīng)物，可以在一節(jié)課時(shí)間里演示六個(gè)含氮化合物轉(zhuǎn)化的重要實(shí)驗(yàn)。儀器設(shè)計(jì)巧妙、操作簡單、過程可控、現(xiàn)象明顯。特別是設(shè)計(jì)了過氧化氫與二氧化氮的演示實(shí)驗(yàn)，在明顯觀察到黃色溶液褪色的同時(shí)，還為下一環(huán)節(jié)固體反應(yīng)物的更換提供了充滿氧氣的安全環(huán)境，有利于環(huán)保意識(shí)和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

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