雙節(jié)管氣體發(fā)生器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

葉永謙

問題的提出

啟普發(fā)生器是中學(xué)化學(xué)常用的制氣裝置，它通過控制固體與液體的接觸及分離實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的開始和停止，設(shè)計(jì)巧妙，使用方便。但同時(shí)也存在試劑消耗量大、排空時(shí)間長、浪費(fèi)多、配件用途少、不適宜加熱或劇烈反應(yīng)等不足。對(duì)于該儀器的改進(jìn)較為成功的是藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)（圖1），它克服了啟普發(fā)生器無法適用粉末狀固體與液體反應(yīng)，無法對(duì)反應(yīng)進(jìn)行加熱，無法對(duì)固體反應(yīng)物進(jìn)行洗滌等不足。

藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置的核心儀器是藕節(jié)式發(fā)生器，在實(shí)際使用中，該發(fā)生器也存在著不足之處：由于耳形彎管與玻璃支管呈90。夾角，使用和存放時(shí)較不方便，耳形彎管容易破碎，且一旦沾有固體，無法對(duì)其進(jìn)行洗滌。

藕節(jié)式氣體發(fā)生器再改進(jìn)過程

第1代改進(jìn)：將耳形彎管改為長支管為了解決耳形彎管的問題，將耳形彎管改為長支管，類似鐮刀形，并在長支管口連接橡皮管用于導(dǎo)出氣體。

第2代改進(jìn)：將一體式改為分離式在實(shí)際使用中，鐮刀形氣體發(fā)生器的長支管仍然存在容易斷裂的問題，因此將一體式的長支管改為在雙孔橡皮塞中裝直角導(dǎo)氣管代替耳形彎管，并將三角漏斗改為球形漏斗，用于防止液體過多揮發(fā)。特別是制備氫氣過程中常使用鋅與稀鹽酸反應(yīng)，稀鹽酸易揮發(fā)，被排入三角漏斗中時(shí)容易造成環(huán)境污染。因下管節(jié)的液體一般很少參與反應(yīng)，為減少藥品浪費(fèi)，將藕節(jié)式氣體發(fā)生器的容積從100毫升減少為70毫升。

第3代改進(jìn)：將橡皮塞改成磨口玻璃塞第2代改進(jìn)后的儀器在使用中出現(xiàn)了橡皮塞漏水問題，為此，將橡皮塞改為磨口玻璃塞，并將容積最終設(shè)定為75毫升。

經(jīng)過3代改進(jìn)，解決了藕節(jié)式氣體發(fā)生器的不足。同時(shí)，將一體式裝置改成組合式裝置，可以針對(duì)不同的氣體制備要求使用不同的組合。因該裝置的核心儀器是雙節(jié)管，故將改進(jìn)后的裝置稱為“雙節(jié)管氣體發(fā)生裝置”。該裝置由雙節(jié)管氣體發(fā)生器（含帶刻度的雙節(jié)管、帶導(dǎo)氣管的磨口球形漏斗，見圖2）及硅橡膠加熱套裝、塑料漏斗、塑料導(dǎo)管鐵架臺(tái)、燒杯等組成（圖3）。其中，帶刻度的雙節(jié)管作為氣體發(fā)生裝置，固體反應(yīng)物放在上節(jié)管。液體從帶導(dǎo)氣管的磨口長頸漏斗口加入，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通過塑料導(dǎo)管導(dǎo)出。倒扣的塑料漏斗和硅橡膠加熱套裝為選配儀器，視反應(yīng)需要加裝。如制備的氣體有毒需尾氣處理，則將氣體通過塑料導(dǎo)管插入倒扣塑料漏斗中，再用燒杯中的液體吸收，倒扣的漏斗可確保吸收完全且有毒氣體不會(huì)外逸。

結(jié)果與結(jié)論

設(shè)計(jì)了雙節(jié)管氣體發(fā)生器，可制備絕大部分常見氣體

本項(xiàng)目針對(duì)啟普發(fā)生器及改進(jìn)裝置藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置的不足，經(jīng)過不斷改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了雙節(jié)管氣體發(fā)生器，可用于制備的氣體基本涵蓋中學(xué)所需掌握的所有氣體。這些氣體分為3種類型：①不加熱無毒型：如氫氣、二氧化碳、氧氣、乙炔等，以上幾種氣體制備的特點(diǎn)是不用加熱，氣體無毒，因此加熱套裝、倒扣塑料漏斗等均無需使用，只需雙節(jié)管、帶玻璃導(dǎo)管的磨口長頸漏斗、鐵架臺(tái)即可完成這些氣體的制備和檢驗(yàn)。②不加熱有毒型：二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、硫化氫等氣體的制備無需加熱，因此不必使用加熱套裝。但是這些氣體都有毒，因此需要倒扣的塑料漏斗，將氣體通過塑料導(dǎo)管穿過倒扣塑料漏斗導(dǎo)入燒杯中的溶液進(jìn)行尾氣吸收。③加熱有毒型：氯氣、氯化氫、乙烯、氨氣、一氧化碳等幾種氣體的制備均需加熱，因此需要加熱套裝。同時(shí)這些氣體大多有毒（乙烯除外），必須使用倒扣塑料漏斗進(jìn)行尾氣處理。

設(shè)計(jì)了滴定管測(cè)速儀，可精確測(cè)量氣體生成速率并定量研究外界因素對(duì)反應(yīng)速率的影響

本項(xiàng)目將雙節(jié)管與堿式滴定管等配套使用，設(shè)計(jì)成滴定管測(cè)速儀，可用于精確測(cè)量氣體的生成速率，并定量研究濃度、溫度、催化劑等對(duì)反應(yīng)速率的影響，操作簡單，現(xiàn)象直觀。

通過使用雙節(jié)管裝配的滴定管測(cè)速儀，結(jié)合硅橡膠加熱套裝，定量研究不同溫度條件下鋅與稀硫酸的反應(yīng)速率變化情況，得出溫度每升高10K，鋅與稀硫酸反應(yīng)速率增大1.27倍的結(jié)論。

創(chuàng)新點(diǎn)

設(shè)計(jì)巧妙、應(yīng)用廣泛雙節(jié)管氣體發(fā)生器通過組合法解決了藕節(jié)式氣體發(fā)生器的不足，通過與加熱套裝、倒扣的塑料漏斗等組合可以制備和檢驗(yàn)高中化學(xué)要求掌握的全部13種常見氣體，且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些氣體的收集、檢驗(yàn)和尾氣吸收;通過將雙節(jié)管與堿式滴定管、三角漏斗、加熱套裝等組合成滴定管測(cè)速儀，可測(cè)量固液生成難溶性氣體的反應(yīng)速率，精確度高。

操作簡便、現(xiàn)象明顯使用雙節(jié)管氣體發(fā)生器制備氣體，操作簡便。使用肥皂水形成氣泡，通過燃燒進(jìn)行檢驗(yàn)，火焰和爆鳴聲分別形成視覺和聽覺沖擊。在反應(yīng)速率測(cè)定中使用甲基橙顯色，將氣體的產(chǎn)生速率巧妙地通過紅色液面上升直觀地展示出來，現(xiàn)象明顯，印象深刻。

節(jié)約成本、安全環(huán)保雙節(jié)管氣體發(fā)生器批量生產(chǎn)每套僅為100元左右，且容積為75毫升，相對(duì)于啟普發(fā)生器，明顯節(jié)約了生產(chǎn)成本和藥品劑量。雙節(jié)管氣體發(fā)生裝置將藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置的三角漏斗改進(jìn)為帶玻璃導(dǎo)管的磨口球形漏斗，有效減少了有毒氣體從漏斗中外逸。配套倒扣的塑料漏斗，用于對(duì)有毒氣體尾氣進(jìn)行充分吸收，氫氣等形成的肥皂泡不用驗(yàn)純即可燃燒，不存在安全隱患。

創(chuàng)新理念、培育素養(yǎng)新時(shí)期的教育理念更強(qiáng)調(diào)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培育，將雙節(jié)管氣體發(fā)生器及滴定管測(cè)速儀的設(shè)計(jì)在省級(jí)公開課中傳授，有利于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí);使用滴定管測(cè)速儀從定量角度研究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，特別是溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響定量研究，用數(shù)據(jù)說話，用證據(jù)推理，有利于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)中的證據(jù)推理與模型認(rèn)知;設(shè)計(jì)小容量雙節(jié)管、球形漏斗、倒扣漏斗等節(jié)能環(huán)保措施，有利于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)中的科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任。