有害氣體實驗通用防污染裝置的設計

曹桂禎 饒慧伶 許奕欣

摘要： 分析現(xiàn)有的氯氣制取與性質實驗裝置、濃硫酸與銅反應實驗裝置的優(yōu)缺點。提出有害氣體實驗通用的防污染裝置的設計思路，并將該設計思路運用到氯氣的實驗室制法、濃硫酸與銅的反應、亞硫酸鈉與硫酸反應制二氧化硫等有害氣體的實驗中，及時終止有害氣體的繼續(xù)產生，確保未反應完的（或殘留的）有害氣體能夠完全被吸收等，從而實現(xiàn)中學化學中某些有害氣體實驗的安全性和可操作性。

關鍵詞： 有害氣體； 通用裝置； 防污染； 尾氣吸收裝置

文章編號： 10056629（2022）10007104

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 提出問題

氣體實驗裝置，通常包含制氣裝置、除雜裝置、干燥裝置、收集裝置、性質（檢驗）裝置和尾氣吸收裝置等。有害氣體實驗是化學實驗中經常遇到的問題，由于沒能有效解決好有害氣體的污染問題，很多相關實驗都無法在課堂上演示，這在一定程度上影響了教學效果。要讓有害氣體實驗在普通教室里都能正常演示，必須重點解決好兩個問題：一是如何及時終止有害氣體的繼續(xù)產生；二是如何確保有害氣體能夠完全被吸收。即必須重點控制好污染物的“產生”（制氣環(huán)節(jié)）和“消除”（吸收環(huán)節(jié)）。

2 現(xiàn)有研究分析

查閱文獻可知，很多老師提出了有害氣體的制備與性質實驗的一體化裝置。較新的文獻有郭巧云等設計的氯氣制備與性質一體化實驗新裝置（圖1）［1］、閻潤鴻等提出的氯氣制備和檢驗一體化實驗新設計（圖2）［2］，這兩套裝置都能制取氯氣并高效地進行氯氣的系列性質實驗，但同時存在兩點不足：一是無法及時終止氯氣的繼續(xù)產生；二是沒能消除裝置內殘留的氯氣。李文杰改進了濃硫酸與銅反應的實驗裝置（圖3）［3］，該裝置雖然解決了反應后殘留氣體的污染問題，實驗效率也比較高，但也有兩點不足：一是雙通管中蘸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉未能完全吸收掉二氧化硫；二是洗耳球只能間歇地往裝置內充入空氣排出殘留氣體，排氣效率不高。張紅衛(wèi)設計了如圖4［4］所示的濃硫酸與銅反應的實驗裝置，該裝置雖然解決了有害氣體污染以及硫酸銅溶于水顯藍色的問題，不足之處主要是蘸有品紅溶液

的濾紙條容易脫落使檢驗失敗。

3 通用裝置

在廣大化學教師的不斷研究改進下，有害氣體防污染實驗裝置的設計日臻完善。能不能在已有研究的基礎上，設計出一種通用的、無環(huán)境污染的有害氣體實驗裝置，且整體功能達到甚至超越已有的設計呢？筆者認為，不同的實驗盡管有“與眾不同”的個性，但總能找到它們之間“似曾相識”的共性，而相似的問題可以用相似的辦法解決。通過深入研究，筆者設計了如圖5所示實驗裝置，該裝置可作為有害氣體實驗防污染的“通用裝置”。下面具體分析該“通用裝置”是如何實現(xiàn)防污染的？首先，制氣部分使用了一個叫“加料瓶”的儀器，該儀器的最大特點是下端有一個出口，可通過打開活塞將瓶內液體放出終止有害氣體的繼續(xù)產生（定制加料瓶時，可要求廠家選用硬質玻璃并加厚加料瓶的瓶底，使瓶底的上邊沿略高于出口的下邊沿，以便打開活塞K時加料瓶內液體能完全排出）；其次，運用單向閥來防止液體倒吸，與加料瓶左管相連的單向閥在裝置內壓強低于外界大氣壓時，空氣可通過該單向閥進入裝置內，使裝置內壓強基本不變，裝置右端的單向閥則直接阻止了液體的倒吸；最后，反應結束時，將可持續(xù)打氣的鼓氣球（或打氣筒）與加料瓶左管相連，通過往裝置內鼓入空氣，將有害氣體稀釋并排到裝置外吸收處理。該“通用裝置”的防污染作用，主要通過排氣裝置A、氣體發(fā)生與終止裝置B和尾氣處理裝置D三部分有效配合來實現(xiàn)。因此，本文在敘述該通用裝置的具體應用時重點關注這三部分。

4 具體應用

4.1 二氧化錳與濃鹽酸的反應

實驗室制取氯氣最突出的問題就是污染：一是濃鹽酸揮發(fā)造成的污染，二是實驗過程中產生的氯氣和反應后殘留的氯氣逸散造成的污染。用圖6裝置可有效解決上述問題，具體方法如下：在盛有濃鹽酸的分液漏斗上端連上一個單向閥，使空氣能夠進入而鹽酸不會揮發(fā)出去，這樣既能確保滴加的濃鹽酸順利流下，又

不會造成鹽酸揮發(fā)污染；為防止二氧化錳粉末堵塞加料瓶的下管，在加料瓶的下管出口處塞上一小塊石棉絨；打開分液漏斗活塞，往加料瓶中加入濃鹽酸，加熱（附石棉網，加料瓶由高硼硅玻璃制成，可加熱）……；當所有實驗結束時，熄滅酒精燈；打開活塞K，使加料瓶中的混合液排入到盛有水的燒杯B中（流入燒杯中的濃鹽酸被稀釋且溫度降低，即使有少量二氧化錳一起排出也不會繼續(xù)反應產生氣體）；最后，及時關閉活塞K，用鼓氣球將殘留在裝置內的氯氣排出并吸收。

4.2 銅與濃硫酸的反應

銅與濃硫酸反應的性質實驗，有兩個問題需要解決：一是二氧化硫的污染問題；二是反應產物硫酸銅溶于水顯藍色問題。利用圖7所示裝置進行實驗，可同時解決上述兩個問題：將粗銅線插入濃硫酸中，用酒精燈加熱（附石棉網）；反應產生的氣體使品紅溶液褪色，說明生成了二氧化硫；熄滅酒精燈，將粗銅線向上拉起使之脫離濃硫酸，終止反應；將鼓氣球與裝置最左端的導氣管相連，擠壓鼓氣球，將裝置內殘留的二氧化硫氣體排出并吸收。待加料瓶內物質冷卻，打開活塞K，使反應后的混合液流入燒杯B的水中，觀察到B中溶液為藍色，說明反應生成了硫酸銅。該實驗還可以這樣做：將銅片或銅線直接放入加料瓶中，加入濃硫酸，加熱……；實驗結束時，停止加熱，打開活塞K，使加料瓶中的混合液排入水中終止反應；及時關閉活塞K，用鼓氣球將殘留在裝置內的二氧化硫氣體排出并吸收。

4.3 亞硫酸鈉與硫酸的反應

亞硫酸鈉與硫酸的反應屬于可溶性固體與液體在常溫下（硫酸變稀后仍能進行）的反應，這是一般采用終止反應手段以減少污染的實驗中較難解決的問題，但使用上述通用的制氣裝置，這些問題仍能得到很好

解決，具體解決辦法如下（見圖8）：打開分液漏斗活塞，往加料瓶中加入70%的硫酸溶液，反應產生氣體……；當檢驗實驗都結束時，打開加料瓶下端活塞K，使加料瓶內的混合液排入盛有NaOH溶液的燒杯B中，硫酸被NaOH溶液優(yōu)先中和，終止了二氧化硫的產生；及時關閉活塞K，用鼓氣球將裝置內殘留的二氧化硫排出并吸收。實驗室制氯氣時，若用可溶性的KMnO4、 KClO3代替MnO2與鹽酸反應，由于在常溫下鹽酸較稀時仍能反應，同樣也可通過將反應物排入到堿溶液中來終止反應。

除了上述三個會產生有害氣體的反應外，銅與硝酸的反應、炭與濃硫酸（濃硝酸）的反應、無水乙醇在濃硫酸作用下制乙烯的反應（由于會產生二氧化硫，也應歸入有害氣體實驗）等，也都可用該通用裝置。只是部分儀器、試劑等需作一些相應的調整，例如乙烯實驗室制法中的氣體發(fā)生裝置需增配溫度計，且加料瓶中要放入碎瓷片。

5 結語

終止有害氣體產生的方法，主要有固液分離法（固體離開液體或液體離開固體）、消除反應物法和改變條件法（如降溫）。本文設計的通用防污染裝置，最大的亮點在于使用了一個下端有出口的“加料瓶”，可通過“釜底抽薪”的方式來達到終止反應的目的。

參考文獻：

［1］郭巧云， 趙永婷， 陳紅亮. 氯氣制備與性質實驗的一體化創(chuàng)新設計［J］. 實驗教學與儀器， 2021，（1）： 43～44.

［2］閻潤鴻， 馮高峰. 氯氣制備和性質檢驗一體化實驗的新設計［J］. 化學教學， 2021，（11）： 68～71.

［3］李文杰. 濃硫酸與銅反應實驗的改進［J］. 化學教學，2019，（7）： 63～65.

［4］張紅衛(wèi). 濃硫酸與銅反應實驗的改進［J］. 化學教學，2020，（1）： 67～69.