啟普發(fā)生器裝置的新改進(jìn)

趙雯 馬力

摘要： 從實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作調(diào)研中所遇到的實(shí)際問題出發(fā)，利用塑封袋、吸嘴袋、三通閥、濾網(wǎng)等廉價(jià)易得的材料，對(duì)啟普發(fā)生器裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)。改進(jìn)后的裝置制作簡(jiǎn)單、操作方便，可應(yīng)用于多種中學(xué)化學(xué)常見氣體的制取實(shí)驗(yàn)，有效解決了以往啟普發(fā)生器不適用于小顆粒、粉末狀固體與液體反應(yīng)的問題，且可被拓展設(shè)計(jì)為兼具啟普發(fā)生器和多功能瓶作用的裝置，完成氣體的制備、干燥或除雜等系列實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 啟普發(fā)生器; 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2022）07005304

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

為進(jìn)一步了解當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作狀況，在上海市教委的支持下，市教委教育技術(shù)裝備中心聯(lián)合市教委教研室等相關(guān)部門開展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作調(diào)研。在調(diào)研工作實(shí)地走訪中，對(duì)照《上海市普通中小學(xué)校教育裝備配備指南》化學(xué)學(xué)科教學(xué)儀器配備目錄中“基礎(chǔ)配備”的實(shí)驗(yàn)儀器要求，現(xiàn)場(chǎng)抽樣查看了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的儀器配置情況，發(fā)現(xiàn)目錄中涉及到的啟普發(fā)生器（250mL和125mL各需配置至少2個(gè)）和簡(jiǎn)易啟普發(fā)生器（125mL需配置至少30個(gè)）的配置情況均不理想。通過訪談了解到，造成上述問題的主要原因在于啟普發(fā)生器裝置相對(duì)復(fù)雜，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中常有失手打碎玻璃儀器的情況;部分學(xué)校采購(gòu)人員缺乏經(jīng)驗(yàn)未提前備有相關(guān)易碎玻璃儀器的余量;部分學(xué)校儀器的添置和更新制度不完善且內(nèi)部申請(qǐng)采購(gòu)流程較繁瑣。當(dāng)然，易碎的玻璃儀器也給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作安全帶來一些隱患，部分打碎過玻璃儀器的學(xué)生甚至表示該經(jīng)歷使其對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣有所降低。那么如何改進(jìn)啟普發(fā)生器，使得我們能夠放手讓學(xué)生去探索、研究、實(shí)驗(yàn)，以釋放學(xué)生的天性、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣？如何降低啟普發(fā)生器的制作難度和成本，讓所有學(xué)生都能夠有機(jī)會(huì)自己動(dòng)手完成制作并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究？

查閱啟普發(fā)生器改進(jìn)的相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)不少教師對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新的嘗試，來規(guī)避啟普發(fā)生器的一些局限性，取得了較好的演示效果[1，2]。但現(xiàn)有的改進(jìn)裝置還是存在一些問題，主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)裝置仍比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)操作比較繁瑣;選用多孔隔板分隔固體，由于多孔隔板孔徑固定，隨著反應(yīng)進(jìn)行固體顆粒物易掉入裝置底部難以取出，且不適用于比多孔隔板孔徑小的固體顆粒物等;再者，現(xiàn)有改進(jìn)裝置采用的玻璃儀器組合居多，故存在易碎風(fēng)險(xiǎn)且成本相對(duì)較高，不便于學(xué)生分組或自己動(dòng)手探究實(shí)驗(yàn)使用?；谝陨戏治?，本文運(yùn)用塑封袋、吸嘴袋、三通閥、PP（聚丙烯纖維）材質(zhì)濾網(wǎng)等廉價(jià)易得的材料，對(duì)啟普發(fā)生器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置兼具簡(jiǎn)易性和實(shí)用性，產(chǎn)生的氣體較純，且適用于小顆粒、粉末狀固體與液體的反應(yīng)，非常適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)與探究實(shí)驗(yàn)。由于制作成本低廉，也為物資缺乏地區(qū)的學(xué)校提供一種新的選擇。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，新改進(jìn)的啟普發(fā)生器裝置主要由密封條、底部帶孔塑封袋、透明塑料材質(zhì)實(shí)驗(yàn)吸嘴袋主體、搭配三通閥組合制作而成。制作方法如下： 第一步，利用打孔器在帶有密封條1的塑封袋2的底部完成打孔操作，孔徑大小可依據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整;第二步，根據(jù)底部帶孔塑封袋2的寬度將實(shí)驗(yàn)吸嘴袋3左側(cè)下方剪開小口，將底部帶孔塑封袋2從左側(cè)小口伸入袋中放平，并使帶孔塑封袋2伸出到實(shí)驗(yàn)袋3主體之外，密封條1可控制底部帶孔塑封袋2與外界相通;第三步，用熱塑封器將底部帶孔塑封袋2密封于實(shí)驗(yàn)袋3主體內(nèi)。為避免熱塑封時(shí)底部帶孔塑封袋2其他部分被過多塑封或粘連，可在第二步操作時(shí)在底部帶孔塑封袋2內(nèi)放入一條尺寸適合的白紙，待熱塑封操作結(jié)束后抽出白紙即可;第四步，利用熱塑封器將實(shí)驗(yàn)袋3主體一分為二，形成塑封線Ⅰ;第五步，利用膠塞將三通閥4與實(shí)驗(yàn)袋3頂部左側(cè)的吸嘴處相連，三通閥4可控制實(shí)驗(yàn)袋3與外界的相通，也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要向外連接儲(chǔ)氣袋、注射器等各類裝置。實(shí)驗(yàn)前可通過手動(dòng)擠壓或抽拉連接在三通閥上的注射器盡可能排出實(shí)驗(yàn)袋中的空氣，使制備的氣體較純。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可通過三通閥、實(shí)驗(yàn)袋底部的塑封袋分別添加液體、固體顆粒物。若使用的固體顆粒物小于塑封袋孔徑，或?yàn)榱藴p少固體顆粒物大小因反應(yīng)進(jìn)行出現(xiàn)小于塑封袋孔徑而掉落的情況，一方面可以在制作時(shí)選用超細(xì)針頭（粗細(xì)最低可達(dá)0.18mm）盡可能控制塑封袋孔徑大小，另一方面也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇PP材質(zhì)的各類濾網(wǎng)（孔徑最小可達(dá)1μm）使用。

3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用及拓展探究

3.1 中學(xué)化學(xué)常見氣體制取的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用示例

鋅粒與稀硫酸反應(yīng)制取氫氣實(shí)驗(yàn)。向圖1實(shí)驗(yàn)裝置的底部帶孔塑封袋中加入少量鋅粒，將底部帶孔塑封袋通過密封條密封。旋轉(zhuǎn)三通閥，將稀硫酸注入實(shí)驗(yàn)袋中，并使其液面沒過帶孔塑封袋的底部小孔?？捎^察到實(shí)驗(yàn)袋中的硫酸與底部帶孔塑封袋中的鋅粒接觸后迅速反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣泡，實(shí)驗(yàn)袋明顯開始膨脹，可通過連接在三通閥上的儲(chǔ)氣袋或大號(hào)注射器收集氣體。氣體收集完成后，關(guān)閉三通閥，使實(shí)驗(yàn)袋與外界隔離。隨著氫氣繼續(xù)產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)袋塑封線左側(cè)壓力增大，逐漸將左側(cè)實(shí)驗(yàn)袋中的液體擠壓至實(shí)驗(yàn)袋右側(cè)，左側(cè)實(shí)驗(yàn)袋中液面降低，當(dāng)液面低于帶孔塑封袋的底部小孔時(shí)，固液反應(yīng)物分離，反應(yīng)停止。

過氧化氫制取氧氣實(shí)驗(yàn)。考慮到二氧化錳粉末大小一般在15～100μm不等，遠(yuǎn)小于我們手工制作出的底部帶孔塑封袋孔徑，所以選擇使用過濾精度為1μm的PP材質(zhì)濾網(wǎng)。當(dāng)然，使用普通濾紙配合棉線將二氧化錳粉末包裹嚴(yán)實(shí)同樣可行，只是試驗(yàn)下來發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間不宜過長(zhǎng)，將濾紙長(zhǎng)期浸沒在液體中會(huì)導(dǎo)致濾紙破損，相比較而言使用1μm PP材質(zhì)濾網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)效果更佳。實(shí)驗(yàn)時(shí)先用1μm PP材質(zhì)的濾網(wǎng)包裹少量二氧化錳粉末，并用棉線束緊，再放入圖1實(shí)驗(yàn)裝置的底部帶孔塑封袋中并將其密封。旋轉(zhuǎn)三通閥，將過氧化氫溶液注入實(shí)驗(yàn)袋中，并使其液面沒過帶孔塑封袋的底部小孔?？擅黠@觀察到大量氣泡產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)袋開始膨脹。氣體收集完成后，關(guān)閉三通閥，在氣壓作用下固液分離，反應(yīng)停止。

此外，如圖1所示，改進(jìn)的啟普發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置還可以應(yīng)用于銅與硝酸的反應(yīng)，能夠便捷地控制該反應(yīng)的發(fā)生與停止。另外，與傳統(tǒng)啟普發(fā)生器相比較，還能盡量避免生成的一氧化氮?dú)怏w與裝置中的空氣發(fā)生反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)向圖1實(shí)驗(yàn)裝置的底部帶孔塑封袋中加入少量銅片并將其密封。通過手動(dòng)擠壓或抽拉連接在三通閥上的注射器盡可能排出實(shí)驗(yàn)袋中的空氣。旋轉(zhuǎn)三通閥，將稀硝酸注入實(shí)驗(yàn)袋中，并使其液面沒過帶孔塑封袋底部的小孔?？捎^察到實(shí)驗(yàn)袋中的稀硝酸與底部帶孔塑封袋中的銅片接觸后緩慢反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，實(shí)驗(yàn)袋逐漸開始膨脹且袋中氣體為無(wú)色。氣體收集完成后，關(guān)閉三通閥，隨著一氧化氮?dú)怏w不斷產(chǎn)生，固液反應(yīng)物分離，反應(yīng)停止。若制備二氧化氮?dú)怏w，則將稀硝酸換成濃硝酸，實(shí)驗(yàn)操作和上述制備一氧化氮情況相同。

直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象既能很好地說明啟普發(fā)生器的原理，又能促進(jìn)學(xué)生證據(jù)推理、科學(xué)探究、變化觀念等素養(yǎng)的形成。圖1實(shí)驗(yàn)裝置也適用于≥1μm的其他小顆粒、粉末狀、塊狀固體與液體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究。

3.2 對(duì)啟普發(fā)生器裝置應(yīng)用的拓展改進(jìn)

在圖1實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了一些新改進(jìn)，使其兼具啟普發(fā)生器和多功能瓶的作用，能完成氣體的制備、干燥或除雜等系列實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，根據(jù)底部帶孔塑封袋2的寬度將實(shí)驗(yàn)袋3右側(cè)上方剪開小口，將底部帶孔塑封袋2從右側(cè)上方小口伸入袋中放平，同樣也使底部帶孔塑封袋2伸出到實(shí)驗(yàn)袋3主體之外。通過膠塞將三通閥4與實(shí)驗(yàn)袋3頂部左側(cè)的吸嘴處相連，以控制實(shí)驗(yàn)袋與外界相通。用熱塑封器在實(shí)驗(yàn)袋3主體上進(jìn)行塑封操作形成Ⅰ、 Ⅱ和Ⅲ三條塑封線，將實(shí)驗(yàn)袋3主體分為三部分。先將夾子5夾在塑封線Ⅰ的下端，防止反應(yīng)中液體試劑被擠壓至塑封線Ⅰ右側(cè)。從左側(cè)三通閥處注入干燥或除雜試劑，試劑液面應(yīng)高于塑封線Ⅲ下端最低處。通過底部帶孔塑封袋先后加入液體和固體試劑，且加入的液體試劑液面要略高于帶孔

塑封袋的底部小孔，并迅速將其密封。固液反應(yīng)物充分接觸，反應(yīng)發(fā)生，可觀察到實(shí)驗(yàn)袋右側(cè)開始膨脹，實(shí)驗(yàn)袋左側(cè)的干燥或除雜液體試劑中逐漸產(chǎn)生氣泡，通過連接在三通閥上的儲(chǔ)氣袋或大號(hào)注射器可收集經(jīng)過干燥或除雜后的氣體。氣體收集完成后，關(guān)閉三通閥，將原本夾在塑封線Ⅰ下端的夾子5夾至實(shí)驗(yàn)袋頂部塑封線Ⅱ和Ⅲ之間區(qū)域，阻隔氣體向?qū)嶒?yàn)袋左側(cè)擴(kuò)散。隨著實(shí)驗(yàn)袋右側(cè)氣體不斷產(chǎn)生，氣壓不斷增大，液體試劑逐漸被擠壓至塑封線Ⅰ右側(cè)，液面逐漸下降。當(dāng)液面低于帶孔塑封袋的底部小孔時(shí)，固液反應(yīng)物分離，反應(yīng)停止。

其實(shí)對(duì)圖1裝置的拓展改進(jìn)還有很多可能，由于實(shí)驗(yàn)裝置制作簡(jiǎn)便，教學(xué)中可將其設(shè)計(jì)成微項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)。活動(dòng)中學(xué)生可以圖2為參考，自己提出拓展改進(jìn)的設(shè)想，嘗試自己動(dòng)手制作并完成實(shí)驗(yàn)，不僅加深學(xué)生對(duì)啟普發(fā)生器原理的認(rèn)識(shí)，而且促進(jìn)創(chuàng)新思維的形成與發(fā)展。如有學(xué)生提出，在圖2裝置的基礎(chǔ)上去除對(duì)夾子的使用，并改變底部帶孔塑封袋2和塑封線Ⅰ的位置，設(shè)計(jì)成如圖3（a）所示裝置，即把底部帶孔塑封袋2設(shè)置在實(shí)驗(yàn)袋3右側(cè)下方，保留圖2中塑封線Ⅱ和Ⅲ，但將塑封線Ⅰ替換成圖3（a）的塑封線Ⅰa，并在實(shí)驗(yàn)袋左側(cè)底部增加塑封線Ⅳ。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過底部帶孔塑封袋添加固體和液體反應(yīng)物，液體試劑液面需低于帶孔塑封袋的底部小孔。從左側(cè)三通閥處注入干燥或除雜試劑，試劑用量應(yīng)保證在實(shí)驗(yàn)袋橫置時(shí)，液面仍高于塑封線Ⅳ最左端。手動(dòng)將實(shí)驗(yàn)袋橫置，固液試劑充分接觸，反應(yīng)開始。學(xué)生還指出可輕微擠壓右側(cè)，這樣可使實(shí)驗(yàn)袋內(nèi)部產(chǎn)生的氣體盡量完全排向左側(cè)。若需反應(yīng)停止，只需將實(shí)驗(yàn)袋重新豎置，此時(shí)液面低于帶孔塑封袋的底部小孔，固液反應(yīng)物分離，反應(yīng)停止。學(xué)生設(shè)計(jì)的圖3（a）實(shí)驗(yàn)裝置雖然沒有利用氣壓原理，純依靠手動(dòng)控制反應(yīng)進(jìn)程，但也達(dá)到了控制反應(yīng)發(fā)生與停止的效果，具有一定的創(chuàng)新性和可行性。另有學(xué)生提出，在保留圖2所有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，再增加兩條塑封線Ⅳ和Ⅴ，將實(shí)驗(yàn)袋3主體分為四部分，同時(shí)實(shí)現(xiàn)利用啟普發(fā)生器原理制取氣體、氣體除雜和干燥的一體化，實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)如圖3（b）所示。

但該裝置

未充分考慮實(shí)際操作時(shí)向圖3（b）中塑封線Ⅲ和Ⅳ之間區(qū)域注入除雜試劑時(shí)會(huì)比較困難，因而在可行性方面稍有欠缺。

4 改進(jìn)和創(chuàng)新之處

（1） 改進(jìn)的啟普發(fā)生器裝置利用塑封袋、吸嘴袋、三通閥、PP材質(zhì)濾網(wǎng)等廉價(jià)易得的材料制作而成。它有效解決了以往啟普發(fā)生器不適用于小顆粒、粉末狀固體與液體反應(yīng)的問題，可用于多種中學(xué)化學(xué)常見氣體的制取，且制備的氣體相對(duì)較純。

（2） 改進(jìn)的啟普發(fā)生器裝置易被拓展設(shè)計(jì)與使用，可塑性、實(shí)用性、應(yīng)用性都較強(qiáng)，適合教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究，中學(xué)生完全有能力自己動(dòng)手完成制作，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展創(chuàng)新。教師也可嘗試將其設(shè)計(jì)成項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)，既能提高學(xué)生的實(shí)踐能力，又能幫助學(xué)生進(jìn)一步理解啟普發(fā)生器的原理，真正做到學(xué)以致用，將知識(shí)融會(huì)貫通。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究從實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的調(diào)研中遇到的實(shí)際問題出發(fā)，對(duì)啟普發(fā)生器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展探究，為中學(xué)化學(xué)教師或?qū)嶒?yàn)員提供新參考。在實(shí)際的教學(xué)中，一線教師或?qū)嶒?yàn)員應(yīng)直面實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的實(shí)際問題，并將其轉(zhuǎn)化成研究對(duì)象，敢于探索，勇于創(chuàng)新，切實(shí)提高對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和創(chuàng)造性。這不僅能使教師和實(shí)驗(yàn)員自身的實(shí)驗(yàn)研究能力和創(chuàng)新思維得到提升，同時(shí)也有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新思維的培育。

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