化學(xué)氣體實(shí)驗(yàn)一體化裝置的新改進(jìn)

趙雯 馬力

摘要： 應(yīng)用連體五通閥、活塞可固定式螺口注射器和注射器針頭等材料對(duì)中學(xué)化學(xué)教材所涉及的常見氣體制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)裝置進(jìn)行改進(jìn)。新改進(jìn)的裝置集制備、性質(zhì)、除雜、尾氣處理等功能于一體，還可以半自動(dòng)化地完成一定體積氣體的收集以及一些較為精準(zhǔn)的氣體定量實(shí)驗(yàn)，適合開展學(xué)生實(shí)驗(yàn)，且有效克服現(xiàn)有一體化實(shí)驗(yàn)裝置在便捷性、通用性和功能性等方面存在的不足，為氣體的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)提供了新參考。

關(guān)鍵詞： 氣體制備和性質(zhì); 一體化實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn);實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2022）05-0072-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出： 要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[1]。然而在教學(xué)實(shí)踐中，尤其是中學(xué)化學(xué)教材所涉及的氣體制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，卻往往會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)儀器較為復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)操作難度較高、有毒有害氣體易泄露、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)太長(zhǎng)課堂無法完成等問題。不僅導(dǎo)致學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的效率不高，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，也不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。為此，不少教育工作者，尤其是一線教師，對(duì)教材中一些常見氣體的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改進(jìn)[2～5]，取得了較好的教學(xué)效果，但仍然存在一些不足有待改進(jìn)。如有的一體化裝置往往僅適用于某單一氣體的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，通用性較差;有的一體化裝置仍然較為復(fù)雜，操作難度大;有的一體化裝置只能完成一些定性實(shí)驗(yàn)，對(duì)一些定量實(shí)驗(yàn)無能為力。針對(duì)以上存在的問題，本研究設(shè)計(jì)制作了一套化學(xué)氣體一體化實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要由連體五通閥、活塞可固定式螺口注射器和注射器針頭組成，并具備以下特點(diǎn)： （1）裝置簡(jiǎn)單、操作方便，特別適合學(xué)生自己動(dòng)手開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng);（2）通用性好，能夠適用于NO2、 NO、 Cl2、 SO2、 C2H4等多種中學(xué)化學(xué)教材所涉及的氣體制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn);（3）功能多樣化，不僅可以完成氣體制備、性質(zhì)、除雜、尾氣處理等實(shí)驗(yàn)，而且實(shí)驗(yàn)過程中可以完成氣體半自動(dòng)化收集、可以隨時(shí)添加或更換相關(guān)反應(yīng)物、可以精準(zhǔn)控制氣體體積進(jìn)行相關(guān)定量實(shí)驗(yàn)，還可以結(jié)合數(shù)字化傳感器使用，以完成更多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)裝置的連體五通閥上設(shè)有三個(gè)開關(guān)閥門和五個(gè)螺口連接處，活塞可固定式螺口注射器設(shè)有金屬活塞，金屬活塞上設(shè)有兩個(gè)可固定螺母，分別置于注射器的內(nèi)、外側(cè)。注射器主體上設(shè)有螺口旋蓋，旋開螺口旋蓋后即可調(diào)節(jié)內(nèi)側(cè)螺母的位置?；钊晒潭ㄊ铰菘谧⑸淦骷白⑸淦麽橆^均可通過螺口與連體五通閥相連接。

實(shí)驗(yàn)前，連體五通閥上的a、 b、 c閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，在各注射器中分別加入相應(yīng)的反應(yīng)試劑，將注射器及注射器針頭與連體五通閥相連，調(diào)節(jié)連體五通閥上的相關(guān)閥門，并可通過調(diào)整用于收集氣體的注射器中金屬活塞上的內(nèi)側(cè)固定螺母，從而定量控制反應(yīng)中該注射器所收集到的氣體體積。實(shí)驗(yàn)時(shí)，推動(dòng)裝有液體反應(yīng)試劑的注射器活塞，使制取相關(guān)氣體的反應(yīng)物相互接觸，反應(yīng)開始;當(dāng)收集到目標(biāo)體積的氣體后，由于金屬活塞已通過內(nèi)側(cè)固定螺母固定，故可以利用氣壓將液體反應(yīng)物自動(dòng)排出該注射器，實(shí)現(xiàn)固液分離，反應(yīng)停止。完成氣體收集后，調(diào)整連體五通閥上的相關(guān)閥門及注射器相關(guān)螺母，可通過抽、推連接在連體五通閥上相關(guān)的注射器對(duì)氣體進(jìn)行除雜、性質(zhì)反應(yīng)以及尾氣處理，并可利用連接在連體五通閥上的注射器針頭進(jìn)行可燃性氣體的點(diǎn)燃試驗(yàn)。調(diào)節(jié)已收集有氣體的注射器的外側(cè)螺母還可以更為便捷地在氣體相關(guān)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)一定體積氣體的注入。此外，根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)需要也可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)、外兩側(cè)螺母將注射器活塞完全固定。實(shí)驗(yàn)中，還可通過調(diào)節(jié)連體五通閥上的相關(guān)閥門，取下相應(yīng)的注射器添加或調(diào)換所需反應(yīng)物;也還可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)本實(shí)驗(yàn)裝置再進(jìn)行擴(kuò)展，如在原連接注射器針頭處通過螺口改為連接另一個(gè)連體五通閥等。

2 實(shí)驗(yàn)方法和現(xiàn)象

利用本氣體制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化裝置主要可以半自動(dòng)化地完成指定體積氣體的收集實(shí)驗(yàn)、一體化性質(zhì)實(shí)驗(yàn)以及一些較為精準(zhǔn)的氣體定量實(shí)驗(yàn)。

2.1 指定體積的氣體收集實(shí)驗(yàn)

利用圖1裝置進(jìn)行NO2、 NO、 CO2、 H2等氣體制備實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于反應(yīng)物為塊狀固體與液體，該裝置可以通過控制塊狀固體與液體反應(yīng)物之間是否接觸來控制反應(yīng)的發(fā)生與停止，從而實(shí)現(xiàn)氣體自動(dòng)化收集。實(shí)驗(yàn)前，取液體反應(yīng)物（如濃/稀硝酸、稀鹽酸、稀硫酸等）于注射器A中，取塊狀固體反應(yīng)物（如銅片、碳酸鈣、鋅粒等）放置于注射器B中，并調(diào)節(jié)注射器B的固定螺母至目標(biāo)體積刻度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)閥門a使注射器A、B相通，并將注射器A中的液體反應(yīng)物推至注射器B，反應(yīng)開始。待氣體收集至目標(biāo)體積刻度處，由于螺母的固定作用，注射器B內(nèi)的氣體氣壓會(huì)將液體推回至注射器A，達(dá)到固液分離，反應(yīng)停止，最后調(diào)整關(guān)閉閥門a，即可完成指定體積氣體的半自動(dòng)收集。當(dāng)制取Cl2、 SO2等氣體時(shí)，若采用粉末狀固體（如高錳酸鉀、亞硫酸鈉等）與液體（如濃鹽酸、濃硫酸等）為反應(yīng)物，或制取C2H4、 HCl等氣體時(shí)采用液體（如乙烯利溶液與濃氫氧化鈉溶液或濃硫酸與濃鹽酸等）為反應(yīng)物時(shí)，圖1裝置也可實(shí)現(xiàn)指定體積的氣體收集。實(shí)驗(yàn)前，取液體反應(yīng)物置于注射器A，取粉末狀固體/液體反應(yīng)物置于注射器B，并調(diào)節(jié)B的固定螺母至目標(biāo)體積刻度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)閥門a并將A中液體推至B，待生成的氣體收集至目標(biāo)體積刻度，B內(nèi)的氣體氣壓會(huì)將液體或混有固體粉末的液體反應(yīng)物推回至A。調(diào)整閥門a以及b或c，可以讓注射器A與注射器C或D相通，通過控制A上的固定螺母，則可繼續(xù)完成C或D中指定體積的氣體收集。

2.2 一體化性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

完成氣體的制備與收集后，學(xué)生可繼續(xù)進(jìn)行氣體一體化性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的探究活動(dòng)。例如乙烯性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，注射器B中收集有C2H4氣體，鎖定閥門a，將A替換成盛有酸性高錳酸鉀溶液的注射器，C中盛有溴水，校準(zhǔn)后的無線二氧化碳傳感器則通過密封圈固定于注射器D主體上。通過調(diào)節(jié)閥門a和b，僅使注射器B、 C相通，將B中一定體積的C2H4通入C中，觀察到溴水逐漸褪色，與乙烯發(fā)生了加成反應(yīng)（CH2CH2+Br2CH2BrCH2Br）;通過調(diào)節(jié)閥門a、 b和c的鎖定方向，僅使注射器B與針頭1處相通，則可以在注射器針頭1處進(jìn)行乙烯氣體點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn);通過調(diào)節(jié)閥門a、 b和c的鎖定方向，僅使注射器A、 B相通，則可以將B中C2H4氣體通入A，可觀察到酸性高錳酸鉀溶液逐漸褪為無色（5C2H4+12KMnO4+18H2SO412MnSO4+10CO2+28H2O+6K2SO4）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要還可反復(fù)抽推注射器A幾次，使反應(yīng)充分進(jìn)行;將反應(yīng)生成的CO2氣體抽推至注射器B中，通過調(diào)整閥門a、 b和c，使已抽取有CO2氣體的注射器B和注射器D處的無線二氧化碳傳感器相通。通過采集數(shù)據(jù)，可觀測(cè)到CO2氣體濃度先明顯增加，后漸漸趨于平緩，從而直觀地驗(yàn)證了前述反應(yīng)中有CO2氣體生成的事實(shí)。利用可視化的數(shù)字實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證反應(yīng)產(chǎn)物，既解除以往教學(xué)過程中學(xué)生對(duì)是否生成CO2氣體的存疑，又引導(dǎo)學(xué)生形成通過實(shí)驗(yàn)來解決化學(xué)問題的觀念[6]。根據(jù)呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和現(xiàn)象，學(xué)生也能更好地理解為什么除去甲烷（或乙烷）中的少量乙烯一般選擇溴水而非酸性高錳酸鉀溶液。

若注射器B中收集有Cl2，將注射器C、 D中液體替換成飽和NaCl溶液、濃硫酸等，學(xué)生則可利用本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)制備的Cl2進(jìn)行除雜與干燥操作等。調(diào)整閥門a和b，僅使注射器B、 C相通，推動(dòng)活塞將B中Cl2通入C中，可除去Cl2中的HCl，推動(dòng)C的活塞，將液體推回B中，則C中剩余為除去HCl的Cl2。調(diào)整閥門b和c，僅使注射器C、 D相通，推動(dòng)活塞將C中Cl2通入D中，對(duì)Cl2進(jìn)行干燥，推動(dòng)D的活塞，將液體推回C中，則完成了Cl2的干燥。若需進(jìn)行尾氣處理，學(xué)生可將圖1注射器針頭1處替換成盛有NaOH溶液的注射器或者外接袋等裝置。完成氣體除雜和干燥操作后，可在B、 C處替換上裝有其他試劑的注射器，如NaBr溶液、KI溶液、Na2S溶液、FeCl2和KSCN混合溶液等，進(jìn)行一系列氯氣相關(guān)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。

若注射器B中收集有SO2，將注射器C、 D中試劑替換成酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液等，學(xué)生則可進(jìn)行SO2性質(zhì)實(shí)驗(yàn)探究。通過調(diào)節(jié)閥門a和b，僅使注射器B、 C相通，可將B中一定體積的SO2通入C，觀察到酸性高錳酸鉀溶液褪色，SO2表現(xiàn)出還原性。調(diào)節(jié)b和c，斷開與注射器C的連接，使B、 D相通，推動(dòng)B的活塞，將一定體積的SO2通入D中，觀察到品紅溶液褪色。接著使用電吹風(fēng)加熱D處片刻，溶液會(huì)再出現(xiàn)紅色，冷卻后溶液又褪色。說明SO2與品紅溶液作用生成不穩(wěn)定的無色物質(zhì)，受熱后又分解生成品紅，直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能在動(dòng)手操作的過程中給學(xué)生留下更深刻的印象，也有利于對(duì)這部分知識(shí)的學(xué)習(xí)理解和實(shí)踐應(yīng)用。學(xué)生也可以將C、 D中試劑替換成紫色石蕊試液和碘的淀粉溶液等繼續(xù)探究SO2的相關(guān)性質(zhì)。和Cl2相似，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后也可根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)尾氣處理操作。

此外，NO、 NO2、 NH3、 HCl等氣體的性質(zhì)、除雜、尾氣處理等一體化實(shí)驗(yàn)也能通過本裝置來實(shí)現(xiàn)。

2.3 氣體定量實(shí)驗(yàn)

除了能實(shí)現(xiàn)制備、除雜、性質(zhì)和尾氣處理外，連體五通閥和活塞可固定式螺口注射器的特殊設(shè)計(jì)，還能讓學(xué)生感受定量探究實(shí)驗(yàn)的功能和樂趣，且直觀性強(qiáng)、證據(jù)突出，有利于證據(jù)推理意識(shí)和變化觀念的培養(yǎng)。以NO2、 NO氣體性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例，當(dāng)連接在連體五通閥上的注射器B中收集有3體積NO2（室溫），C中盛有蒸餾水，先調(diào)整a、 b僅使注射器B、 C相通，推動(dòng)B的活塞，將NO2通入注射器C中，為使反應(yīng)充分，可再推動(dòng)C的活塞，反復(fù)數(shù)次，可觀察到B、 C中紅棕色氣體逐漸變?yōu)闊o色，注射器中氣體體積讀數(shù)逐漸由3體積（NO2）降至1體積（NO）處，發(fā)生了反應(yīng)： 3NO2+H2O2HNO3+NO。實(shí)驗(yàn)過程中除了顏色變化顯著，還能清晰地觀察到氣體體積的定量變化（3NO2→NO）。下一步在注射器D中裝有1體積O2（室溫），同時(shí)調(diào)整b和c，使注射器D和B相通，推動(dòng)注射器D的活塞，將O2注入B中，發(fā)生反應(yīng)： 2NO+O22NO2，B中氣體顏色逐漸加深，由無色變成紅棕色，注射器中氣體體積讀數(shù)逐漸由3體積氣體（2NO+O2）變成了2體積（2NO2）。當(dāng)連接在連體五通閥上的注射器B中收集有4體積NO2（室溫），C中盛有蒸餾水，D中裝有1體積O2（室溫），可以在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)調(diào)整a、 b和c，使注射器C、 D和B相通，松開B活塞上的固定螺母，同時(shí)推動(dòng)B和D的活塞，可觀察到C中最終基本沒有氣體剩余，恰好發(fā)生反應(yīng)： 4NO2+O2+2H2O4HNO3，而當(dāng)改變B、 D中氣體的體積比例時(shí)，則可觀察到C中最終有氣體剩余。此外，NO、 O2和H2O、 CH4與Cl2、 H2S與SO2等反應(yīng)也可采用上述方法進(jìn)行定量探究。

在探究實(shí)驗(yàn)中，我們通常需要運(yùn)用控制變量法來保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，然而在氣體實(shí)驗(yàn)中使用控制變量法有時(shí)并不容易，存在氣體體積難以精準(zhǔn)控制等問題。但利用本裝置卻能較好地完成此類實(shí)驗(yàn)。例如當(dāng)注射器B內(nèi)盛有經(jīng)過除雜和干燥處理的Cl2時(shí)，可以在注射器C、 D中分別裝有等體積的H2O和NaOH溶液，學(xué)生可探究相同體積Cl2與H2O、 NaOH反應(yīng)的異同。此外，利用本實(shí)驗(yàn)裝置還可以探究相同體積的Cl2在水中和飽和食鹽水中溶解性情況的差異、相同體積的CO2在水中和飽和NaHCO3溶液中溶解性情況的差異等。實(shí)驗(yàn)過程既能精準(zhǔn)控制氣體體積用量進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，又能清晰地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，操作簡(jiǎn)單又安全環(huán)保。

3 改進(jìn)和創(chuàng)新之處

（1） 有效解決了以往一體化改進(jìn)裝置在通用性、操作性和功能性等方面存在的問題，利用一套簡(jiǎn)單的裝置較好地實(shí)現(xiàn)中學(xué)化學(xué)教材所涉及的多種氣體制備和性質(zhì)的一體化實(shí)驗(yàn)?；钊晒潭ㄊ铰菘谧⑸淦鞯脑O(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)指定體積氣體的收集和一些定量探究實(shí)驗(yàn)的開展。改進(jìn)后的裝置也便于教師、學(xué)生操作和使用，易于推廣。

（2） 能結(jié)合氣體、壓強(qiáng)等數(shù)字傳感器的使用，在實(shí)驗(yàn)中融入現(xiàn)代信息技術(shù)，建立“宏-微-符-圖”四重表征。以直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象為證據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理意識(shí)和能力，提升模型認(rèn)知能力。

（3） 改進(jìn)后的裝置靈活多變、功能性強(qiáng)，能滿足多元化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，除了氣體體系，也可應(yīng)用于粗鹽提純中可溶性離子的除雜、模擬純堿工業(yè)生產(chǎn)等主題的實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語

本研究關(guān)于一體化裝置的改進(jìn)較好地解決了現(xiàn)有裝置在便捷性、通用性和功能性等方面存在的問題，讓學(xué)生能更多地動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程;將化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)和能力素養(yǎng)發(fā)展有機(jī)結(jié)合起來，有效推動(dòng)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，為氣體制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)提供了新思路。當(dāng)然，通過本次實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新改進(jìn)也在一定程度上豐富了當(dāng)前基礎(chǔ)教育裝備管理與研究工作內(nèi)涵，將以往的被動(dòng)管理轉(zhuǎn)為主動(dòng)創(chuàng)新，為推動(dòng)基礎(chǔ)教育裝備管理與研究工作轉(zhuǎn)型、促進(jìn)基礎(chǔ)教育裝備適應(yīng)新時(shí)代化學(xué)教學(xué)改革與發(fā)展的需要提供了一定的參考。

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