有害氣體制備及性質(zhì)檢驗通用裝置的設計

汪才筆 周麗梅

摘要： 針對現(xiàn)有氨氣、二氧化硫、氯氣等有害氣體的制備及其性質(zhì)檢驗實驗裝置的不足，采用定制的可聯(lián)結反應管、注射器、翻口塞、氣球等常見器材設計了一種通用的有害氣體的制備及其性質(zhì)檢驗的實驗裝置。該裝置不僅具有反應可控、現(xiàn)象明顯、操作簡便、安全性高等優(yōu)點，而且還可按需組裝、功能多樣、防止污染、適用于多種有害氣體的制備及其性質(zhì)檢驗的高中化學實驗。

關鍵詞： 有害氣體； 通用裝置設計； 定制反應管; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2023）09-0077-04???中圖分類號： G633.8???文獻標識碼： B

1? 提出問題

在中學化學實驗中，有害氣體的制備及其性質(zhì)檢驗的實驗存在一些不足，如裝置復雜、藥品用量過多、尾氣未作處理、不能調(diào)控反應的發(fā)生與停止等問題，且未將氣體制備和性質(zhì)探究作為一個整體來進行設計。故眾多教師未選擇作為課堂演示實驗，也不安排學生實驗，不利于培養(yǎng)學生的動手能力。鑒于此，本探究實驗主要針對以上問題對有害氣體制備及其性質(zhì)檢驗的實驗裝置進行通用性的改進設計。

2? 相關文獻概述

通過查閱文獻，很多一線教師在教材中相關實驗的基礎上進行了實驗改進，比較有代表性的有以下四種方案。

方案一：向具支試管中加入滴有品紅溶液的蒸餾水，用鑷子夾取浸潤有紫色石蕊溶液的濾紙片，置于具支試管口下端，用注射器吸取少量硫酸，與V型管連接并緩慢推入管內(nèi)，觀察到反應開始時氣球變大、濾紙片變紅及品紅溶液退色，幾分鐘后，氣球變小并恢復至原樣，加熱品紅溶液，品紅溶液恢復紅色，氣球脹大［1］。

方案二：利用漂粉精粉末與稀鹽酸反應制備氯氣，并利用干燥的藍色石蕊試紙等檢驗氯氣的性質(zhì)，觀察到干燥的藍色石蕊試紙無變化，濕潤的藍色石蕊試紙先變紅后退色，淀粉-KI試紙先變藍后退色，試管A中FeSO4溶液變?yōu)樽攸S，試管B中品紅溶液退色，試管C中有白色沉淀生成，銅絲在達到紅熱狀態(tài)時立即燃燒起來，產(chǎn)生大量棕色的煙，實驗結束后向試管A中滴加硫氰化鉀，溶液變紅［2］。

方案三：借助塑料瓶、醫(yī)用三通閥、醫(yī)用注射器等設計實驗裝置。使用碳酸鈣與稀硝酸反應制備二氧化碳以排出裝置內(nèi)空氣，然后利用銅絲與稀硝酸反應制取一氧化氮，最后用醫(yī)用三通閥、分別裝有氧氣、蒸餾水的注射器使一氧化氮與氧氣、二氧化氮與水進行反應，觀察到一氧化氮與氧氣接觸后氣體變?yōu)榧t棕色，紅棕色氣體與水接觸后，氣體顏色逐漸變?yōu)闊o色，注射器活塞回縮至一定刻度［3］。

方案四：利用定制“加料瓶”、單向閥、鼓氣球等設計出一套有害氣體實驗通用防污染裝置。實驗時可通過打開定制“加料瓶”底部的活塞放出反應液終止有害氣體的進一步產(chǎn)生，運用單向閥來防止液體倒吸，最后利用鼓氣球鼓氣，將有害氣體稀釋并排到裝置外再加以處理［4］。

綜上所述，方案一裝置簡單，操作簡便，但性質(zhì)檢驗不全面且未對尾氣進行處理。方案二對氣體多種性質(zhì)進行了檢驗，但為了使氣體能通過整個裝置，需消耗大量藥品制備氣體，并且在最后一個性質(zhì)檢驗時仍需要加熱，卻沒有防倒吸的裝置，停止加熱后極易倒吸使玻璃管炸裂。方案三裝置簡單，使用了塑料瓶、三通閥和注射器，貼近生活，舊物利用，比較環(huán)保，但操作難度較高。方案四提出了一種有害氣體實驗通用防污染裝置，該裝置雖具有通用性但由于裝置構造、體積大小的限制，只適用于有液體參與的反應，并且藥品用量大，反應結束利用鼓氣球鼓氣的方式也不易將尾氣處理完全。

3? 通用裝置

分析上述方案，筆者由方案三中三通閥聯(lián)想至四通閥，利用四通閥與注射器進行有害氣體的制備及其性質(zhì)檢驗，但在進行實驗過程中發(fā)現(xiàn)氣體產(chǎn)生速率過快，注射器活塞極易因裝置內(nèi)壓強太大而被反向彈出，導致實驗失敗，具有一定的安全隱患。于是筆者在四通閥的基礎上設計了一種可聯(lián)結反應管（如圖1所示），該定制反應管的左端設為內(nèi)磨口，右端為外磨口，并且左端內(nèi)徑與右端外徑相切合，即多個該反應器可以形成緊密連接。在實驗中，可根據(jù)氣體的制備及其性質(zhì)檢驗選擇多個反應管自行連接，實現(xiàn)氣體的多重性質(zhì)檢驗。又由方案一中氣球、方案三中塑料瓶聯(lián)想到可通過氣球的變化情況來判斷裝置內(nèi)氣體的產(chǎn)生與消耗。

基于以上分析，筆者設計了一種有害氣體制備及其性質(zhì)檢驗的通用裝置（如圖2所示），該裝置由定制的可聯(lián)結反應管、翻口塞、注射器和氣球等構成。使用注射器可以添加藥品用于氣體制備或性質(zhì)檢驗；使用的翻口塞因其橡膠的伸縮性，被注射器的針頭戳破后也能保證氣密性；使用氣球平衡氣壓的同時也可根據(jù)氣球的膨脹與變癟來觀察氣體的產(chǎn)生與消耗。在反應前用注射器抽出裝置中氣體，氣球變癟，反應過程中隨著氣體的增多，通過觀察氣球的膨脹可以得知氣體已充滿整個裝置；處理尾氣時，也可觀察到氣球變癟。

4? 具體應用

4.1? 氯化銨與氫氧化鈣反應制備氨氣

氨氣是一種極易溶于水的堿性氣體，使用通用裝置不僅可以使反應可控，而且也能檢驗氨氣極易溶于水和溶于水顯堿性的性質(zhì)，現(xiàn)象明顯，具體操作如下［有關反應的化學方程式為2NH4Cl+Ca（OH）2△CaCl2+2NH3↑+2H2O］：

（1） 按圖3所示搭好裝置（裝有溶液的注射器不提前插入翻口塞），檢驗氣密性。向反應管1內(nèi)加入氯化銨與氫氧化鈣固體粉末的混合物，用注射器從裝置最右側翻口塞處抽取氣體，此時氣球變癟。

（2） 用酒精燈加熱反應管1，觀察到氣球逐漸膨脹。

（3） 停止加熱，用濕毛巾捂住反應管1使其降溫，氣球體積稍微變小。

（3） 向反應管2中滴加酚酞試液，觀察到酚酞試液變紅，氣球迅速變癟。

（4） 向兩個反應管內(nèi)滴加稀硫酸處理尾氣。

4.2? 酸性潔廁靈與84消毒液反應制備氯氣

采用酸性潔廁靈與84消毒液制備氯氣，這兩種反應物都是生活中常用的清潔劑。該反應不僅速率適中產(chǎn)生的氯氣較少，而且將化學與生活聯(lián)系起來并給學生以警示（不能將兩者混用）［5］。具體操作如下（有關的反應方程式為NaClO+2HClNaCl+Cl2↑+H2O）：

（1） 按圖4所示搭好裝置（裝有各種溶液的注射器不提前插入翻口塞），向反應管2、 3之間的連接處加入少量無水氯化鈣固體并檢驗氣密性。用注射器從裝置最左側翻口塞處抽取氣體，此時氣球變癟。

（2） 向反應管2中加入適量潔廁靈，向反應管3中放入干燥的淀粉碘化鉀試紙。

（3） 用注射器向潔廁靈中逐滴加入84消毒液，觀察到兩清潔劑緩慢反應產(chǎn)生少量氣泡，繼續(xù)滴加84消毒液至氣球開始膨脹，停止滴加。

（4） 向反應管1中滴加硝酸銀溶液，觀察到有白色沉淀生成。

（5） 向反應管3中淀粉碘化鉀試紙滴加蒸餾水，試紙變藍后迅速退色。

（6） 向各個反應管中加入飽和氫氧化鈉溶液至氣球完全變癟。

4.3? 亞硫酸氫鈉固體與草酸溶液反應制備二氧化硫

采用亞硫酸氫鈉與草酸溶液反應制備二氧化硫，因草酸的酸性較弱，生成二氧化硫的速率較慢，較易控制反應的發(fā)生和停止，能更好地節(jié)約原料并控制二氧化硫的產(chǎn)量。具體操作如下

（有關反應的方程式為NaHSO3+H2C2O4NaHC2O4+SO2↑+H2O）：

（1） 按圖5所示搭好裝置（裝有各種溶液的注射器不提前插入翻口塞），并檢驗氣密性。向反應管2中加入少量亞硫酸氫鈉固體后用注射器從裝置最左側翻口塞處抽取氣體，此時氣球變癟。

（2） 向反應管2中滴加草酸溶液，觀察到草酸溶液與亞硫酸氫鈉反應并產(chǎn)生氣體，氣球逐漸膨脹。

（3） 向反應管1中滴加硫化鈉溶液，產(chǎn)生黃色沉淀。

（4） 向反應管3中滴加品紅溶液，觀察到品紅溶液退色。

（5） 向反應管4中滴加高錳酸鉀溶液，高錳酸鉀退色。

在滴加品紅溶液、高錳酸鉀溶液、硫化鈉溶液的過程中，氣球逐漸變癟；最后向各個反應管中加入飽和氫氧化鈉溶液至氣球完全變癟。

除了上述三種有害氣體外，本通用裝置還可用到其他氣體的制備及其性質(zhì)檢驗中來，例如碳酸鈣與稀鹽酸反應制備二氧化碳、濃硝酸與銅反應制備二氧化氮等，可以根據(jù)實際需求選擇多個反應管連接組裝成實驗裝置。

5? 裝置優(yōu)點

本通用裝置的優(yōu)點：

（1） 成本低廉，易于普及，尤其適用于基礎設施落后的一些學校。

（2） 按需組裝，操作簡便，可根據(jù)實驗需要靈活調(diào)整反應管的數(shù)量。

（3） 反應可控，現(xiàn)象明顯，通過注射器滴加藥品可控制反應的發(fā)生與停止，并在實驗過程中能觀察到溶液顏色變化、沉淀生成等明顯現(xiàn)象。

（4） 氣密性好，安全性高，一方面利用氣球平衡氣壓，保證安全，另一方面利用翻口塞保證裝置氣密性良好，不僅可以防止有害氣體泄露造成環(huán)境污染，還可以在密閉環(huán)境下有效地處理尾氣。

（5） 功能多樣，適用面廣，可用于高中化學多種有害氣體的制備及其性質(zhì)檢驗，同時適用于固、液、氣等不同狀態(tài)物質(zhì)之間的相互反應。

（6） 通用裝置小巧易攜帶、藥品用量少、氣密性好，保證了實驗的安全性，并且易于觀察實驗現(xiàn)象，便于教師及學生操作。此外，裝置中的定制反應管定制成本低，不易損壞，有利于在中學化學實驗中進行推廣，讓學生也參與到實驗中來，落實學生化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，進一步促進學生的全面發(fā)展。

參考文獻：

［1］劉明霞， 汪梅， 鐘琴， 常金明. 基于“可逆反應”概念建構的二氧化硫性質(zhì)實驗改進［J］. 化學教學， 2022， （8）： 70～72.

［2］張紅紅， 莫尊理， 裴賀兵， 張曾棟， 岳睿， 高敏. 氯氣的制備及性質(zhì)一體化實驗改進設計［J］. 化學教育（中英文）， 2022， （23）： 93～97.

［3］李德前， 魏海， 張羿. “銅與稀硝酸反應”一體化實驗設計［J］. 化學教學， 2020， （9）： 70～72.

［4］曹桂禎， 饒慧伶， 許奕欣. 有害氣體實驗通用防污染裝置的設計［J］. 化學教學， 2022， （10）： 71～74.

［5］程行鋒， 張芙蓉. “84消毒液”與“潔廁靈”致兒童急性中毒1例報告［J］. 中國工業(yè)醫(yī)學雜志， 2021， （6）： 517～518.