藕節(jié)式氣體發(fā)生器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1、藕節(jié)式氣體發(fā)生器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用摘要：將固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體的演示裝置與啟普發(fā)生 器固液分離設(shè)計(jì)精髓相結(jié)合，設(shè)計(jì)了藕節(jié)式氣體發(fā)生器及配套裝置?？蓪?shí) 現(xiàn)粉末狀固體反應(yīng)時(shí)與液體脫離、對(duì)反應(yīng)進(jìn)行加熱、對(duì)固體反應(yīng)物進(jìn)行洗 滌等啟普發(fā)牛器所不具有的功能；可演示一氧化氮、二氧化氮、氯氣等氣 體的制備、收集、檢驗(yàn)、尾氣處理等實(shí)驗(yàn)。該裝置設(shè)計(jì)巧妙，具有使用方 便、適用廣泛等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：啟普發(fā)生器；藕節(jié)式氣體發(fā)生器；實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 文章編號(hào):10057c6629 （2017） l?c0071?c04 中圖分類號(hào)：g633. 8 文 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：b啟普發(fā)生器是屮學(xué)化學(xué)常用的制氣裝置，它通過控制固體與

2、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。但啟普發(fā)生器也 存在試劑消耗量大、排空時(shí)間長、浪費(fèi)多、配件用途小、不適宜加熱、不 適宜劇烈反應(yīng)等不足1。為了改進(jìn)以上不足，根據(jù)固液分離時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，出現(xiàn)了液 離式（圖1）、固離式（圖2）、固液均離式（圖3）三種簡易啟普發(fā)生器改 進(jìn)類型2。以上三類改進(jìn)后的簡易啟普發(fā)生器都可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生 和停止，凝聚了廣大化學(xué)教育工作者的智慧和汗水。但是，作為化學(xué)實(shí)驗(yàn) 儀器的改進(jìn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)時(shí)必須關(guān)注現(xiàn)象的清晰性和操作的簡練性，方便教 師在幾分鐘內(nèi)將實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、儀器藥品、操作步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等 講解清楚3。從以上改進(jìn)的結(jié)果看，大部

3、分儀器并不比以往的啟普發(fā)生 器簡單，有的反而更復(fù)雜，在實(shí)際教學(xué)中運(yùn)用效果不夠理想。而且，啟普 發(fā)生器通過節(jié)管分離固體和液體的設(shè)計(jì)精髓未能得到借鑒和傳承，是改進(jìn) 的一大遺憾。更重耍的是，以上改進(jìn)都無法對(duì)反應(yīng)物固體進(jìn)行洗滌，也無 法支持反應(yīng)物固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)。為了解決以上不足，本文將固體 與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體的演示裝置4與啟普發(fā)生器固液分離設(shè)計(jì) 精髓相結(jié)合，設(shè)計(jì)了藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置。1實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)1. 1儀器組成及功能藕節(jié)式氣體發(fā)牛裝置由藕節(jié)式氣體發(fā)牛器、加熱套裝、三角漏斗、倒扣的塑料漏斗、燒杯、鐵架臺(tái)等幾部分組成，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖、實(shí)物圖如 圖4所示。其屮，藕節(jié)式氣體發(fā)生器上節(jié)管為發(fā)

4、生裝置和集氣裝置，下節(jié) 管外包裹冇硅橡膠加熱套。硅橡膠加熱套連接數(shù)顯溫控儀，用于控制加熱 溫度。倒扌ii的塑料漏斗及燒杯部分屬于尾氣吸收?b置，也可用于部分性質(zhì) 實(shí)驗(yàn)。硅橡膠加熱裝置及倒扣的塑料漏斗屬于選配部分，視具體反應(yīng)選擇 對(duì)應(yīng)套裝。1.2藕節(jié)式氣體發(fā)生器的設(shè)計(jì)以上裝置中，藕節(jié)式氣體發(fā)生器是整套儀器的核心部分，示意圖、實(shí)物圖見圖5。該發(fā)生器屮部是葫蘆式雙節(jié)管，秉承啟普發(fā)生器固液分離設(shè) 計(jì)精髓。上節(jié)管用于承放塊狀固體反應(yīng)物，反應(yīng)開始后氣體收集在上節(jié)管, 因此上節(jié)管既做發(fā)生裝置乂做集氣裝置。下節(jié)管作為貯液裝置，氣體產(chǎn)生 后，上節(jié)管液體被壓入下節(jié)管，下節(jié)管液體則被壓入三角漏斗。通過控制 玻璃活塞

5、1,產(chǎn)生的氣體可以順著耳形彎管進(jìn)入導(dǎo)氣外管，最后在燒杯中 進(jìn)行性質(zhì)實(shí)驗(yàn)或者尾氣處理。也可以關(guān)閉玻璃活塞1,打開玻璃活塞2, 直接將氣體排出做性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。玻璃活塞2所在的支管與耳形導(dǎo)管所在的平 面呈90度夾角，通過旋轉(zhuǎn)角度可以只正面呈現(xiàn)支管或者耳形導(dǎo)管二者z 一，防止干擾觀察效果。實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過控制玻璃活塞3實(shí)現(xiàn)對(duì)固 體反應(yīng)物的洗滌，或者讓固體反應(yīng)物與一種液體反應(yīng)后將該液體排空繼續(xù) 與另一種液體反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)朿后，打開玻璃活塞3,液體通過排液內(nèi)管進(jìn) 入燒杯進(jìn)行廢液處理。2使用示例藕節(jié)式氣體發(fā)牛裝置可以實(shí)現(xiàn)普通啟普發(fā)牛器及其簡易裝置所有功 能，并能實(shí)現(xiàn)粉末狀固體反應(yīng)時(shí)與液體脫離、對(duì)反應(yīng)進(jìn)行加熱，

6、對(duì)固體反 應(yīng)物進(jìn)行洗滌等啟普發(fā)生器所不具有的功能。具體應(yīng)用示例如下。2. 1演示固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體普通啟普發(fā)生器只能演示塊狀固體與一種液體反應(yīng)制備氣體，無法實(shí) 現(xiàn)對(duì)該固體進(jìn)行洗滌或者讓該固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)。由于藕節(jié)式氣體 發(fā)生器下端設(shè)計(jì)有玻璃活塞3,且配套燒杯、倒扣漏斗等儀器，可以讓固 體與一種液體反應(yīng)后，將該液體流出，再加入另一種液體繼續(xù)與固體反應(yīng)。 以銅與硝酸反應(yīng)為例，可以先演示銅與濃硝酸反應(yīng)，制備二氧化氮后進(jìn)行 尾氣處理；然后將濃硝酸進(jìn)行稀釋再與銅反應(yīng)，制備并檢驗(yàn)一氧化氮后対 其進(jìn)行尾氣處理。（1）檢驗(yàn)氣密性：按圖4將儀器裝配好，關(guān)閉所有玻璃活塞，往三 角漏斗中加入一定量

7、的蒸他水，若三角漏斗內(nèi)外存在液面高度差口不變， 說明氣密性良好。(2) 加入藥品：往燒杯中加氫氧化鈉溶液至沒過導(dǎo)氣外管下管口及 倒扣漏斗口，往發(fā)生器上節(jié)管中加入三片銅片，裝上三角漏斗，打開玻璃 活塞1,再往三角漏斗屮加入濃硝酸至充滿瓶體，關(guān)閉玻璃活塞1。(3) 收集、檢驗(yàn)二氧化氮：固液接觸、銅片參與反應(yīng)，溶液變?yōu)榫G 色，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體將液體壓入三角漏斗中，直至液體與銅片脫離，反應(yīng) 停止，發(fā)生器上節(jié)管中收集有紅棕色氣體，根據(jù)氣體顏色判斷其為二氧化 氮。(4) 稀硝酸的配制：打開玻璃活塞3,當(dāng)液面下降至發(fā)生器管節(jié)處時(shí), 關(guān)閉玻璃活塞3,此時(shí)發(fā)牛器中液體只剩下原來的一半。打開玻璃活塞1, 再往三角漏

8、斗中加入蒸飽水至充滿發(fā)生器，濃硝酸被稀釋為稀硝酸。(5) 吸收處理二氧化氮：上述稀硝酸配制過程屮，液體流入燒杯屮 冇沉淀生成，此外溶液流出過程中伴冇氮氧化合物氣體逸出，由于在導(dǎo)氣 外管外部套有浸在氫氧化鈉溶液中的倒扣三角漏斗，可以有效吸收該氣 體。打開玻璃活塞1時(shí)，三角漏斗中液面緩慢下降，將發(fā)牛器中紅棕色氣 體全部趕入氫氧化鈉溶液中完全吸收。(6) 收集一氧化氮：銅與稀硝酸接觸后繼續(xù)反應(yīng)，溶液變?yōu)樗{(lán)色， 反應(yīng)產(chǎn)生的氣體將液體壓入三角漏斗中，直至液體與銅片脫離，反應(yīng)停止, 上節(jié)管收集到無色氣體。(7) 檢驗(yàn)一氧化氮：打開玻璃活塞3,使液體流入燒杯。同時(shí)打開玻璃活塞2,隨著空氣進(jìn)入，發(fā)生器中無色氣

9、體立即變?yōu)榧t棕色，可以判斷該氣體為一氧化氮。（8）尾氣處理：待發(fā)生器中液體全部流出后，關(guān)閉玻璃活塞2和玻 璃活塞3,打開玻璃活塞1,往三角漏斗中緩慢加入蒸憾水至充滿發(fā)生器, 使瓶體中的氣體全部趕入氫氧化鈉溶液中完全吸收，尾氣處理完成。2. 2演示粉末狀固體與液體加熱制備氣體的反應(yīng)啟普發(fā)牛器只能演示塊狀固體與液體制氣反應(yīng)，且反應(yīng)不能加熱。藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置可以演示粉末狀體與液體制氣的反應(yīng)，只需將粉末固體包在脫脂棉內(nèi)，放在上節(jié)管中，就可以實(shí)現(xiàn)固體與液體的接觸與脫離。 由于藕節(jié)式氣體發(fā)生器下節(jié)管可以包裹硅橡膠加熱套裝，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)液體 的加熱并控制加熱的溫度。下面通過二氧化錨與濃鹽酸反應(yīng)，演示氯氣的

10、制備、收集、檢驗(yàn)及尾氣處理，更全面展示藕節(jié)式氣體發(fā)牛裝置的優(yōu)勢， 裝置如圖6所示。（1）檢驗(yàn)氣密性：方法與2.1 （1）相同。（2）加入藥品：燒杯中裝300毫升氫氧化鈉溶液，用脫脂棉將二氧 化猛包住放在上節(jié)管，裝上三角漏斗，再安裝加熱套裝。打開玻璃活塞1, 往三角漏斗中加入濃鹽酸至充滿發(fā)牛器。（3）氯氣的收集：濃鹽酸接觸到包有二氧化猛的脫脂棉后，立即有少量氣體產(chǎn)生。接通電源，加熱一段時(shí)間后，隨著數(shù)顯溫控儀顯示的溫度 逐漸升高，反應(yīng)加快。當(dāng)數(shù)顯溫控儀顯示的溫度上升到105°c左右，溶液 顏色變黑，產(chǎn)生的大量氯氣將液體壓入三角漏斗屮，淺黃綠色的氯氣收集 在發(fā)牛器中。（4）氯氣的檢驗(yàn)：將發(fā)

11、生器旋轉(zhuǎn)90° ,使玻璃活塞2所在的支管呈現(xiàn)在正面，方便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此時(shí)耳形彎管背向演示方向，不會(huì)干擾觀察。控制玻璃活塞2,使極少量氣體從支管逸出，用玻璃棒蘸濕潤的淀粉 碘化鉀試紙靠近支管口，試紙變藍(lán)，說明該氣體是氯氣。(5) 廢液及尾氣處理：打開玻璃活塞3,發(fā)生器中液體全部流出。關(guān) 閉玻璃活塞2和玻璃活塞3,打?玻璃活塞1,往三角漏斗屮緩慢加入蒸 憾水至充滿發(fā)牛器，使瓶體中的氣體全部趕入氫氧化鈉溶液中完全吸收， 尾氣處理完成。3創(chuàng)新點(diǎn) 3.1固液脫離方式的創(chuàng)新按照固液分離時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同進(jìn)行分類，藕節(jié)式氣體發(fā)生器屬于液離式改進(jìn)類型。但與常見的液離式改進(jìn)不同，該發(fā)牛器傳承了啟普

12、發(fā)生器分離體和液體的設(shè)計(jì)精髓，方便制作和使用。對(duì)于粉末狀固體，只需用脫脂棉包住放在上節(jié)管，即可實(shí)現(xiàn)固液脫離，使該儀器的使用范圍明 顯拓寬。3.2綠色環(huán)保上的創(chuàng)新藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置除了具有固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體及 其某些演示裝置相同的廢液廢氣處理功能外，還具有避免氣體從三角漏斗 逸出污染空氣的新功能6。由于設(shè)計(jì)了藕節(jié)式節(jié)管，反應(yīng)發(fā)生后，氣體 溶解在上節(jié)管中液體達(dá)到飽和才能將下節(jié)管液體壓入三角漏斗。因下節(jié)管 液體基本不含或者很少含有氣體，進(jìn)入三角漏斗后壓強(qiáng)減小，不會(huì)有氣體 逸出，可以避免空氣污染。同時(shí)，從容積角度看，藕節(jié)式氣體發(fā)牛器容積 為100毫升，而普通啟普發(fā)生器有250、500、10

13、00、2000毫升等規(guī)格, 最小規(guī)格的啟普發(fā)生器也要消耗大量反應(yīng)液，藕節(jié)式氣體發(fā)生器則可以節(jié) 約至少一半藥品。3. 3加熱方式上的創(chuàng)新作為化學(xué)演示實(shí)驗(yàn)加熱的通常方法，酒精燈加熱存在著加熱不均勻、溫度難控制、明火易造成火災(zāi)等不足。使用硅橡膠加熱套裝可以有效避免 以上不足，且能對(duì)豎直放立的玻璃儀器進(jìn)行加熱。在對(duì)藕節(jié)式氣體發(fā)牛器 加熱中，硅橡膠加熱套包裹在下節(jié)管，不影響上節(jié)管實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。且 加熱時(shí)溫度先升高的是下節(jié)管液體，根據(jù)對(duì)流原理，上節(jié)管液體溫度也能 迅速上升，加熱速度較快，節(jié)約時(shí)間，適合在課堂演示實(shí)驗(yàn)中使用。對(duì)于 不同形狀和規(guī)格的玻璃儀器，只需請(qǐng)廠家按對(duì)應(yīng)尺寸定制硅橡膠加熱套即 可，價(jià)格僅需幾十元，且可以反復(fù)使用萬次以上。數(shù)顯溫控儀及電源適配 器是通用的，整套價(jià)格在200元左右。因此，硅橡膠加熱套裝具有適用范 圍廣、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，適合推廣。總之，藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置具有設(shè)計(jì)巧妙、使用方便、綠色環(huán)保、成 本合理等優(yōu)點(diǎn)，既傳承了啟普發(fā)生器固液分離設(shè)計(jì)的精髓，又集成了發(fā)生 裝置