化學儀器在實驗中的“多材一用”

■胡新文

化學儀器在實驗中的“多材一用”

■胡新文

化學是一門以實驗為基礎的學科，教師在化學實驗教學中要注意引導學生發散思維，發揮學生的主觀能動性，培養學生的創新能力。進行化學儀器或裝置的教學時，就可以啟發學生思考：同一應用的化學儀器裝置還有哪些，常見裝置可用哪種不同的儀器來替代？這樣，既可讓學生掌握一種裝置的多種用途和用法，又可掌握不同儀器的同一用法，形成設計實驗的能力。下面，我就列舉部分常規儀器或裝置的在實驗中的“一材多用”，從而體會這些儀器或裝置的異曲同工之妙。

一、防止倒吸裝置

在某些實驗中，由于吸收液的倒吸，會對實驗產生不良的影響，如玻璃儀器的炸裂、反應試劑的污染等，因此，在有關實驗中，師生必須采取一定的措施防止吸收液的倒吸。防止倒吸一般采用下列措施：（1）懸空式。（2）倒立漏斗式。這種裝置可以增大氣體與吸收液的接觸面積，有利于吸收液對氣體的吸收。當易溶性氣體被吸收液吸收時，導管內壓強減少，吸收液上升到漏斗中。由于漏斗容積較大，導致燒杯中液面下降，使漏斗口脫離液面，漏斗中的吸收液受自身重力的作用又流回燒瓶內，從而防止吸收液的倒吸（3）肚容式。當易溶于吸收液的氣體由干燥管末端進入吸收液被吸收后，導氣管內壓強減少，使吸收液倒吸進入干燥管的吸收液本身質量大于干燥管內外壓強差，吸收液受自身重量的作用又流回燒杯內，從而防止吸收液的倒吸。這種裝置與倒置漏斗很類似。（4）蓄液安全瓶式。當吸收液發生倒吸時，倒吸進來的吸收液被預先設置的蓄液裝置貯存起來，以防止吸收液進入受熱儀器或反應容器。這種裝置又稱安全瓶。（5）隔離式。氨氣溶于硫酸但不溶于四氯化碳，氨氣從導管進入四氯化碳，然后再進入硫酸中被硫酸吸收，四氯化碳起到的是隔離層的作用，因此，可防倒吸。（6）多孔球泡式。它的主要作用是使氣體與溶液的接觸面更大，使吸收或反應更充分。將半個多孔球泡浸入液體中，可在一定程度上防止倒吸。若整個浸入，氣體溶解進吸收液后多孔球泡不能與吸收液分離來減少負壓，這樣就不能防止倒吸。

圖1 懸空式

圖2 倒立漏斗式

圖3 肚容式

圖4 蓄液安全瓶式

圖5 隔離式

圖6 多孔球泡式

二、防止堵塞裝置

防堵塞裝置一般采用下列措施：（1）液封平衡式。由于有一根導氣管與外界相通但伸入到液面，起到液封的作用。所以，若裝置通暢，則液封，避免了氣體從導氣管的逸出，同時導氣管內外的液面是相等的。若流動的氣體在前方受阻，錐形瓶內液面下降，玻璃管中水柱上升，該裝置除了檢查堵塞之外，還可防止倒吸。（2）恒壓式。原理是用一根橡膠管將分液漏斗與燒瓶連通，使分液漏斗與燒瓶內氣壓相同，保證漏斗中液體順利流出，如圖8。大多數有機實驗需要在封閉的體系內進行，為使反應體系的壓強不會因滴加液體而增加，可用恒壓滴液漏斗（如圖9）解決這個問題。（3）防阻式。如圖10的干燥管、圖11用KMnO4制氧，利用棉花可以阻擋固態粉末狀的物質，使其不進入后邊的玻璃管內，不至于發生阻塞。取乙炔的管口，防止泡沫堵塞試管。除此之外，棉花在化學實驗中還有一些其他用途，如：用作防止氣體的擴散，如圖12所示。用排空氣法收集氣體時,可在集氣瓶口或試管口塞一團蓬松的棉花團,以防止被收集的與空氣形成對流，提高收集氣的純度。又如用作載體：①有些實驗易產生污染性氣體或有毒氣體，為防止污染空氣，可用浸有某種試劑的棉花團堵在試管口或導氣管口吸收有害氣體。如：用浸NaOH溶液的棉花吸收HCl、HBr、HI、H2S、Cl2、Br2、SO2、NO2等氣體。②焰色反應時可用脫脂棉作鹽或鹽溶液的載體，沾取鹽的固體粉末或溶液放在無色火焰上灼燒，觀察焰色，做焰色反應實驗。再如，用作反應物：如做纖維素的水解實驗時，棉花是反應物。

圖7 液封式

圖8

圖9

圖10 防阻式

圖11 高錳酸鉀制氧

圖12 收集氨氣

三、簡易啟普發生器裝置

1.工作原理。以用稀硫酸和鋅粒制取氫氣為例：打開活塞，容器內壓強與外界大氣壓相同，球形漏斗內的稀硫酸在重力作用下流到容器中，與鋅粒接觸，產生氫氣；關上活塞后，由于酸液繼續與鋅粒接觸，氫氣依然生成，此時容器內部壓強大于外界大氣壓，壓力將酸液壓回球形漏斗，使酸液與鋅粒脫離接觸，氫氣不再產生。

2.使用范圍。啟普發生器是用固體與液體試劑在常溫條件（不用加熱）下起反應制取氣體的典型裝置。如氫氣、二氧化碳、硫化氫等均可以用它來制取。但對于固體呈粉末狀或固體與液體相遇后溶解或反應時產生高溫者，如二氧化硫、二氧化氮等，都不適宜用此裝置制取。

3.有多種簡易裝置，如圖13、14所示。

圖13

圖14

四、測定氣體體積裝置

中學化學實驗中氣體體積的測定方法有兩種。（1）直接法。用排液法直接將待測氣體通入量器，排出液體的體積等于收集氣體的體積。注意讀數時要上下移動連通器一邊的管使左右兩管液面相平，目的是使氣體和外界的大氣壓相等，這樣就減小了實驗的誤差。如圖15所示。（2）間接法。排液法收集氣體,并用量器接收液體,接收液體體積等于收集氣體體積。無論用哪種方法收集氣體,讀數時,要確保集氣瓶內壓強和溫度與外界相同。如圖16所示：

圖15 量氣（1）

圖16 量氣（2）

五、冷凝和冷凝回流裝置

冷凝是氣體或液體遇冷而凝結，溫度越低，冷凝速度越快，效果越好。

1.冷凝

化工生產中一般將低沸點的產品蒸氣經冷凝操作后收集。一般有以下操作：（1）在承接裝置前裝冷凝管（直形或球形），如圖17所示；（2）冷水浴，如圖18所示。

2.回流

有易揮發的液體反應物時，為了避免反應物損耗和充分利用原料，要在發生裝置設計冷凝回流裝置，使該物質通過冷凝后由氣態恢復為液態，從而回流并收集。實驗室可通過在發生裝置安裝長玻璃管（圖19所示）或冷凝回流(球形或蛇形冷凝管，如圖20所示）等實現。

圖17

圖18

圖19

圖20

開發化學實驗裝置的“多材一用”，有助于激發學生學習化學的興趣，創設生動活潑的教學情景，訓練學生運用材料的科學方法，培養學生的科學態度和價值觀。

（作者單位：武漢市黃陂區實驗中學）

責任編輯 王愛民