固體與多種液體連續反應制備氣體的演示裝置設計

葉永謙　張賢金　吳新建　葉燕珠

摘要：針對啟普發生器類裝置無法實現一種固體與多種液體反應或者無法在反應前后對固體進行洗滌的問題，利用帶n形彎管的改進型恒壓漏斗、三角漏斗等儀器設計出可實現固體與多種液體連續反應制備氣體的演示裝置。對如何使用該演示裝置進行了說明，同時以鋁與冷水反應為例作進一步分析。該演示裝置可以實現對固體的洗滌，還可以對氣體進行收集、檢驗和實現尾氣處理，操作簡便、現象明顯、綠色環保。

關鍵詞：固體；多種液體；連續反應；制備氣體；演示裝置設計

文章編號：1005-6629（2016）1-0074-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

實驗室采用固液相反應不加熱制氣體的實驗裝置很多，一般是啟普發生器或相關簡易裝置。但是啟普發生器這類裝置的局限就是固體只能和一種液體反應，無法實現一種固體與多種液體連續反應或者反應前后對固體的洗滌。如鋁與冷水反應需要對鋁條進行多次洗滌，就無法在該類裝置中進行。在該實驗設計中，使用筒形分液漏斗配合三角漏斗、橡皮導氣管、止水夾、燒杯等作為演示裝置（見圖1）。其中筒形分液漏斗（見圖2）因裝置下端設計有玻璃活塞，可以通過控制該活塞達到多次換液的目的。但是在實際操作中，由于橡皮導管老化問題，導致一段時間后均需更換，且止水夾對氣流的控制效果不理想。為了解決以上問題，通過對恒壓漏斗進行改裝，配合其他儀器，可以設計出操作簡便、現象明顯、綠色環保的裝置，用于演示固體與多種液體連續反應不加熱制備氣體并對氣體進行收集、檢驗和實現尾氣處理。

1.實驗儀器

實驗儀器：帶n形彎管的改進型恒壓漏斗，三角漏斗，燒杯，鐵架臺，鐵夾，單孔橡皮塞。

其中帶n形彎管的恒壓漏斗是整套裝置的關鍵儀器，在普通恒壓漏斗（見圖3）的基礎上進行四處改裝：一是將原來水平伸出的支管改為n形彎管，目的是為了保證液體可以充滿瓶體，使排液法收集到的氣體更純凈；二是在支管處多安裝了一個玻璃活塞，用于控制氣體的流速；三是下端外管不使用磨砂玻璃，直接用普通玻璃管，內管長度大于外管，防止可能的沉積物堵住外管（見圖4）；四是將漏斗容量定為100毫升，既保證演示效果又節約藥品。

2.實驗裝置圖

在圖5所示實驗裝置中，改進后的恒壓漏斗用于盛放塊狀固體，三角漏斗用于加入液體反應物，反應產生的難溶性氣體收集在恒壓漏斗中。玻璃活塞1用于控制液體從內玻璃管多次流出，達到固體與多種液體連續反應或洗滌的作用。玻璃活塞2作為尾氣吸收裝置的控制開關，用于將產生的氣體反復收集后通過外玻璃管通入燒杯中。通過以上裝置，可以實現固體與多種液體反應并收集、檢驗、吸收難溶性氣體，演示效果好。

3.使用說明

3.1氣體的收集

將塊狀難溶性固體反應物放在帶n形彎管的恒壓漏斗中，往三角漏斗中加入液體反應物并充滿瓶體。反應生成的氣體將液體壓入三角漏斗中，氣體收集在n形彎管的恒壓漏斗上部。通過三角漏斗中液面的上升可以直接觀察到有氣體的生成。

3.2可燃性氣體的驗證

若收集到的氣體具有可燃性，可以在燒杯中加入溶有洗滌劑的水至沒過外玻璃管下管口，打開玻璃活塞2后，三角漏斗中液面下降，將氣體壓出，并在燒杯中溶有洗滌劑的水面上形成氣泡。用燃燒的木條火焰靠近氣泡，可以觀察到氣泡燃燒起來并伴有爆鳴聲。因首次排出的氣體中混有導管中的空氣，爆嗚聲顯得清脆。再次關閉玻璃活塞2，待三角漏斗中液面上升到一定高度后，重復以上操作，由于此時排出的氣體較為純凈，爆嗚聲顯得沉悶。使用以上方法比直接燃燒氫氣現象明顯且能確保安全，直接燃燒氫氣前要先驗純，否則可能爆炸，燃燒時也只有視覺的體驗。而使用以上方法后，不驗純也不會出現安全事故，只是爆鳴聲音更響亮而已，同時有視覺上的燃燒和聽覺上的爆鳴聲的體驗，學生印象更為深刻。

3.3可燃性氣體的尾氣處理

打開玻璃活塞1，讓漏斗中液體全部流入燒杯中，關閉該活塞。再打開玻璃活塞2，往三角漏斗中緩慢加入蒸餾水，將瓶體中的氣體全部趕入燒杯中在液面上形成氣泡，再用燃燒的木條火焰將氣泡全部燃燒掉。

3.4有毒氣體的尾氣處理

如收集到的氣體有毒，必須進行吸收處理，可在燒杯中裝吸收液至沒過外玻璃管下管口，打開玻璃活塞2控制氣體流速，使氣體緩慢進入燒杯中的吸收液，確保完全吸收。

3.5固體的洗滌或液體的稀釋

如固體反應物需用溶液進行前期處理（如必須洗滌后再與其他液體反應），可通過兩個玻璃活塞進行控制。如液體反應物反應一段時間后必須加水稀釋再演示，可以先打開玻璃活塞1讓濃溶液流出一部分，關閉該活塞后再往三角漏斗中加蒸餾水進行稀釋。

4.使用實例

演示鋁與冷水反應生成氫氣，并實現氫氣的收集、檢驗和尾氣處理（見圖6）。

4.1檢驗氣密性

按圖6將儀器安裝好后，關閉玻璃活塞1、2，往三角漏斗中加入一定量水，若三角漏斗內外存在液面高度差且不變，說明氣密性良好。

4.2鋁條的處理

往燒杯中加入溶有洗滌劑的飽和硫化鈉（因部分氧化為單質硫呈黃色）至沒過外玻璃管下管口，關閉玻璃活塞1，打開玻璃活塞2，往帶n形彎管的恒壓漏斗中加入鋁片，裝上三角漏斗，往三角漏斗中加入5%氯化汞溶液充滿瓶體，關閉玻璃活塞2。

4.3氯化汞溶液的處理

當觀察到鋁條與氯化汞溶液劇烈反應時，立即打開玻璃活塞1，使溶液全部流入硫化鈉溶液中形成硫化汞沉淀。由于飽和硫化鈉中有單質硫存在，可以與流出的單質汞反應生成硫化汞。

4.4鋁條的洗滌

待漏斗中溶液全部流出后，往漏斗中加入蒸餾水洗滌鋁條，反復三次。

4.5鋁與水反應及氫氣的收集

鋁條洗滌后，關閉玻璃活塞1，往三角漏斗中加入蒸餾水至充滿瓶體，關閉玻璃活塞2。鋁與蒸餾水反應，表面有氣泡冒出，溶液變白色渾濁，產生的無色氣體將溶液壓入三角漏斗中。

4.6檢驗氫氣

打開玻璃活塞2，三角漏斗中液面下降，將氫氣壓出，并在燒杯液面上形成氣泡。用燃燒著木條火焰靠近氣泡，氣泡燃燒起來并伴有清脆爆嗚聲。再次關閉玻璃活塞2，待三角漏斗中液面上升到一定高度后，重復以上操作，由于所得氫氣較為純凈，爆鳴聲顯得沉悶。

4.7尾氣處理

方法與使用說明相同。

5.裝置優點

使用本裝置對固體與多種液體連續反應不加熱制備氣體進行演示，具有以下優點。

5.1填補空白

目前實驗室尚無此類裝置，填補了演示裝置的一項空白，解決了啟普發生器類裝置及筒形分液漏斗連接橡皮導管存在的不足。

5.2現象明顯

通過三角漏斗中液面的上升直觀感受難溶性氣體的生成，通過可燃性氣體形成的氣泡的燃燒和爆嗚聲，對學生形成視覺和聽覺上的沖擊。

5.3操作簡便

只需簡單控制玻璃活塞，即可實現氣體的產生、收集、檢驗、尾氣處理和固體的洗滌、液體的稀釋等操作。整個實驗一氣呵成，演示時間一般不超過五分鐘，適合在課堂上演示。

5.4綠色環保

帶n形彎管的恒壓漏斗容積設計為100毫升，既保證演示效果又節約藥品，下端外玻璃管浸入燒杯中的溶液可用于有毒氣體的有效吸收。