新型多功能制氣裝置的設計

■楊月云

2012年版《義務教育化學課程標準修訂稿》提出：“化學是一門以實驗為基礎的學科，在教學中創設以實驗為主的科學探究活動，有助于激發學生對科學的興趣，引導學生在觀察、實驗和交流討論中學習化學知識，提高學生的科學探究能力。”化學實驗集中體現科學精神和態度，具有非常豐富的教育價值和內涵，有利于發展學生的核心素養。而化學實驗創新是化學教師對化學實驗的深刻理解，也是對科學精神和核心素養的不懈追求。化學實驗創新的根本目的是服務教學，服務學生，解決實驗教學中存在的問題，讓學生動手做實驗，動腦思考，探究“為什么”。化學實驗創新應該以學生的發展為本，做到時刻關注提升學生的核心素養。

實驗室制取氣體，要選擇合適的發生裝置。筆者研究的是反應物為固體和液體，反應條件為不需要加熱的“固液不加熱型”發生裝置。此類發生裝置在初中化學實驗教學和中考題中有著舉足輕重的位置，常年以四代經典裝置出現在各類試題中，每一代都有其特有的優點，如圖1。

但實驗時，如果要達到不同的功能，就需要組裝四套儀器；要考慮試管、錐形瓶與橡皮塞的吻合度，導管的選擇，橡皮塞上打孔的位置、大小；分液漏斗因為經常使用、清洗，玻璃塞和活塞芯已有許多不能與分液漏斗配套，有時會漏液，導致無法操作；這些儀器多為玻璃制品，組裝難度高，學生操作容易出現危險……四套裝置組裝好后，制備一次氣體，比較繁瑣，耗時多，浪費藥品嚴重。

比如做氣體性質的驗證實驗，實驗前有繁瑣的氣體制備過程；然后組裝儀器（各種儀器要合適配套），檢查裝置的氣密性（組裝一次，就要檢查一次），裝足藥品（以防中途氣體的量不夠，不能完成實驗）；對于裝置內的空氣，制氣一回就得排一回；實驗結束，經常發現氣泡還在冒著，浪費藥品；還要廢液處理，儀器刷洗等。而真正驗證氣體性質就用了一分鐘，可謂“臺上一分鐘，臺下十年功”。繁瑣的操作會讓一線教師想放棄動手實驗，直接講實驗，這樣省時、省力。

針對以上問題，筆者設計了由塑料瓶、注射器、輸液器、氣球組成的多功能制氣裝置（圖2），用的注射器、輸液器各部件的名稱如圖3所示，利用膠水黏合塑料瓶與輸液軟管、氣球，以確保裝置的氣密性。該裝置適用于一些反應物為液體與固體、液體與液體，不需要加熱的化學反應，例如初中階段制取氧氣、二氧化碳、氫氣等實驗。

塑料瓶用于盛放固體（或者液體）反應物，注射器用于吸取液體反應物。反應時，只要推動注射器推桿，液體便會滴到塑料瓶內的反應物上發生反應。產生的氣體從導氣口排出。此裝置操作簡單，排出的氣體純凈。制氣完畢，可打開排廢液口處的流速調節器，排出廢液，以備再用。對于固液反應，沒有特殊要求，固體在反應前最好一次加足，在反應中，可以通過控制注射器滴加液體藥品的速度，控制反應速率（注射器代替分液漏斗所起的作用），通過控制液體加入量，來制得所需要的氣體量。

該多功能制氣裝置的功能及優點：裝置簡單輕便，易操作，學生上手快；便于添加液體藥品，隨用隨制；可以控制反應速率以及反應的發生與停止；有加壓、貯氣功能；塑料瓶作為反應容器，易打孔，孔位及大小可隨實驗目的而定；藥品利用率高，實驗綠色化；成本低；具有科學性，實用性強，易推廣；便于將氣體收集在氣球或注射器中，以便完成一些趣味小實驗；可探究，可微型化。

氣球在中學化學實驗中的用途很廣，用它可以收集、儲存氣體；也可以封閉反應體系，防止有害氣體外泄，調節反應體系壓強。所以，能鼓起氣球的制氣裝置能滿足初中化學實驗更多的需求，但是常規的制氣裝置不能加壓，很難鼓起氣球。本裝置能較好地解決這個問題。

下面，以實驗室制取二氧化碳為例，具體說明此多功能制氣裝置的使用及功能。

1.檢查氣密性。

旋緊瓶蓋，關閉導氣口、排廢液口，插好注射器，用一只手擠壓瓶身，氣球鼓起，再用另一只手擠壓氣球，瓶身恢復，證明氣密性良好。（若不放心，也可待氣球鼓起后放置一天再驗證。）

2.裝藥品。

塊狀大理石或石灰石在反應前最好一次加足。打開導氣口，用注射器推入稀鹽酸，反應發生。在反應中，通過注射器控制液體加入量，獲得所需要的氣體量，制備多次氣體時，無須添加固體，無須拆卸裝置，無須刷洗儀器。（如果用過氧化氫溶液在二氧化錳的催化作用下制取氧氣，可用二氧化錳丸。若條件限制，可將二氧化錳粉末放于紗布袋中，防止實驗結束后二氧化錳粉末隨廢液一起排出。如果實驗室制氫氣，鋅粒要一次加足，無須其他處理。）

3.收集氣體。

反應發生后幾分鐘，再將導氣管放于集氣瓶中收集氣體，以便排凈裝置內的空氣，保證二氧化碳氣體的純凈。（氣球中原有的少量空氣可以通過手壓氣球將其排凈。）當收集好所需的氣體，即可關閉粗輸液軟管上的流速調節器。此時塑料瓶內若依然有氣泡產生，沒有關系，可以儲存于氣球中，以備不時之需。塑料瓶內不再產生氣泡后，打開排廢液口處的粗輸液軟管上的流速調節器，即可將廢液排凈。當排凈廢液后，要及時關閉排廢液口，以防氣體逸出。因為氣球內已儲存一些氣體，裝置內氣壓變大，廢液可以順利排凈，但同時也帶來一個問題，推入稀鹽酸的細輸液軟管置于瓶內的部分一定要接近瓶底，利用所加稀鹽酸形成液封，以防氣壓變大，將注射器推桿頂出。在實際實驗過程中，由于氣球中儲存氣體量的不斷增多，少量廢液被壓入注射器中，但這在可控范圍之內，不會將推桿頂出造成氣體逸出。

導氣口和排廢液口的位置和切口方式在設計時也是有考慮的。導氣口：斜切粗輸液軟管（瓶內部分盡量短），開口近瓶口，有利于排凈空氣，也有利于二氧化碳氣體的導出。排廢液口：斜切粗輸液軟管，開口近瓶底，有利于廢液排凈。

在實際實驗中，如驗證二氧化碳的性質，有時需要將氣體收集在氣球中。如果用常規玻璃導氣管將氣體收集在氣球中，若扣得不緊，會漏氣，若扣得太緊，氣球難以取下。而如果用此裝置，把氣球套在輸液器的滴壺上，便能輕松搞定。先關閉粗輸液軟管上的流速調節器，既能保證氣密性，又能將收集好的氣球扎緊輕松取下。若有時想用注射器抽出所需氣體進行實驗，可先將流速調節器關閉，將注射器的頭插入粗輸液軟管中，再打開調節器，就可輕松抽出所需氣體進行實驗。為使用方便，可在近瓶口處配置兩到三個導氣口，分別接上含滴壺、不含滴壺的長短不一的粗輸液軟管。（長短不一可滿足排水集氣法、排空氣法，代替尋找合適角度、長度的玻璃導管。）但每根軟管上必須配有流速調節器，以控制氣密性。實驗沒用到的軟管都要處于關閉狀態。

4.廢液處理以及后續實驗。

筆者上課時，當已經收集到所需的氣體量，就會關閉導氣口的流速調節器，將剩余氣體儲存于氣球中，直至塑料瓶內無氣泡產生，再將廢液排凈，瓶中留下石灰石；若下次上課發現儲存的氣體量不夠實驗用量時，可直接通過注射器再次注入稀鹽酸，讓反應再次發生以制取氣體。裝稀鹽酸的注射器可準備兩支，若一支用完，可掐住細軟管，直接取下空注射器，再裝上另一支新注射器，操作簡單；操作時要防止漏液、漏氣。在用注射器取用藥品時，如圖4，操作簡單、安全。

該裝置能隨時控制反應的發生與停止；停止實驗時，無須等到無氣泡產生，可直接打開排廢液口，固液分離即可。但筆者不建議如此浪費藥品，建議讓反應物慢慢反應，保證藥品的最大利用率，將氣體儲存于氣球中備用，等到塑料瓶內無氣泡產生時，廢液基本上無污染。

自制創新小實驗，操作簡便，實驗現象直觀；不僅關注實驗結論的得出，更關注實驗過程的呈現；既傳授知識和技能，又培養學生的思維能力；有易推廣、實用、科學、可探究、綠色化、微型化、成本低等特點。