雙節管氣體發生器的設計及應用

葉永謙

問題的提出

啟普發生器是中學化學常用的制氣裝置，它通過控制固體與液體的接觸及分離實現反應的開始和停止，設計巧妙，使用方便。但同時也存在試劑消耗量大、排空時間長、浪費多、配件用途少、不適宜加熱或劇烈反應等不足。對于該儀器的改進較為成功的是藕節式氣體發生裝置的設計（圖1），它克服了啟普發生器無法適用粉末狀固體與液體反應，無法對反應進行加熱，無法對固體反應物進行洗滌等不足。

藕節式氣體發生裝置的核心儀器是藕節式發生器，在實際使用中，該發生器也存在著不足之處：由于耳形彎管與玻璃支管呈90。夾角，使用和存放時較不方便，耳形彎管容易破碎，且一旦沾有固體，無法對其進行洗滌。

藕節式氣體發生器再改進過程

第1代改進：將耳形彎管改為長支管為了解決耳形彎管的問題，將耳形彎管改為長支管，類似鐮刀形，并在長支管口連接橡皮管用于導出氣體。

第2代改進：將一體式改為分離式在實際使用中，鐮刀形氣體發生器的長支管仍然存在容易斷裂的問題，因此將一體式的長支管改為在雙孔橡皮塞中裝直角導氣管代替耳形彎管，并將三角漏斗改為球形漏斗，用于防止液體過多揮發。特別是制備氫氣過程中常使用鋅與稀鹽酸反應，稀鹽酸易揮發，被排入三角漏斗中時容易造成環境污染。因下管節的液體一般很少參與反應，為減少藥品浪費，將藕節式氣體發生器的容積從100毫升減少為70毫升。

第3代改進：將橡皮塞改成磨口玻璃塞第2代改進后的儀器在使用中出現了橡皮塞漏水問題，為此，將橡皮塞改為磨口玻璃塞，并將容積最終設定為75毫升。

經過3代改進，解決了藕節式氣體發生器的不足。同時，將一體式裝置改成組合式裝置，可以針對不同的氣體制備要求使用不同的組合。因該裝置的核心儀器是雙節管，故將改進后的裝置稱為“雙節管氣體發生裝置”。該裝置由雙節管氣體發生器（含帶刻度的雙節管、帶導氣管的磨口球形漏斗，見圖2）及硅橡膠加熱套裝、塑料漏斗、塑料導管鐵架臺、燒杯等組成（圖3）。其中，帶刻度的雙節管作為氣體發生裝置，固體反應物放在上節管。液體從帶導氣管的磨口長頸漏斗口加入，反應產生的氣體通過塑料導管導出。倒扣的塑料漏斗和硅橡膠加熱套裝為選配儀器，視反應需要加裝。如制備的氣體有毒需尾氣處理，則將氣體通過塑料導管插入倒扣塑料漏斗中，再用燒杯中的液體吸收，倒扣的漏斗可確保吸收完全且有毒氣體不會外逸。

結果與結論

設計了雙節管氣體發生器，可制備絕大部分常見氣體

本項目針對啟普發生器及改進裝置藕節式氣體發生裝置的不足，經過不斷改進與實驗，設計了雙節管氣體發生器，可用于制備的氣體基本涵蓋中學所需掌握的所有氣體。這些氣體分為3種類型：①不加熱無毒型：如氫氣、二氧化碳、氧氣、乙炔等，以上幾種氣體制備的特點是不用加熱，氣體無毒，因此加熱套裝、倒扣塑料漏斗等均無需使用，只需雙節管、帶玻璃導管的磨口長頸漏斗、鐵架臺即可完成這些氣體的制備和檢驗。②不加熱有毒型：二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、硫化氫等氣體的制備無需加熱，因此不必使用加熱套裝。但是這些氣體都有毒，因此需要倒扣的塑料漏斗，將氣體通過塑料導管穿過倒扣塑料漏斗導入燒杯中的溶液進行尾氣吸收。③加熱有毒型：氯氣、氯化氫、乙烯、氨氣、一氧化碳等幾種氣體的制備均需加熱，因此需要加熱套裝。同時這些氣體大多有毒（乙烯除外），必須使用倒扣塑料漏斗進行尾氣處理。

設計了滴定管測速儀，可精確測量氣體生成速率并定量研究外界因素對反應速率的影響

本項目將雙節管與堿式滴定管等配套使用，設計成滴定管測速儀，可用于精確測量氣體的生成速率，并定量研究濃度、溫度、催化劑等對反應速率的影響，操作簡單，現象直觀。

通過使用雙節管裝配的滴定管測速儀，結合硅橡膠加熱套裝，定量研究不同溫度條件下鋅與稀硫酸的反應速率變化情況，得出溫度每升高10K，鋅與稀硫酸反應速率增大1.27倍的結論。

創新點

設計巧妙、應用廣泛雙節管氣體發生器通過組合法解決了藕節式氣體發生器的不足，通過與加熱套裝、倒扣的塑料漏斗等組合可以制備和檢驗高中化學要求掌握的全部13種常見氣體，且可以實現對這些氣體的收集、檢驗和尾氣吸收;通過將雙節管與堿式滴定管、三角漏斗、加熱套裝等組合成滴定管測速儀，可測量固液生成難溶性氣體的反應速率，精確度高。

操作簡便、現象明顯使用雙節管氣體發生器制備氣體，操作簡便。使用肥皂水形成氣泡，通過燃燒進行檢驗，火焰和爆鳴聲分別形成視覺和聽覺沖擊。在反應速率測定中使用甲基橙顯色，將氣體的產生速率巧妙地通過紅色液面上升直觀地展示出來，現象明顯，印象深刻。

節約成本、安全環保雙節管氣體發生器批量生產每套僅為100元左右，且容積為75毫升，相對于啟普發生器，明顯節約了生產成本和藥品劑量。雙節管氣體發生裝置將藕節式氣體發生裝置的三角漏斗改進為帶玻璃導管的磨口球形漏斗，有效減少了有毒氣體從漏斗中外逸。配套倒扣的塑料漏斗，用于對有毒氣體尾氣進行充分吸收，氫氣等形成的肥皂泡不用驗純即可燃燒，不存在安全隱患。

創新理念、培育素養新時期的教育理念更強調化學學科核心素養培育，將雙節管氣體發生器及滴定管測速儀的設計在省級公開課中傳授，有利于培養學生核心素養中的科學探究與創新意識;使用滴定管測速儀從定量角度研究影響化學反應速率的因素，特別是溫度對反應速率的影響定量研究，用數據說話，用證據推理，有利于培養學生核心素養中的證據推理與模型認知;設計小容量雙節管、球形漏斗、倒扣漏斗等節能環保措施，有利于培養學生核心素養中的科學精神與社會責任。