啟普發生器裝置的新改進

趙雯 馬力

摘要： 從實驗教學工作調研中所遇到的實際問題出發，利用塑封袋、吸嘴袋、三通閥、濾網等廉價易得的材料，對啟普發生器裝置進行重新設計與改進。改進后的裝置制作簡單、操作方便，可應用于多種中學化學常見氣體的制取實驗，有效解決了以往啟普發生器不適用于小顆粒、粉末狀固體與液體反應的問題，且可被拓展設計為兼具啟普發生器和多功能瓶作用的裝置，完成氣體的制備、干燥或除雜等系列實驗。

關鍵詞： 啟普發生器; 實驗裝置改進; 實驗探究

文章編號： 10056629（2022）07005304

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

為進一步了解當前實驗教學工作狀況，在上海市教委的支持下，市教委教育技術裝備中心聯合市教委教研室等相關部門開展了實驗教學工作調研。在調研工作實地走訪中，對照《上海市普通中小學校教育裝備配備指南》化學學科教學儀器配備目錄中“基礎配備”的實驗儀器要求，現場抽樣查看了化學實驗室的儀器配置情況，發現目錄中涉及到的啟普發生器（250mL和125mL各需配置至少2個）和簡易啟普發生器（125mL需配置至少30個）的配置情況均不理想。通過訪談了解到，造成上述問題的主要原因在于啟普發生器裝置相對復雜，學生實驗過程中常有失手打碎玻璃儀器的情況;部分學校采購人員缺乏經驗未提前備有相關易碎玻璃儀器的余量;部分學校儀器的添置和更新制度不完善且內部申請采購流程較繁瑣。當然，易碎的玻璃儀器也給學生的實驗操作安全帶來一些隱患，部分打碎過玻璃儀器的學生甚至表示該經歷使其對化學實驗的興趣有所降低。那么如何改進啟普發生器，使得我們能夠放手讓學生去探索、研究、實驗，以釋放學生的天性、激發學生學習化學的興趣？如何降低啟普發生器的制作難度和成本，讓所有學生都能夠有機會自己動手完成制作并進行相關實驗探究？

查閱啟普發生器改進的相關文獻，發現不少教師對其進行了改進和創新的嘗試，來規避啟普發生器的一些局限性，取得了較好的演示效果[1，2]。但現有的改進裝置還是存在一些問題，主要體現在實驗裝置仍比較復雜，實驗操作比較繁瑣;選用多孔隔板分隔固體，由于多孔隔板孔徑固定，隨著反應進行固體顆粒物易掉入裝置底部難以取出，且不適用于比多孔隔板孔徑小的固體顆粒物等;再者，現有改進裝置采用的玻璃儀器組合居多，故存在易碎風險且成本相對較高，不便于學生分組或自己動手探究實驗使用。基于以上分析，本文運用塑封袋、吸嘴袋、三通閥、PP（聚丙烯纖維）材質濾網等廉價易得的材料，對啟普發生器進行重新設計和改進。改進后的實驗裝置兼具簡易性和實用性，產生的氣體較純，且適用于小顆粒、粉末狀固體與液體的反應，非常適合學生分組實驗與探究實驗。由于制作成本低廉，也為物資缺乏地區的學校提供一種新的選擇。

2 實驗裝置

如圖1所示，新改進的啟普發生器裝置主要由密封條、底部帶孔塑封袋、透明塑料材質實驗吸嘴袋主體、搭配三通閥組合制作而成。制作方法如下： 第一步，利用打孔器在帶有密封條1的塑封袋2的底部完成打孔操作，孔徑大小可依據實驗需要調整;第二步，根據底部帶孔塑封袋2的寬度將實驗吸嘴袋3左側下方剪開小口，將底部帶孔塑封袋2從左側小口伸入袋中放平，并使帶孔塑封袋2伸出到實驗袋3主體之外，密封條1可控制底部帶孔塑封袋2與外界相通;第三步，用熱塑封器將底部帶孔塑封袋2密封于實驗袋3主體內。為避免熱塑封時底部帶孔塑封袋2其他部分被過多塑封或粘連，可在第二步操作時在底部帶孔塑封袋2內放入一條尺寸適合的白紙，待熱塑封操作結束后抽出白紙即可;第四步，利用熱塑封器將實驗袋3主體一分為二，形成塑封線Ⅰ;第五步，利用膠塞將三通閥4與實驗袋3頂部左側的吸嘴處相連，三通閥4可控制實驗袋3與外界的相通，也可根據實驗需要向外連接儲氣袋、注射器等各類裝置。實驗前可通過手動擠壓或抽拉連接在三通閥上的注射器盡可能排出實驗袋中的空氣，使制備的氣體較純。實驗時，可通過三通閥、實驗袋底部的塑封袋分別添加液體、固體顆粒物。若使用的固體顆粒物小于塑封袋孔徑，或為了減少固體顆粒物大小因反應進行出現小于塑封袋孔徑而掉落的情況，一方面可以在制作時選用超細針頭（粗細最低可達0.18mm）盡可能控制塑封袋孔徑大小，另一方面也可根據實驗需要選擇PP材質的各類濾網（孔徑最小可達1μm）使用。

3 實驗應用及拓展探究

3.1 中學化學常見氣體制取的實驗應用示例

鋅粒與稀硫酸反應制取氫氣實驗。向圖1實驗裝置的底部帶孔塑封袋中加入少量鋅粒，將底部帶孔塑封袋通過密封條密封。旋轉三通閥，將稀硫酸注入實驗袋中，并使其液面沒過帶孔塑封袋的底部小孔。可觀察到實驗袋中的硫酸與底部帶孔塑封袋中的鋅粒接觸后迅速反應，產生大量氣泡，實驗袋明顯開始膨脹，可通過連接在三通閥上的儲氣袋或大號注射器收集氣體。氣體收集完成后，關閉三通閥，使實驗袋與外界隔離。隨著氫氣繼續產生，實驗袋塑封線左側壓力增大，逐漸將左側實驗袋中的液體擠壓至實驗袋右側，左側實驗袋中液面降低，當液面低于帶孔塑封袋的底部小孔時，固液反應物分離，反應停止。

過氧化氫制取氧氣實驗。考慮到二氧化錳粉末大小一般在15～100μm不等，遠小于我們手工制作出的底部帶孔塑封袋孔徑，所以選擇使用過濾精度為1μm的PP材質濾網。當然，使用普通濾紙配合棉線將二氧化錳粉末包裹嚴實同樣可行，只是試驗下來發現實驗時間不宜過長，將濾紙長期浸沒在液體中會導致濾紙破損，相比較而言使用1μm PP材質濾網的實驗效果更佳。實驗時先用1μm PP材質的濾網包裹少量二氧化錳粉末，并用棉線束緊，再放入圖1實驗裝置的底部帶孔塑封袋中并將其密封。旋轉三通閥，將過氧化氫溶液注入實驗袋中，并使其液面沒過帶孔塑封袋的底部小孔。可明顯觀察到大量氣泡產生，實驗袋開始膨脹。氣體收集完成后，關閉三通閥，在氣壓作用下固液分離，反應停止。

此外，如圖1所示，改進的啟普發生器實驗裝置還可以應用于銅與硝酸的反應，能夠便捷地控制該反應的發生與停止。另外，與傳統啟普發生器相比較，還能盡量避免生成的一氧化氮氣體與裝置中的空氣發生反應。實驗時向圖1實驗裝置的底部帶孔塑封袋中加入少量銅片并將其密封。通過手動擠壓或抽拉連接在三通閥上的注射器盡可能排出實驗袋中的空氣。旋轉三通閥，將稀硝酸注入實驗袋中，并使其液面沒過帶孔塑封袋底部的小孔。可觀察到實驗袋中的稀硝酸與底部帶孔塑封袋中的銅片接觸后緩慢反應產生氣泡，實驗袋逐漸開始膨脹且袋中氣體為無色。氣體收集完成后，關閉三通閥，隨著一氧化氮氣體不斷產生，固液反應物分離，反應停止。若制備二氧化氮氣體，則將稀硝酸換成濃硝酸，實驗操作和上述制備一氧化氮情況相同。

直觀的實驗現象既能很好地說明啟普發生器的原理，又能促進學生證據推理、科學探究、變化觀念等素養的形成。圖1實驗裝置也適用于≥1μm的其他小顆粒、粉末狀、塊狀固體與液體反應的實驗探究。

3.2 對啟普發生器裝置應用的拓展改進

在圖1實驗裝置的基礎上還進行了一些新改進，使其兼具啟普發生器和多功能瓶的作用，能完成氣體的制備、干燥或除雜等系列實驗。如圖2所示，根據底部帶孔塑封袋2的寬度將實驗袋3右側上方剪開小口，將底部帶孔塑封袋2從右側上方小口伸入袋中放平，同樣也使底部帶孔塑封袋2伸出到實驗袋3主體之外。通過膠塞將三通閥4與實驗袋3頂部左側的吸嘴處相連，以控制實驗袋與外界相通。用熱塑封器在實驗袋3主體上進行塑封操作形成Ⅰ、 Ⅱ和Ⅲ三條塑封線，將實驗袋3主體分為三部分。先將夾子5夾在塑封線Ⅰ的下端，防止反應中液體試劑被擠壓至塑封線Ⅰ右側。從左側三通閥處注入干燥或除雜試劑，試劑液面應高于塑封線Ⅲ下端最低處。通過底部帶孔塑封袋先后加入液體和固體試劑，且加入的液體試劑液面要略高于帶孔

塑封袋的底部小孔，并迅速將其密封。固液反應物充分接觸，反應發生，可觀察到實驗袋右側開始膨脹，實驗袋左側的干燥或除雜液體試劑中逐漸產生氣泡，通過連接在三通閥上的儲氣袋或大號注射器可收集經過干燥或除雜后的氣體。氣體收集完成后，關閉三通閥，將原本夾在塑封線Ⅰ下端的夾子5夾至實驗袋頂部塑封線Ⅱ和Ⅲ之間區域，阻隔氣體向實驗袋左側擴散。隨著實驗袋右側氣體不斷產生，氣壓不斷增大，液體試劑逐漸被擠壓至塑封線Ⅰ右側，液面逐漸下降。當液面低于帶孔塑封袋的底部小孔時，固液反應物分離，反應停止。

其實對圖1裝置的拓展改進還有很多可能，由于實驗裝置制作簡便，教學中可將其設計成微項目學習活動。活動中學生可以圖2為參考，自己提出拓展改進的設想，嘗試自己動手制作并完成實驗，不僅加深學生對啟普發生器原理的認識，而且促進創新思維的形成與發展。如有學生提出，在圖2裝置的基礎上去除對夾子的使用，并改變底部帶孔塑封袋2和塑封線Ⅰ的位置，設計成如圖3（a）所示裝置，即把底部帶孔塑封袋2設置在實驗袋3右側下方，保留圖2中塑封線Ⅱ和Ⅲ，但將塑封線Ⅰ替換成圖3（a）的塑封線Ⅰa，并在實驗袋左側底部增加塑封線Ⅳ。實驗時通過底部帶孔塑封袋添加固體和液體反應物，液體試劑液面需低于帶孔塑封袋的底部小孔。從左側三通閥處注入干燥或除雜試劑，試劑用量應保證在實驗袋橫置時，液面仍高于塑封線Ⅳ最左端。手動將實驗袋橫置，固液試劑充分接觸，反應開始。學生還指出可輕微擠壓右側，這樣可使實驗袋內部產生的氣體盡量完全排向左側。若需反應停止，只需將實驗袋重新豎置，此時液面低于帶孔塑封袋的底部小孔，固液反應物分離，反應停止。學生設計的圖3（a）實驗裝置雖然沒有利用氣壓原理，純依靠手動控制反應進程，但也達到了控制反應發生與停止的效果，具有一定的創新性和可行性。另有學生提出，在保留圖2所有設計的基礎上，再增加兩條塑封線Ⅳ和Ⅴ，將實驗袋3主體分為四部分，同時實現利用啟普發生器原理制取氣體、氣體除雜和干燥的一體化，實驗裝置的設計如圖3（b）所示。

但該裝置

未充分考慮實際操作時向圖3（b）中塑封線Ⅲ和Ⅳ之間區域注入除雜試劑時會比較困難，因而在可行性方面稍有欠缺。

4 改進和創新之處

（1） 改進的啟普發生器裝置利用塑封袋、吸嘴袋、三通閥、PP材質濾網等廉價易得的材料制作而成。它有效解決了以往啟普發生器不適用于小顆粒、粉末狀固體與液體反應的問題，可用于多種中學化學常見氣體的制取，且制備的氣體相對較純。

（2） 改進的啟普發生器裝置易被拓展設計與使用，可塑性、實用性、應用性都較強，適合教師實驗教學和學生實驗探究，中學生完全有能力自己動手完成制作，并在此基礎上進行拓展創新。教師也可嘗試將其設計成項目化學習活動，既能提高學生的實踐能力，又能幫助學生進一步理解啟普發生器的原理，真正做到學以致用，將知識融會貫通。

5 結語

本研究從實驗教學工作的調研中遇到的實際問題出發，對啟普發生器進行重新設計與改進，并在此基礎上進行拓展探究，為中學化學教師或實驗員提供新參考。在實際的教學中，一線教師或實驗員應直面實驗教學中遇到的實際問題，并將其轉化成研究對象，敢于探索，勇于創新，切實提高對化學實驗教學的積極性和創造性。這不僅能使教師和實驗員自身的實驗研究能力和創新思維得到提升，同時也有利于學生科學素養和創新思維的培育。

參考文獻：

[1]葉永謙， 葉燕珠， 張賢金， 嚴業安. 可明火加熱啟普發生器的改進及應用案例[J]. 化學教學， 2021， （3）： 70～73.

[2]葉永謙， 張賢金， 吳新建. 藕節式氣體發生器的設計及應用[J]. 化學教學， 2017， （1）： 71～74.