化學氣體實驗一體化裝置的新改進

趙雯 馬力

摘要： 應用連體五通閥、活塞可固定式螺口注射器和注射器針頭等材料對中學化學教材所涉及的常見氣體制備和性質實驗的反應裝置進行改進。新改進的裝置集制備、性質、除雜、尾氣處理等功能于一體，還可以半自動化地完成一定體積氣體的收集以及一些較為精準的氣體定量實驗，適合開展學生實驗，且有效克服現有一體化實驗裝置在便捷性、通用性和功能性等方面存在的不足，為氣體的制備和性質實驗的改進提供了新參考。

關鍵詞： 氣體制備和性質; 一體化實驗裝置改進;實驗探究

文章編號： 1005-6629（2022）05-0072-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出： 要重視開展“素養為本”的教學，開展以化學實驗為主的多種探究活動，重視教學內容的結構化設計，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力[1]。然而在教學實踐中，尤其是中學化學教材所涉及的氣體制備和性質實驗，卻往往會遇到實驗儀器較為復雜、實驗操作難度較高、有毒有害氣體易泄露、實驗耗時太長課堂無法完成等問題。不僅導致學生分組實驗的效率不高，不利于實驗教學的開展，也不利于學生科學素養的培養。為此，不少教育工作者，尤其是一線教師，對教材中一些常見氣體的制備和性質實驗進行了創新設計和改進[2～5]，取得了較好的教學效果，但仍然存在一些不足有待改進。如有的一體化裝置往往僅適用于某單一氣體的制備與性質實驗，通用性較差;有的一體化裝置仍然較為復雜，操作難度大;有的一體化裝置只能完成一些定性實驗，對一些定量實驗無能為力。針對以上存在的問題，本研究設計制作了一套化學氣體一體化實驗裝置，該裝置主要由連體五通閥、活塞可固定式螺口注射器和注射器針頭組成，并具備以下特點： （1）裝置簡單、操作方便，特別適合學生自己動手開展實驗探究活動;（2）通用性好，能夠適用于NO2、 NO、 Cl2、 SO2、 C2H4等多種中學化學教材所涉及的氣體制備與性質實驗;（3）功能多樣化，不僅可以完成氣體制備、性質、除雜、尾氣處理等實驗，而且實驗過程中可以完成氣體半自動化收集、可以隨時添加或更換相關反應物、可以精準控制氣體體積進行相關定量實驗，還可以結合數字化傳感器使用，以完成更多的實驗教學活動。

1 實驗裝置

如圖1所示，本實驗裝置的連體五通閥上設有三個開關閥門和五個螺口連接處，活塞可固定式螺口注射器設有金屬活塞，金屬活塞上設有兩個可固定螺母，分別置于注射器的內、外側。注射器主體上設有螺口旋蓋，旋開螺口旋蓋后即可調節內側螺母的位置。活塞可固定式螺口注射器及注射器針頭均可通過螺口與連體五通閥相連接。

實驗前，連體五通閥上的a、 b、 c閥門均處于關閉狀態，在各注射器中分別加入相應的反應試劑，將注射器及注射器針頭與連體五通閥相連，調節連體五通閥上的相關閥門，并可通過調整用于收集氣體的注射器中金屬活塞上的內側固定螺母，從而定量控制反應中該注射器所收集到的氣體體積。實驗時，推動裝有液體反應試劑的注射器活塞，使制取相關氣體的反應物相互接觸，反應開始;當收集到目標體積的氣體后，由于金屬活塞已通過內側固定螺母固定，故可以利用氣壓將液體反應物自動排出該注射器，實現固液分離，反應停止。完成氣體收集后，調整連體五通閥上的相關閥門及注射器相關螺母，可通過抽、推連接在連體五通閥上相關的注射器對氣體進行除雜、性質反應以及尾氣處理，并可利用連接在連體五通閥上的注射器針頭進行可燃性氣體的點燃試驗。調節已收集有氣體的注射器的外側螺母還可以更為便捷地在氣體相關性質實驗中實現一定體積氣體的注入。此外，根據具體實驗需要也可以通過調節內、外兩側螺母將注射器活塞完全固定。實驗中，還可通過調節連體五通閥上的相關閥門，取下相應的注射器添加或調換所需反應物;也還可根據實際需要對本實驗裝置再進行擴展，如在原連接注射器針頭處通過螺口改為連接另一個連體五通閥等。

2 實驗方法和現象

利用本氣體制備與性質實驗一體化裝置主要可以半自動化地完成指定體積氣體的收集實驗、一體化性質實驗以及一些較為精準的氣體定量實驗。

2.1 指定體積的氣體收集實驗

利用圖1裝置進行NO2、 NO、 CO2、 H2等氣體制備實驗時，由于反應物為塊狀固體與液體，該裝置可以通過控制塊狀固體與液體反應物之間是否接觸來控制反應的發生與停止，從而實現氣體自動化收集。實驗前，取液體反應物（如濃/稀硝酸、稀鹽酸、稀硫酸等）于注射器A中，取塊狀固體反應物（如銅片、碳酸鈣、鋅粒等）放置于注射器B中，并調節注射器B的固定螺母至目標體積刻度。實驗時，調節閥門a使注射器A、B相通，并將注射器A中的液體反應物推至注射器B，反應開始。待氣體收集至目標體積刻度處，由于螺母的固定作用，注射器B內的氣體氣壓會將液體推回至注射器A，達到固液分離，反應停止，最后調整關閉閥門a，即可完成指定體積氣體的半自動收集。當制取Cl2、 SO2等氣體時，若采用粉末狀固體（如高錳酸鉀、亞硫酸鈉等）與液體（如濃鹽酸、濃硫酸等）為反應物，或制取C2H4、 HCl等氣體時采用液體（如乙烯利溶液與濃氫氧化鈉溶液或濃硫酸與濃鹽酸等）為反應物時，圖1裝置也可實現指定體積的氣體收集。實驗前，取液體反應物置于注射器A，取粉末狀固體/液體反應物置于注射器B，并調節B的固定螺母至目標體積刻度。實驗時，調節閥門a并將A中液體推至B，待生成的氣體收集至目標體積刻度，B內的氣體氣壓會將液體或混有固體粉末的液體反應物推回至A。調整閥門a以及b或c，可以讓注射器A與注射器C或D相通，通過控制A上的固定螺母，則可繼續完成C或D中指定體積的氣體收集。

2.2 一體化性質實驗

完成氣體的制備與收集后，學生可繼續進行氣體一體化性質實驗的探究活動。例如乙烯性質實驗，注射器B中收集有C2H4氣體，鎖定閥門a，將A替換成盛有酸性高錳酸鉀溶液的注射器，C中盛有溴水，校準后的無線二氧化碳傳感器則通過密封圈固定于注射器D主體上。通過調節閥門a和b，僅使注射器B、 C相通，將B中一定體積的C2H4通入C中，觀察到溴水逐漸褪色，與乙烯發生了加成反應（CH2CH2+Br2CH2BrCH2Br）;通過調節閥門a、 b和c的鎖定方向，僅使注射器B與針頭1處相通，則可以在注射器針頭1處進行乙烯氣體點燃實驗;通過調節閥門a、 b和c的鎖定方向，僅使注射器A、 B相通，則可以將B中C2H4氣體通入A，可觀察到酸性高錳酸鉀溶液逐漸褪為無色（5C2H4+12KMnO4+18H2SO412MnSO4+10CO2+28H2O+6K2SO4）。根據實驗需要還可反復抽推注射器A幾次，使反應充分進行;將反應生成的CO2氣體抽推至注射器B中，通過調整閥門a、 b和c，使已抽取有CO2氣體的注射器B和注射器D處的無線二氧化碳傳感器相通。通過采集數據，可觀測到CO2氣體濃度先明顯增加，后漸漸趨于平緩，從而直觀地驗證了前述反應中有CO2氣體生成的事實。利用可視化的數字實驗手段驗證反應產物，既解除以往教學過程中學生對是否生成CO2氣體的存疑，又引導學生形成通過實驗來解決化學問題的觀念[6]。根據呈現的實驗事實和現象，學生也能更好地理解為什么除去甲烷（或乙烷）中的少量乙烯一般選擇溴水而非酸性高錳酸鉀溶液。

若注射器B中收集有Cl2，將注射器C、 D中液體替換成飽和NaCl溶液、濃硫酸等，學生則可利用本實驗裝置對制備的Cl2進行除雜與干燥操作等。調整閥門a和b，僅使注射器B、 C相通，推動活塞將B中Cl2通入C中，可除去Cl2中的HCl，推動C的活塞，將液體推回B中，則C中剩余為除去HCl的Cl2。調整閥門b和c，僅使注射器C、 D相通，推動活塞將C中Cl2通入D中，對Cl2進行干燥，推動D的活塞，將液體推回C中，則完成了Cl2的干燥。若需進行尾氣處理，學生可將圖1注射器針頭1處替換成盛有NaOH溶液的注射器或者外接袋等裝置。完成氣體除雜和干燥操作后，可在B、 C處替換上裝有其他試劑的注射器，如NaBr溶液、KI溶液、Na2S溶液、FeCl2和KSCN混合溶液等，進行一系列氯氣相關性質的實驗探究活動。

若注射器B中收集有SO2，將注射器C、 D中試劑替換成酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液等，學生則可進行SO2性質實驗探究。通過調節閥門a和b，僅使注射器B、 C相通，可將B中一定體積的SO2通入C，觀察到酸性高錳酸鉀溶液褪色，SO2表現出還原性。調節b和c，斷開與注射器C的連接，使B、 D相通，推動B的活塞，將一定體積的SO2通入D中，觀察到品紅溶液褪色。接著使用電吹風加熱D處片刻，溶液會再出現紅色，冷卻后溶液又褪色。說明SO2與品紅溶液作用生成不穩定的無色物質，受熱后又分解生成品紅，直觀的實驗現象能在動手操作的過程中給學生留下更深刻的印象，也有利于對這部分知識的學習理解和實踐應用。學生也可以將C、 D中試劑替換成紫色石蕊試液和碘的淀粉溶液等繼續探究SO2的相關性質。和Cl2相似，實驗結束后也可根據需要進行相關尾氣處理操作。

此外，NO、 NO2、 NH3、 HCl等氣體的性質、除雜、尾氣處理等一體化實驗也能通過本裝置來實現。

2.3 氣體定量實驗

除了能實現制備、除雜、性質和尾氣處理外，連體五通閥和活塞可固定式螺口注射器的特殊設計，還能讓學生感受定量探究實驗的功能和樂趣，且直觀性強、證據突出，有利于證據推理意識和變化觀念的培養。以NO2、 NO氣體性質實驗為例，當連接在連體五通閥上的注射器B中收集有3體積NO2（室溫），C中盛有蒸餾水，先調整a、 b僅使注射器B、 C相通，推動B的活塞，將NO2通入注射器C中，為使反應充分，可再推動C的活塞，反復數次，可觀察到B、 C中紅棕色氣體逐漸變為無色，注射器中氣體體積讀數逐漸由3體積（NO2）降至1體積（NO）處，發生了反應： 3NO2+H2O2HNO3+NO。實驗過程中除了顏色變化顯著，還能清晰地觀察到氣體體積的定量變化（3NO2→NO）。下一步在注射器D中裝有1體積O2（室溫），同時調整b和c，使注射器D和B相通，推動注射器D的活塞，將O2注入B中，發生反應： 2NO+O22NO2，B中氣體顏色逐漸加深，由無色變成紅棕色，注射器中氣體體積讀數逐漸由3體積氣體（2NO+O2）變成了2體積（2NO2）。當連接在連體五通閥上的注射器B中收集有4體積NO2（室溫），C中盛有蒸餾水，D中裝有1體積O2（室溫），可以在實驗開始時調整a、 b和c，使注射器C、 D和B相通，松開B活塞上的固定螺母，同時推動B和D的活塞，可觀察到C中最終基本沒有氣體剩余，恰好發生反應： 4NO2+O2+2H2O4HNO3，而當改變B、 D中氣體的體積比例時，則可觀察到C中最終有氣體剩余。此外，NO、 O2和H2O、 CH4與Cl2、 H2S與SO2等反應也可采用上述方法進行定量探究。

在探究實驗中，我們通常需要運用控制變量法來保證實驗的科學性，然而在氣體實驗中使用控制變量法有時并不容易，存在氣體體積難以精準控制等問題。但利用本裝置卻能較好地完成此類實驗。例如當注射器B內盛有經過除雜和干燥處理的Cl2時，可以在注射器C、 D中分別裝有等體積的H2O和NaOH溶液，學生可探究相同體積Cl2與H2O、 NaOH反應的異同。此外，利用本實驗裝置還可以探究相同體積的Cl2在水中和飽和食鹽水中溶解性情況的差異、相同體積的CO2在水中和飽和NaHCO3溶液中溶解性情況的差異等。實驗過程既能精準控制氣體體積用量進行對照試驗，又能清晰地觀察實驗現象，操作簡單又安全環保。

3 改進和創新之處

（1） 有效解決了以往一體化改進裝置在通用性、操作性和功能性等方面存在的問題，利用一套簡單的裝置較好地實現中學化學教材所涉及的多種氣體制備和性質的一體化實驗。活塞可固定式螺口注射器的設計，能實現指定體積氣體的收集和一些定量探究實驗的開展。改進后的裝置也便于教師、學生操作和使用，易于推廣。

（2） 能結合氣體、壓強等數字傳感器的使用，在實驗中融入現代信息技術，建立“宏-微-符-圖”四重表征。以直觀的實驗數據和現象為證據，培養學生證據推理意識和能力，提升模型認知能力。

（3） 改進后的裝置靈活多變、功能性強，能滿足多元化的實驗設計，除了氣體體系，也可應用于粗鹽提純中可溶性離子的除雜、模擬純堿工業生產等主題的實驗。

4 結語

本研究關于一體化裝置的改進較好地解決了現有裝置在便捷性、通用性和功能性等方面存在的問題，讓學生能更多地動手參與實驗，體驗科學探究的過程;將化學知識學習和能力素養發展有機結合起來，有效推動了化學實驗教學的開展，為氣體制備和性質實驗的改進提供了新思路。當然，通過本次實驗裝置的創新改進也在一定程度上豐富了當前基礎教育裝備管理與研究工作內涵，將以往的被動管理轉為主動創新，為推動基礎教育裝備管理與研究工作轉型、促進基礎教育裝備適應新時代化學教學改革與發展的需要提供了一定的參考。

參考文獻：

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[5]李德前， 魏海， 張羿. “銅與稀硝酸反應”一體化實驗設計[J]. 化學教學， 2020， （9）： 70～72.

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