有害氣體實驗通用防污染裝置的改進優化

曹桂禎 龔孟增 許奕欣

摘要： 為防污染裝置量身定做了更適用的氣體發生和液體排出專用儀器，制作了吸收能力更強的尾氣處理裝置，引入噴淋裝置提升了消除殘留氣體的效果。介紹了防污染裝置的使用方法和注意事項，改進了該裝置在銅與濃硫酸反應實驗中的操作，使實驗更安全、現象更明顯。

關鍵詞： 有害氣體； 防污染裝置； 實驗改進優化

文章編號： 1005-6629（2023）03-0076-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

本刊2022年第10期“有害氣體實驗通用防污染裝置的設計”一文［1］（下稱“原文”），提出了用“釜底抽薪”的方法從氣體發生裝置中排出液體，通過固液分離、冷卻、稀釋、中和等方法來終止反應，用鼓氣球排出裝置內殘留有害氣體的設計方案（見圖1所示）。原文雖有涉及有害氣體的發生與終止、排出與吸收裝置，但對裝置的制作只停留在將現有儀器（包括可直接網購的儀器）進行組合，沒有為該裝置量身定做專用儀器，導致使用起來仍有諸多不足。此外，原文對該裝置的使用方法、注意事項等也缺乏詳細介紹。為此，本文對該防污染裝置的制作、操作等細節問題作了如下進一步改進優化。

2? 實驗裝置的改進優化

2.1? 氣體發生與液體排出裝置的優化

（1） 原裝置的不足：①加料瓶的瓶底低于下端支管（底加厚會造成加熱慢），必須傾倒才能完全排出液體，由于該裝置連著多個儀器，操作起來不方便；②使用該裝置時，聚四氟乙烯活塞（圖1中活塞K）與液體接觸，熱的液體會使聚四氟乙烯活塞膨脹，影響活塞的轉動；③加料瓶的底面積較大且是平底，實驗時得加入較多的試劑，試劑量大又會延長加熱所需時間，不便于課堂快速演示。

（2） 優化裝置的制作：圖2-a為筆者定制的專用儀器（下稱“特制試管”），圖2-b為該特制試管的規格圖。

（3） 特制試管的優點：①內徑小且圓底能節約藥品，高硼硅玻璃材質耐高溫可直接加熱；②反應過程中活塞沒有接觸液體，加熱時活塞膨脹不明顯，不影響活塞的轉動；③下支管末端制作成向下的彎管，方便與耐腐蝕的聚四氟乙烯塑料管（可網購）相連；④下支管選擇相對較大的玻璃管，以便與四氟乙烯活塞匹配和防止折斷；⑤上支管傾斜向上，可避免噴淋而下的液體流出。

（4） 特制試管的排液原理：如圖2-c所示，打開特制試管下支管活塞，用止水夾夾住上支管，用氣筒往試管內打入空氣，即可將試管內液體壓出。此外，特制試管底高于聚四氟乙烯管的末端，虹吸作用也有利于試管內液體排出。筆者將特制試管應用于實驗中，排液效果良好。

2.2? 有害氣體尾氣吸收裝置的優化

（1） 原裝置的不足：原尾氣吸收裝置只將導管插入液面下，氣液接觸面較小，易造成有害氣體無法完全吸收。

（2） 尾氣吸收優化裝置的制作：如圖3所示，①找一個大小適中（能增大氣液接觸面，瓶體又能浸入吸收液中）、韌性較好（鉆孔和塞緊瓶塞時不易破裂）的塑料瓶；②用錐子在塑料瓶壁上均勻鉆出小孔；③往瓶中加入碎瓷片（吸附氣體和增加重量，用一段時間后更換）；④導氣管下端伸至瓶底并塞緊瓶塞，上端通過單向閥與排出尾氣的裝置相連；⑤將塑料瓶放入燒杯中，加吸收液至瓶頸。

（3） 尾氣吸收優化裝置的特點：碎瓷片能吸附氣體，“多孔瓶”（相當于多孔球泡）增大了氣液接觸面積，塑料瓶壁減緩了尾氣的排出速率，尾氣從接近瓶底的導管口冒出，增大了其到達液面的距離，延長了氣液接觸時間，從而提升了尾氣吸收能力。

（4） 吸收效果的判斷：有害氣體產生過程中，若尾氣吸收裝置沒有氣泡冒出，說明尾氣已被“默默吸收”，反之則未被完全吸收。不過，在用空氣排出裝置內殘留氣體時，由于空氣不能被吸收，吸收液中有氣泡冒出是正常的，此時有害氣體是否被完全吸收，可根據冒出的氣體有無氣味等方法來判斷。

2.3? 消除殘留有害氣體裝置的優化

（1） 原裝置的不足：用往加料瓶中打入空氣來排出殘留氣體，由于壓入的空氣會與殘留氣體混合在一起，空氣主要起稀釋作用，需要壓入大量空氣才能基本消除殘留氣體。

（2） 優化裝置的制作：①網購一個外徑小（最大處小于15mm，以便安裝在橡膠塞上）、接管端小（約4mm，便于與導氣管相連）、噴孔較小（約0.62mm）、只需低壓（工作壓力1.5～3kg，滿足手動所能提供的壓力）和流量可調（可調成噴霧狀態，便與殘留氣體充分接觸）的塑料（金屬材質的易被腐蝕）噴頭；②把噴頭安裝在特制試管的橡膠塞上，涂上密封膠以防漏氣，噴頭只能稍露出橡膠塞，以便噴出的液體充分覆蓋管內殘留氣體；③將自制氣筒的打氣端與噴頭相連，抽氣端插入待噴液體或露置于空氣中。

（3） 優化裝置的特點：圖4-a為自制氣筒［2］，圖4-b為噴頭，圖4-c為噴淋排氣裝置。有了自制氣筒

與噴頭的配合使用，打氣、噴水、噴溶液可根據需要隨時切換，不僅能提高消除殘留氣體的效果，還能滿足實驗的其他需求。噴淋過的液體可循環使用幾次，充分發揮其吸收作用。實驗結束時，可往特制試管內噴入清水進行清洗，以備下個班級使用。

3? 實驗操作的優化

3.1? 優化裝置的常規操作

圖5為優化后的防污染裝置，使用該裝置的主要步驟有：

（1） 檢查裝置的氣密性：關閉K1，打開K2和止水夾，用自制氣筒往裝置內打氣，若尾氣吸收液中有大量氣泡冒出，則說明裝置氣密性良好。

（2） 加入試劑啟動反應：在有關儀器中加入試劑，啟動反應（如將濃鹽酸加到二氧化錳中，加熱）。

（3） 終止有害氣體產生：當反應不需要氣體時，打開活塞K1，關閉止水夾，用自制氣筒打入空氣，將特制試管中的液體排到燒杯中（如將硫酸和亞硫酸鈉的混合液壓入到NaOH溶液中），及時關閉K1。

（4） 消除殘留有害氣體：關閉K2，打開止水夾，用自制氣筒往特制試管中噴入適量吸收殘留氣體的液體（如NaOH溶液）；打開K2，用自制氣筒往裝置內打入空氣。

3.2? 銅與濃硫酸反應實驗的優化操作

（1） 原操作的不足：原文中把未反應的硫酸排入水中，溶解放出大量的熱，水會局部過熱而暴沸，影響實驗安全。且由于反應生成的硫酸銅大部分滯留在加料瓶內，與未反應的硫酸一起排到水中的較少，加上黑色副產物的干擾，往往不容易觀察到溶液的藍色。

（2） 優化后的實驗操作及現象如圖6所示。

① 檢查裝置氣密性，加好試劑；

② 加熱后，反應迅速進行，很快就能觀察到品紅溶液褪色，特制試管內產生白霧；

③ 往特制試管中打入空氣使試管內的白霧散去，可看到試管底部沉積粉末狀黑色固體，溶液無明顯顏色；

④ 打開K1，關閉特制試管的上支管止水夾，打開K2，打入空氣，將特制試管中的大部分粉末狀固體和液體一起排到空燒杯中；

⑤ 關閉K1，打開特制試管的上支管止水夾，關閉K2，往特制試管內噴入少量水，無迸濺現象，所得溶液的藍色不明顯；

⑥ 往特制試管中噴入氫氧化鈉溶液，有淡藍色絮狀沉淀生成（此操作“一舉兩得”，既能說明反應生成硫酸銅，又能除去大部分二氧化硫）；

⑦ 往特制試管中打入空氣，排出裝置內殘留氣體。

（3） 文獻支撐：2000版的人教版教材［3］支持筆者的上述做法，該教材是這樣介紹銅與濃硫酸反應實驗操作的“……把試管里的液體倒入廢液缸，在盛有固體剩余物質的試管中加入少量水。觀察水溶液的顏色”。也有不少文獻［4， 5］介紹了銅與濃硫酸反應實驗的優化、改進。

3.3? 注意事項

（1） 要控制好反應物中酸的用量，用于終止反應、吸收尾氣和消除殘留氣體的堿要足量。

（2） 尾氣排出速率過快會造成無法完全吸收，因此要控制產氣速率和排氣速率。例如，往亞硫酸鈉中加入硫酸制SO2時，滴加硫酸的速率要適中；用氣筒打氣排出裝置內殘留氣體時，推拉氣筒不宜過快。

（3） 消除殘留氣體時，宜先噴堿液再打入空氣。理由是，反應液剛排出時，特制試管內殘留氣體的濃度最大，此時噴液能“聚而殲之”消除大部分殘留氣體，提高消除效率。

（4） 特制試管的下支管比較長，容易斷裂，要輕拿輕放，轉動活塞時要用另一只手保護支管。

（5） 與尾氣處理裝置相連的單向閥要選用不帶彈簧、氟橡膠材質的，以防被腐蝕。

參考文獻：

［1］曹桂禎， 饒慧伶， 許奕欣. 有害氣體實驗通用防污染裝置的設計［J］. 化學教學， 2022， 44（10）：71～74.

［2］曹桂禎， 葉秋香. 全景式噴泉裝置的再優化［J］. 實驗教學與儀器， 2022， 39（10）：54～55.

［3］人民教育出版社化學室. 全日制普通高級中學教科書·（試驗修訂本·必修）化學第一冊［M］. 北京：人民教育出版社， 2000：135.

［4］李文杰. 濃硫酸與銅反應實驗的改進［J］. 化學教學. 2019，（7）：63～65.

［5］張紅衛. 濃硫酸與銅反應實驗的改進［J］. 化學教學. 2020，（1）：67～69.