單向閥和自制氣筒在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

曹桂禎 鄭順來(lái)

介紹了用單向閥和針筒自制氣筒的方法及氣筒的工作原理，分類梳理了單向閥、氣筒在實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用，解決了許多實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)變得更加安全、可控和便捷。倡議將該實(shí)驗(yàn)成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的利器，使實(shí)驗(yàn)更好地服務(wù)于學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。

單向閥;自制氣筒;化學(xué)實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)探究

單向閥又稱止回閥或逆止閥，是一種使流體（氣體或液體）只能單向流動(dòng)而不能反向流動(dòng)的元件，該元件在生產(chǎn)生活中有著廣泛應(yīng)用，但在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用卻給人一種“養(yǎng)在深閨人未識(shí)”的感覺(jué)。筆者在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究中，為解決問(wèn)題從不自覺(jué)到自覺(jué)地運(yùn)用了單向閥，對(duì)該元件的應(yīng)用有了越來(lái)越深入的認(rèn)識(shí)。為進(jìn)一步了解化學(xué)同行對(duì)該元件應(yīng)用的認(rèn)識(shí)狀況，筆者查閱了知網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)謝培軒、石云列舉了不少單向閥的應(yīng)用實(shí)例，但對(duì)兩個(gè)單向閥的聯(lián)合使用沒(méi)有上升到氣筒的高度來(lái)認(rèn)識(shí)。而楊松耀、孫鵬、劉亞利談及了氣筒在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中的應(yīng)用，但沒(méi)有涉及氣筒的制作及工作原理。由此可見(jiàn)，單向閥和氣筒的應(yīng)用已經(jīng)引起越來(lái)越多同行的重視，其在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用也在逐步拓展。但總體而言，現(xiàn)有研究在揭示單向閥和氣筒之間的關(guān)系、單向閥和氣筒的分類應(yīng)用方面還不夠深入。為此，筆者試圖在結(jié)合自己和他人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)單向閥、氣筒在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用作一個(gè)比較全面系統(tǒng)的梳理。下文中，將會(huì)引用到上述作者論文中的部分實(shí)例，為行文方便不再一一指出。

2.1.1 防液體倒吸

圖1中，當(dāng)二氧化硫溶于品紅溶液造成裝置內(nèi)壓強(qiáng)減小時(shí)，空氣可通過(guò)加料瓶左端的單向閥進(jìn)入裝置，使裝置內(nèi)氣壓基本不變而避免品紅溶液倒吸。而在尾氣吸收裝置的導(dǎo)管上端連一個(gè)單向閥，則直接阻止了氫氧化鈉溶液的倒吸。圖2中，在玻璃導(dǎo)管與吹嘴之間連上一個(gè)單向閥，可防止將石灰水吸入嘴中。

2.1.2防液體揮發(fā)

圖3中，在分液漏斗上口端連一個(gè)單向閥，既能使?jié)恹}酸順利流入到圓底燒瓶中，又能避免濃鹽酸揮發(fā)造成污染。通過(guò)分液漏斗往容器中加入氨水、硝酸等揮發(fā)性液體時(shí)都可采用這種方法。在定性實(shí)驗(yàn)中，在普通分液漏斗上口端連上一個(gè)單向閥后，其作用相當(dāng)于一個(gè)恒壓分液漏斗。

2.1.3 防氣體燃爆

圖4中，在制氣裝置與尖嘴管之間連一個(gè)單向閥，利用單向閥的止逆性可阻斷火焰倒竄入制氣裝置。這樣，即使點(diǎn)燃時(shí)氣體不純也不會(huì)造成爆炸，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性。

筆者用1個(gè)60mL的塑料針筒、1個(gè)三通、2個(gè)單向閥和硅膠管制作了一個(gè)圖5所示的氣筒（網(wǎng)購(gòu)總計(jì)約8元）。該“自制氣筒”（下文簡(jiǎn)稱“氣筒”）既可打氣又可抽氣，還可通過(guò)控制推拉活塞的次數(shù)和位置（針筒上有刻度），計(jì)量打入或抽出的流體體積。既可打氣又可抽氣的“兩用氣筒”也可網(wǎng)購(gòu)，塑料款約20元，金屬款約60元。物理實(shí)驗(yàn)室配有金屬款的“兩用氣筒”，該氣筒比較笨重。網(wǎng)購(gòu)氣筒的配件可能與吸入的流體反應(yīng)，且不透明、沒(méi)刻度，不建議使用。氣筒的工作原理如圖6所示，將氣筒抽氣端、打氣端分別與容器A、容器B相連，拉動(dòng)氣筒活塞，容器A中的氣體通過(guò)抽氣端的單向閥進(jìn)入三通、針筒；推動(dòng)氣筒活塞，三通、針筒中的氣體通過(guò)打氣端的單向閥進(jìn)入到容器B中；不斷推拉針筒活塞，容器A中的氣體便源源不斷地轉(zhuǎn)移到容器B中。

需要指出的是，氣筒克服了針筒只能間歇地打氣或抽氣，無(wú)法滿足一些實(shí)驗(yàn)需要持續(xù)、快速打氣或抽氣的缺點(diǎn)。例如，用澄清石灰水檢驗(yàn)空氣中的二氧化碳時(shí)，用氣筒可連續(xù)鼓入空氣，相較于用針筒斷續(xù)鼓入空氣，可大大縮短石灰水變渾濁的時(shí)間。

若圖6中的容器A、容器B均為敞口容器，推拉氣筒活塞時(shí)兩容器的壓強(qiáng)不變，此時(shí)氣筒只起轉(zhuǎn)移物質(zhì)的作用。

3.3.1轉(zhuǎn)移氣體

圖7中，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前用氣筒排出裝置內(nèi)的空氣，充分反應(yīng)后用氣筒排出裝置內(nèi)殘留的二氧化碳，從而準(zhǔn)確測(cè)出反應(yīng)生成二氧化碳的質(zhì)量。圖8中，推拉氣筒活塞，浸在熱水中的白磷接觸抽入的空氣發(fā)生燃燒。熄滅后再次推拉動(dòng)氣筒活塞，又可看到白磷重新燃燒起來(lái)。該實(shí)驗(yàn)不僅通過(guò)“火在水中燒”的視覺(jué)沖擊揭示了燃燒的本質(zhì)，還有效地解決了白磷燃燒可能造成的污染問(wèn)題。

3.3.2轉(zhuǎn)移液體

圖9中，持續(xù)推拉氣筒活塞，水槽中的水被源源不斷地送入冷凝管中，冷凝管上端排出的熱水經(jīng)冰袋降溫后，被重新送入冷凝管中，實(shí)現(xiàn)冷凝水的循環(huán)利用。用氣筒轉(zhuǎn)移液體時(shí)，氣筒的作用如同一個(gè)人力“水泵”。

圖6中，若容器A中的物質(zhì)是氣體，容器B為剛性密閉容器，則推拉氣筒活塞時(shí)，容器A中的氣體不斷轉(zhuǎn)移到容器B中，容器B內(nèi)氣體分子數(shù)不斷增多，氣壓逐步增大。

3.2.1 演示增壓噴泉

圖10中，打開(kāi)活塞K，推拉氣筒活塞，錐形瓶?jī)?nèi)液面上方的氣壓增大，使噴液管的上端壓強(qiáng)低于下端壓強(qiáng)（圓底燒瓶中的空氣通過(guò)活塞K排出，使噴液管上端保持常壓），錐形瓶中的液體被壓入圓底燒瓶中形成噴泉。圓底燒瓶中充滿可溶性氣體時(shí)，只要往圓底燒瓶中壓入少量液體，即可引發(fā)噴泉。有個(gè)細(xì)節(jié)值得注意，圖10、圖14裝置中與活塞K相連的玻璃管上端制作成彎管，是為了防止噴出的液體流入到該玻璃管中。

3.2.2 演示量氣

圖11中，推拉氣筒活塞使空氣進(jìn)入廣口瓶（模擬氣體的產(chǎn)生），廣口瓶中的水通過(guò)導(dǎo)管轉(zhuǎn)移到量筒中，上下移動(dòng)量筒使量筒中的液面與廣口瓶中液面相平，讀出量筒中水的體積，即可間接知道氣體的大致體積。該量氣過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)用排水法收集氣體的過(guò)程。練習(xí)排水法收集氣體時(shí)，可將氣筒的打氣端（接上彎管）放入裝有水的水槽中，兩人一組密切配合，一人推拉氣筒活塞模擬氣體的產(chǎn)生，另一人用排水法收集氣體，一輪結(jié)束后交換角色再進(jìn)行練習(xí)。

3.2.3 演示啟普發(fā)生器原理

圖12中，關(guān)閉活塞K，推拉氣筒活塞，空氣被壓入試管中（模擬氣體的產(chǎn)生），試管中的水被壓入長(zhǎng)頸漏斗，水面下降與小石塊脫離（表示反應(yīng)終止）；打開(kāi)活塞K，試管內(nèi)氣體排出，長(zhǎng)頸漏斗中的水面下降，試管內(nèi)液面上升重新與小石塊接觸（表示又可繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生氣體）；重復(fù)上述操作，再次呈現(xiàn)啟普發(fā)生器“隨開(kāi)隨用，隨關(guān)隨停”的特點(diǎn)。

3.2.4 演示面粉爆炸實(shí)驗(yàn)

圖13為改進(jìn)后的“面粉爆炸實(shí)驗(yàn)”裝置，將氣筒的打氣端與爆炸裝置相連，推拉氣筒活塞，由于氣筒的鼓氣量足，可以將面粉充分揚(yáng)起，爆炸效果十分明顯。

圖6中，若容器A中的物質(zhì)是氣體，且容器A為剛性密閉容器，則推拉氣筒活塞時(shí)，容器A中的氣體不斷轉(zhuǎn)移到容器B中，容器A中氣體分子數(shù)不斷減少，氣壓逐步降低。

3.3.1演示減壓噴泉

圖14中，打開(kāi)活塞K，推拉氣筒活塞，圓底燒瓶?jī)?nèi)氣壓降低，使噴液管的上端壓強(qiáng)低于下端壓強(qiáng)（空氣通過(guò)活塞K自動(dòng)補(bǔ)充到錐形瓶中，使噴液管下端保持常壓），錐形瓶中的液體被抽入到圓底燒瓶中形成噴泉。圓底燒瓶充滿可溶性氣體時(shí)，推拉氣筒活塞，只要有少量液體進(jìn)入圓底燒瓶，即可引發(fā)噴泉。

3.3.2演示防倒吸原理

圖15（a）中，推拉氣筒活塞模擬氣體溶解產(chǎn)生負(fù)壓，燒杯中的水被倒吸入漏斗中，與此同時(shí)燒杯中的水面下降，進(jìn)入漏斗中的水又重新流回到燒杯中。將小漏斗往下壓，壓至其頸部接觸到水面（此時(shí)無(wú)異于將導(dǎo)氣管直接插入水中），重復(fù)上述操作，發(fā)現(xiàn)小漏斗不再有防倒吸功能，這樣就突出了“漏斗邊緣與水面相切”的重要性。圖15（b）中，推拉氣筒活塞模擬氣體溶解產(chǎn)生負(fù)壓，燒杯中的水倒吸到廣口瓶，而不會(huì)直接倒吸入制氣裝置中，給處理液體倒吸贏得了時(shí)間（正因如此，安全瓶也常被稱為緩沖瓶）。

3.3.3 演示減壓過(guò)濾

圖16中，在布氏漏斗中加入待過(guò)濾的固液混合物，推拉氣筒活塞，抽濾瓶?jī)?nèi)的氣體被不斷抽出，布氏漏斗上端的氣壓大于其下端的氣壓，使過(guò)濾速率加快，且過(guò)濾所得固體更趨干燥。現(xiàn)在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室大多沒(méi)有標(biāo)配抽氣設(shè)備，用圖16所示裝置則能大大降低將減壓過(guò)濾引入學(xué)生實(shí)驗(yàn)的門檻。

3.3.4 演示壓強(qiáng)對(duì)物質(zhì)沸點(diǎn)的影響

圖17中，將蒸餾燒瓶中的水加熱煮沸，撤去酒精燈，迅速塞上帶溫度計(jì)的橡膠塞。推拉氣筒活塞抽出蒸餾燒瓶中的氣體，瓶?jī)?nèi)氣壓下降水沸騰，記錄此時(shí)的水溫。此后每間隔2分鐘，重復(fù)上述操作，一一記錄沸騰時(shí)的水溫。分析上述實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，就能得出壓強(qiáng)影響物質(zhì)沸點(diǎn)的規(guī)律。需要指出的是，只要將氣筒的打氣端與蒸餾燒瓶的支管相連，就可探究壓強(qiáng)增大對(duì)物質(zhì)沸點(diǎn)的影響，但必須加固瓶塞與蒸餾燒瓶的連接，以防壓力增大時(shí)瓶塞彈出。

3.3.5 演示壓強(qiáng)對(duì)氣體溶解度的影響

圖18中，慢慢推拉氣筒活塞抽出試管內(nèi)的氣體，可看到試管內(nèi)濃氨水中有氣泡慢慢冒出（氨氣會(huì)被抽出，要用水吸收），說(shuō)明氣體的溶解度隨壓強(qiáng)的下降而減小。壓強(qiáng)對(duì)氣體溶解度的影響，可看成是壓強(qiáng)對(duì)氣體溶解平衡移動(dòng)的影響，因此該實(shí)驗(yàn)也可應(yīng)用在化學(xué)平衡的教學(xué)中。

以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)是化學(xué)學(xué)科的重要特征之一，化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于全面發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有著極為重要的作用。然而，當(dāng)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“以講代做”“以播代做”依然比較普遍。一個(gè)很重要的原因是，有些實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、操作比較麻煩，實(shí)驗(yàn)的安全性、成功率不高，而講實(shí)驗(yàn)、播實(shí)驗(yàn)卻可做到方便快捷、零失誤。那么，該如何讓老師們愛(ài)上做實(shí)驗(yàn)?zāi)兀抗P者認(rèn)為，通過(guò)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出更多安全可靠、操作簡(jiǎn)便、生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)，讓實(shí)驗(yàn)“不再麻煩”是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)廣大同行的努力，已經(jīng)有大量“不再麻煩”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新成果，我們應(yīng)該及時(shí)把這些創(chuàng)新成果從論文中請(qǐng)到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，將其轉(zhuǎn)化為用得上、用得好的實(shí)驗(yàn)利器。當(dāng)老師們真正感受到實(shí)驗(yàn)不再繁難時(shí)，自然就會(huì)從“怕做實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皭?ài)做實(shí)驗(yàn)”，如此一來(lái)，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)豐厚的附加值就能更好地服務(wù)于“為素養(yǎng)而教”。本文所述的單向閥價(jià)格便宜、網(wǎng)購(gòu)方便，買來(lái)后通過(guò)簡(jiǎn)單組裝就可用于解決實(shí)驗(yàn)中的很多問(wèn)題，值得推廣應(yīng)用到化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去。

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