單向閥和自制氣筒在化學實驗中的應用

曹桂禎 鄭順來

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、氣筒在實驗中的具體應用，解決了許多實驗中的問題，使實驗變得更加安全、可控和便捷。倡議將該實驗成果及時轉化為解決實驗問題的利器，使實驗更好地服務于學科核心素養的培育。

單向閥;自制氣筒;化學實驗;實驗探究

單向閥又稱止回閥或逆止閥，是一種使流體（氣體或液體）只能單向流動而不能反向流動的元件，該元件在生產生活中有著廣泛應用，但在化學實驗中的應用卻給人一種“養在深閨人未識”的感覺。筆者在實驗改進的研究中，為解決問題從不自覺到自覺地運用了單向閥，對該元件的應用有了越來越深入的認識。為進一步了解化學同行對該元件應用的認識狀況，筆者查閱了知網，發現謝培軒、石云列舉了不少單向閥的應用實例，但對兩個單向閥的聯合使用沒有上升到氣筒的高度來認識。而楊松耀、孫鵬、劉亞利談及了氣筒在實驗改進中的應用，但沒有涉及氣筒的制作及工作原理。由此可見，單向閥和氣筒的應用已經引起越來越多同行的重視，其在化學實驗中的應用也在逐步拓展。但總體而言，現有研究在揭示單向閥和氣筒之間的關系、單向閥和氣筒的分類應用方面還不夠深入。為此，筆者試圖在結合自己和他人研究的基礎上，對單向閥、氣筒在實驗中的應用作一個比較全面系統的梳理。下文中，將會引用到上述作者論文中的部分實例，為行文方便不再一一指出。

2.1.1 防液體倒吸

圖1中，當二氧化硫溶于品紅溶液造成裝置內壓強減小時，空氣可通過加料瓶左端的單向閥進入裝置，使裝置內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管上端連一個單向閥，則直接阻止了氫氧化鈉溶液的倒吸。圖2中，在玻璃導管與吹嘴之間連上一個單向閥，可防止將石灰水吸入嘴中。

2.1.2防液體揮發

圖3中，在分液漏斗上口端連一個單向閥，既能使濃鹽酸順利流入到圓底燒瓶中，又能避免濃鹽酸揮發造成污染。通過分液漏斗往容器中加入氨水、硝酸等揮發性液體時都可采用這種方法。在定性實驗中，在普通分液漏斗上口端連上一個單向閥后，其作用相當于一個恒壓分液漏斗。

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，即使點燃時氣體不純也不會造成爆炸，提高了實驗的安全性。

筆者用1個60mL的塑料針筒、1個三通、2個單向閥和硅膠管制作了一個圖5所示的氣筒（網購總計約8元）。該“自制氣筒”（下文簡稱“氣筒”）既可打氣又可抽氣，還可通過控制推拉活塞的次數和位置（針筒上有刻度），計量打入或抽出的流體體積。既可打氣又可抽氣的“兩用氣筒”也可網購，塑料款約20元，金屬款約60元。物理實驗室配有金屬款的“兩用氣筒”，該氣筒比較笨重。網購氣筒的配件可能與吸入的流體反應，且不透明、沒刻度，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，拉動氣筒活塞，容器A中的氣體通過抽氣端的單向閥進入三通、針筒；推動氣筒活塞，三通、針筒中的氣體通過打氣端的單向閥進入到容器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，無法滿足一些實驗需要持續、快速打氣或抽氣的缺點。例如，用澄清石灰水檢驗空氣中的二氧化碳時，用氣筒可連續鼓入空氣，相較于用針筒斷續鼓入空氣，可大大縮短石灰水變渾濁的時間。

若圖6中的容器A、容器B均為敞口容器，推拉氣筒活塞時兩容器的壓強不變，此時氣筒只起轉移物質的作用。

3.3.1轉移氣體

圖7中，實驗開始前用氣筒排出裝置內的空氣，充分反應后用氣筒排出裝置內殘留的二氧化碳，從而準確測出反應生成二氧化碳的質量。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生燃燒。熄滅后再次推拉動氣筒活塞，又可看到白磷重新燃燒起來。該實驗不僅通過“火在水中燒”的視覺沖擊揭示了燃燒的本質，還有效地解決了白磷燃燒可能造成的污染問題。

3.3.2轉移液體

圖9中，持續推拉氣筒活塞，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冰袋降溫后，被重新送入冷凝管中，實現冷凝水的循環利用。用氣筒轉移液體時，氣筒的作用如同一個人力“水泵”。

圖6中，若容器A中的物質是氣體，容器B為剛性密閉容器，則推拉氣筒活塞時，容器A中的氣體不斷轉移到容器B中，容器B內氣體分子數不斷增多，氣壓逐步增大。

3.2.1 演示增壓噴泉

圖10中，打開活塞K，推拉氣筒活塞，錐形瓶內液面上方的氣壓增大，使噴液管的上端壓強低于下端壓強（圓底燒瓶中的空氣通過活塞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，只要往圓底燒瓶中壓入少量液體，即可引發噴泉。有個細節值得注意，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入廣口瓶（模擬氣體的產生），廣口瓶中的水通過導管轉移到量筒中，上下移動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。該量氣過程，同時也是一個用排水法收集氣體的過程。練習排水法收集氣體時，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生，另一人用排水法收集氣體，一輪結束后交換角色再進行練習。

3.2.3 演示啟普發生器原理

圖12中，關閉活塞K，推拉氣筒活塞，空氣被壓入試管中（模擬氣體的產生），試管中的水被壓入長頸漏斗，水面下降與小石塊脫離（表示反應終止）；打開活塞K，試管內氣體排出，長頸漏斗中的水面下降，試管內液面上升重新與小石塊接觸（表示又可繼續反應產生氣體）；重復上述操作，再次呈現啟普發生器“隨開隨用，隨關隨停”的特點。

3.2.4 演示面粉爆炸實驗

圖13為改進后的“面粉爆炸實驗”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，可以將面粉充分揚起，爆炸效果十分明顯。

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

3.3.1演示減壓噴泉

圖14中，打開活塞K，推拉氣筒活塞，圓底燒瓶內氣壓降低，使噴液管的上端壓強低于下端壓強（空氣通過活塞K自動補充到錐形瓶中，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，推拉氣筒活塞，只要有少量液體進入圓底燒瓶，即可引發噴泉。

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生負壓，燒杯中的水被倒吸入漏斗中，與此同時燒杯中的水面下降，進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（此時無異于將導氣管直接插入水中），重復上述操作，發現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生負壓，燒杯中的水倒吸到廣口瓶，而不會直接倒吸入制氣裝置中，給處理液體倒吸贏得了時間（正因如此，安全瓶也常被稱為緩沖瓶）。

3.3.3 演示減壓過濾

圖16中，在布氏漏斗中加入待過濾的固液混合物，推拉氣筒活塞，抽濾瓶內的氣體被不斷抽出，布氏漏斗上端的氣壓大于其下端的氣壓，使過濾速率加快，且過濾所得固體更趨干燥。現在中學實驗室大多沒有標配抽氣設備，用圖16所示裝置則能大大降低將減壓過濾引入學生實驗的門檻。

3.3.4 演示壓強對物質沸點的影響

圖17中，將蒸餾燒瓶中的水加熱煮沸，撤去酒精燈，迅速塞上帶溫度計的橡膠塞。推拉氣筒活塞抽出蒸餾燒瓶中的氣體，瓶內氣壓下降水沸騰，記錄此時的水溫。此后每間隔2分鐘，重復上述操作，一一記錄沸騰時的水溫。分析上述實驗所得數據，就能得出壓強影響物質沸點的規律。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，就可探究壓強增大對物質沸點的影響，但必須加固瓶塞與蒸餾燒瓶的連接，以防壓力增大時瓶塞彈出。

3.3.5 演示壓強對氣體溶解度的影響

圖18中，慢慢推拉氣筒活塞抽出試管內的氣體，可看到試管內濃氨水中有氣泡慢慢冒出（氨氣會被抽出，要用水吸收），說明氣體的溶解度隨壓強的下降而減小。壓強對氣體溶解度的影響，可看成是壓強對氣體溶解平衡移動的影響，因此該實驗也可應用在化學平衡的教學中。

以實驗為基礎是化學學科的重要特征之一，化學實驗對于全面發展學生的化學學科核心素養有著極為重要的作用。然而，當下實驗教學中“以講代做”“以播代做”依然比較普遍。一個很重要的原因是，有些實驗的準備、操作比較麻煩，實驗的安全性、成功率不高，而講實驗、播實驗卻可做到方便快捷、零失誤。那么，該如何讓老師們愛上做實驗呢？筆者認為，通過實驗創新，設計出更多安全可靠、操作簡便、生動有趣的實驗，讓實驗“不再麻煩”是解決這一問題的關鍵。現在，經過廣大同行的努力，已經有大量“不再麻煩”的實驗創新成果，我們應該及時把這些創新成果從論文中請到實驗臺上，將其轉化為用得上、用得好的實驗利器。當老師們真正感受到實驗不再繁難時，自然就會從“怕做實驗”轉變為“愛做實驗”，如此一來，動手實驗豐厚的附加值就能更好地服務于“為素養而教”。本文所述的單向閥價格便宜、網購方便，買來后通過簡單組裝就可用于解決實驗中的很多問題，值得推廣應用到化學實驗教學中去。

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