魯爾四通閥在高中化學實驗改進中的應(yīng)用

余 靜，楊 怡

（韶關(guān)學院 化學與土木工程學院，廣東 韶關(guān) 512005）

《普通高中化學課程標準》（2017 年版2020 年修訂）（以下簡稱“新課標”）中強調(diào)：實驗教學可以幫助學生形成化學概論，初步掌握一些常用的化學實驗技能，養(yǎng)成注重實證、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，增強合作探究意識，養(yǎng)成獨立思考、敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的精神［1］。因此，化學實驗在化學教學過程中發(fā)揮了重要作用，是實施化學教育的一種有效形式。

隨著時代的發(fā)展，化學實驗手段也在不停地創(chuàng)新，例如傳統(tǒng)的實驗儀器逐漸替換成生活中常見的物品——醫(yī)用的輸液袋［2］、藥丸板［3］、注射器［4］等。其中注射器被廣泛應(yīng)用在微型化實驗中，并且可以通過魯爾二通閥、魯爾三通閥以及魯爾四通閥連接起來優(yōu)化改進化學實驗。現(xiàn)階段，魯爾二通閥已應(yīng)用于銅與硝酸的改進實驗中［5］；魯爾三通閥已應(yīng)用于銅與稀、濃硝酸的反應(yīng)及其產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的一體化微型實驗［6］，二氧化氮與四氧化二氮的轉(zhuǎn)化實驗［7］，氫氧化亞鐵沉淀的制備［8］，二氧化碳的制取及性質(zhì)檢驗［9］等實驗中。相比于魯爾二通閥與三通閥，魯爾四通閥不僅具有良好的氣密性、較強的拓展性、可進行定量分析及化學反應(yīng)體積可控性等優(yōu)點，而且因其結(jié)構(gòu)比魯爾二通閥、三通閥更為完善，具有方向切換的功能，增加了更多的化學反應(yīng)可控性。因此，筆者應(yīng)用魯爾四通閥對乙烯的制取及其性質(zhì)檢驗實驗、含氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化實驗進行改進，并將其應(yīng)用到具體的教學中，進一步豐富高中化學實驗教學內(nèi)容，激發(fā)學生學習興趣。

一、改進實驗的內(nèi)容及方法

（一）改進實驗1：乙烯的制取及性質(zhì)檢驗實驗

乙烯的制取及性質(zhì)檢驗實驗是高中有機化學教學的重點之一，傳統(tǒng)的實驗室制法具有需要加熱、副產(chǎn)物多且耗時長等特點，不利于教師在課堂上開展實驗。新課標對乙烯在內(nèi)容和學時上有所要求，為了更好地落實新課標要求，需對傳統(tǒng)的實驗室制法進行改進。楊金美通過改變實驗所需反應(yīng)物，利用40%乙烯利和氫氧化鈉溶液反應(yīng)制乙烯，反應(yīng)速率較快，無其他副產(chǎn)物，但反應(yīng)裝置復雜，實驗不具有連續(xù)性［10］。應(yīng)春曉通過改變實驗的裝置，利用量筒、一次性輸液針管、注射器以及西林瓶組成微型化的裝置完成乙烯的制取及性質(zhì)實驗，性質(zhì)實驗較為全面，但所用實驗儀器較多［11］。本改進實驗利用魯爾四通閥一體化微型實驗裝置完成乙烯制取及性質(zhì)檢驗實驗，所需實驗儀器較少、耗時短、實驗現(xiàn)象明顯且易于觀察、節(jié)約藥品，體現(xiàn)綠色化學的觀念。

1.實驗儀器與試劑

20 mL 注射器，魯爾外旋四通，魯爾兩通閥，40% 乙烯利溶液（網(wǎng)購），0.01% 酸性高錳酸鉀溶液，5% 溴水溶液，10%、20%、30%、40%、50%氫氧化鈉溶液。

2.實驗裝置

3．實驗步驟

（1）儀器組裝：按圖1a 安裝實驗裝置，并檢查裝置氣密性。

圖1 乙烯的制取及性質(zhì)檢驗的一體化微型實驗裝置

（2）探究氫氧化鈉溶液濃度對乙烯產(chǎn)量的影響：排盡注射器內(nèi)空氣，向1 號注射器中裝入1 mL10%氫氧化鈉溶液，3 號注射器中加入1 mL 40%乙烯利溶液，將3 號注射器中40%乙烯利溶液擠到1 號注射器中，觀察并記錄15 s 時產(chǎn)生乙烯的量。按此步驟分別探究20%、30%、40%、50%氫氧化鈉溶液所產(chǎn)生乙烯的量。

（3）添加試劑：排盡注射器內(nèi)空氣，向1 號注射器中裝入1 mL 氫氧化鈉溶液，2 號注射器中加入1 mL 5%溴水溶液，3 號注射器中加入1 mL 40%乙烯利溶液，4 號注射器中加入1 mL 0.01%酸性高錳酸鉀溶液。將4 支注射器與1 個魯爾外旋四通和4個魯爾兩通閥連通，如圖1b。

（4）制取乙烯：將3 號注射器中40%乙烯利溶液擠到1 號注射器中。

（5）乙烯與溴水的加成反應(yīng)：將1 號注射器中收集到的乙烯氣體擠到2 號注射器中，立即關(guān)閉魯爾兩通閥的閥門，震蕩2 號注射器，觀察2 號注射器中溴水的顏色變化。

（6）乙烯與高錳酸鉀溶液的氧化反應(yīng)：將1 號注射器中收集到剩余的乙烯氣體擠到4 號注射器中，震蕩4 號注射器，觀察注射器中酸性高錳酸鉀溶液顏色的變化。

（7）尾氣吸收。

（二）改進實驗2：含氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化實驗

銅與硝酸反應(yīng)以及NO 與NO2之間的轉(zhuǎn)化實驗均是高中化學的重要實驗，為了更好地落實新課標要求及教師能更好地開展教學，利用魯爾四通閥一體化微型實驗裝置對NO2的制取及NO 與NO2之間的轉(zhuǎn)化實驗進行改進，為高中化學實驗提供教學新思路。

1．實驗儀器與試劑

銅片，濃硝酸，水，氧氣，20 mL 注射器，魯爾外旋四通，魯爾兩通閥。

2．實驗裝置

3．實驗步驟

（1）儀器組裝：按圖2a 安裝實驗裝置，并檢查裝置氣密性。

圖2 含氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化一體化微型實驗裝置

（2）添加試劑：排盡注射器內(nèi)空氣，向1 號注射器裝入銅片，2 號注射器加入20 mL 氧氣，3 號注射器加入1 mL 68%的濃硝酸，4 號注射器中加入4 mL 水。將4 支注射器與1 個魯爾外旋四通和4 個魯爾兩通閥連通，如圖2b。

（3）制取NO2：打開a、c 閥，將3 號注射器中68%濃硝酸擠到1 號裝有銅片的注射器中，可觀察到有紅棕色氣體產(chǎn)生，且銅片不斷溶解；1 號注射器中液體由無色逐漸變成綠色。

（4）NO2與水反應(yīng)（含氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化）：將1 號注射器中收集的NO2氣體擠到3 號注射器中（6 mL），立即關(guān)閉a 閥，打開d 閥，將4 號注射器中的水全部擠到3 號注射器中，震蕩3 號注射器，觀察到3 號注射器中氣體顏色由紅棕色逐漸變?yōu)闊o色，3 號注射內(nèi)氣體體積由6 mL 變?yōu)? mL，即剩余氣體約占原來氣體體積的1/3。

（5）NO 與氧氣與水反應(yīng)：關(guān)閉a 閥，打開b閥，將2 號注射器中的氧氣緩慢擠到NO2與水反應(yīng)生成NO 的3 號注射器中，震蕩3 號注射器，可以觀察到3 號注射器中氣體逐漸減少，直至消耗完全。

（6）尾氣吸收。

二、結(jié)果分析及討論

（一）乙烯的制取及性質(zhì)檢驗實驗

1．實驗數(shù)據(jù)分析

探究了氫氧化鈉溶液濃度對乙烯產(chǎn)量的影響，結(jié)果如表1 所示。

表1 氫氧化鈉的質(zhì)量分數(shù)大小對反應(yīng)速率的影響

由表1 可知：當乙烯利的濃度均為40%，氫氧化鈉溶液濃度為10%、20%、30%、40%、50%，兩者反應(yīng)15 s 時，乙烯的產(chǎn)量由①到⑤號依次為0、10、26、33、39 mL；反應(yīng)結(jié)束時，乙烯的產(chǎn)量由①到⑤號依次為1、17.5、37.5、80、90 mL，根據(jù)兩者反應(yīng)所產(chǎn)生乙烯的量及實驗現(xiàn)象，可知兩者反應(yīng)速率：①號無明顯現(xiàn)象，②號反應(yīng)緩慢，③號反應(yīng)快速，④號與⑤號均為反應(yīng)劇烈，根據(jù)演示實驗所需要的體積（1 mL）可得出：40%乙烯利溶液和30%氫氧化鈉溶液反應(yīng)制取乙烯較為宜。

2.實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果為：步驟③中，1 號注射器活塞不斷被向外推動，即有乙烯的生成；步驟④中，2 號注射器中可觀察到溴水由橙黃色變?yōu)闊o色，說明溴水與乙烯發(fā)生了加成反應(yīng)；步驟⑤中，4 號注射器中可觀察到酸性高錳酸鉀由紫色變?yōu)闊o色，說明乙烯與酸性高錳酸鉀發(fā)生了氧化反應(yīng)。

在傳統(tǒng)實驗中，用濃硫酸和95% 乙醇在170～178 ℃的條件下進行消去反應(yīng)制得乙烯，實驗中濃硫酸具有強氧化性，容易將乙醇碳化，同時還會生成其他副產(chǎn)物，如C、CO 等［12］。此方法制取乙烯的產(chǎn)率較低且實驗所需藥品用量較多，易造成浪費，最后沒有進行尾氣處理，易造成環(huán)境污染，不符合綠色化學理念。

在改進后實驗中，具有以下幾個優(yōu)點：①可控性和拓展性強。以魯爾四通閥為反應(yīng)裝置，通過控制反應(yīng)物的量，從而控制生成乙烯的量，可控性強；此外，用于反應(yīng)及收集的注射器可單獨拆卸而不破壞裝置的氣密性，可用于較多的化學實驗中。②兼具一體化和微型化特點。本實驗裝置構(gòu)建的乙烯的制取及性質(zhì)檢驗實驗，所需藥品的量較少，兼具一體化和微型化的特點。③體現(xiàn)綠色化學的理念。本實驗裝置操作簡單、低成本、密閉，不污染環(huán)境。

3.乙烯的制取及性質(zhì)檢驗實驗在教學中的應(yīng)用

上述實驗表明，魯爾四通閥一體化微型實驗的可行性較高，實驗所需時間較短、實驗現(xiàn)象明顯，已應(yīng)用在乙烯的制取及性質(zhì)檢驗的教學中，提高了教學效率。

（二）含氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化實驗

1．實驗結(jié)果分析

傳統(tǒng)實驗裝置制備的NO2需另外收集，易造成NO2泄漏，對人體產(chǎn)生危害或造成環(huán)境污染，同時未能將實驗生成的NO 進行尾氣處理，污染環(huán)境，不符合綠色化學的理念。

改進后的實驗裝置，具有以下幾個優(yōu)點：①裝置氣密性與連續(xù)性好。制備與收集NO2均在魯爾四通閥一體化微型實驗裝置中進行，不易造成NO2泄漏；在含氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化中，可直接觀察到NO2的消耗和NO 的生成，實現(xiàn)在同一裝置連續(xù)實驗。②可控性強。通過控制NO2的量，從而控制生成NO 的量，驗證了轉(zhuǎn)化實驗中NO 與NO2的體積比為1∶3。③兼具一體化和微型化特點。本實驗通過簡單的儀器設(shè)計的NO2的制備及含氮氧化物之間轉(zhuǎn)化的一體化微型實驗裝置，操作簡單，所需藥品的量較少，兼具一體化和微型化的特點。④體現(xiàn)綠色化學的理念。本實驗操作裝置簡單、低成本、密閉，綠色環(huán)保［13］。

2.含氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化實驗在教學中的應(yīng)用

上述實驗表明，魯爾四通閥一體化微型實驗的可行性較高，實驗所需時間較短、實驗現(xiàn)象明顯，已應(yīng)用在含氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化教學中，提高了教學效率。

三、結(jié)論及展望

（1）實驗從裝置和藥品兩個方面進行改進，利用魯爾四通閥一體化微型實驗裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗裝置，實驗中用到的40%乙烯利溶液是農(nóng)業(yè)上用于催熟果實的農(nóng)藥且市場上有售，貼近生活。

（2）實驗改進后所用的是一體化微型的實驗裝置，裝置所需儀器均相對簡單且易得。該裝置在演示教學中能快速制取產(chǎn)物并進行檢驗，能大大提高課堂的效率。該裝置不僅能讓教師更好地開展實驗教學，也能讓學生更好地開展小組實驗探究，讓學生能夠?qū)崿F(xiàn)深度學習。

（3）魯爾四通閥與注射器組成的一體化微型實驗裝置，可節(jié)省實驗試劑且實驗現(xiàn)象易于觀察，同時還能實現(xiàn)定量分析及靈活控制反應(yīng)的量。兩個實驗均在密閉條件下進行，安全無污染，符合綠色化學的理念。

（4）該實驗裝置可實現(xiàn)乙烯的制取及其性質(zhì)檢驗、含氮氧化物之間的轉(zhuǎn)化，還可以進行Cl2、SO2等氣體的制備及性質(zhì)的檢驗。