排空氣法收集氣體的實驗設計

摘要： 用銅與濃硝酸反應制取二氧化氮，用兩個塑料瓶充當集氣瓶同時進行向上、向下排空氣法收集二氧化氮。實驗直觀呈現了向上、向下排空氣法收集二氧化氮時新進入瓶中的有色氣體與原瓶中空氣之間的互動過程。通過及時終止二氧化氮的產生，及時用氫氧化鈉溶液吸收二氧化氮等方法，可使實驗全程無污染。

關鍵詞： 排空氣法; 收集氣體; 實驗設計；二氧化氮

文章編號： 1005-6629（2024）07-0071-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

初中化學教材實驗中用排空氣法收集的氫氣、氧氣和二氧化碳都是無色的，實驗過程中無法觀察到這些氣體進入集氣瓶后與空氣之間的互動情況。由于沒有“眼見為實”的直觀證據，加上“排空氣法收集氣體時氣體是快速進入集氣瓶的，進入瓶中的氣體分子做無規則運動”，于是引發了人們對“排空氣法收集氣體時，輕的氣體在上，重的氣體在下，兩種氣體不易混合”的懷疑，甚至認為“向上、向下排空氣收集氣體時，所收集的氣體都會與空氣快速混合，向上、向下排空氣法收集氣體沒有太大差異”。為了回應這種質疑，有必要設計實驗呈現排空氣法收集氣體過程中，被收集的氣體與原集氣瓶中空氣之間互動的真實情景，以消除人們的疑惑。

2 已有的相關研究簡述

查閱知網有關排空氣法收集氣體的論文，發現只有周信軍［1］比較了向上、向下排空氣法收集氣體時瓶內氣體的動態過程及所收集氣體的純度差異，該文提出的方案是用圖1所示裝置收集二氧化碳，根據圖1-a裝置中的濕潤石蕊試紙由下而上逐漸變紅，證明向上排空氣法收集二氧化碳時空氣被自下而上有序排出集氣瓶，而圖1-b裝置中濕潤石蕊試紙一起快速變紅，證明向下排空氣法收集二氧化碳時空氣與二氧化碳快速混合。作者還用圖2所示方法，分別將兩支用向上、向下排空氣法收集二氧化碳的試管倒立于盛足量NaOH溶液的燒杯中，通過比較兩試管內剩余氣體量的多少得出向上、向下排空氣法收集所得二氧化碳氣體的純度差異。該方案的圖1實驗通過濕潤藍色石蕊試紙顏色變化情況示蹤向上、向下排空氣法收集氣體時，所收集氣體在瓶內的流動情況，實驗方案雖然可行，但實驗所觀察到的只是局部的、間接的現象，完整的、真實的現象只能靠推理和想象來補全，同時該方案還存在不便遠距離觀察的不足。圖2實驗則存在如何確保進入兩試管的二氧化碳氣體量相等，以及將試管倒立于NaOH溶液中時的實驗操作安全問題。

3 實驗設計

3.1 裝置的組成

3.1.1 制氣裝置

（1） 氣體的選擇：為使排空氣法收集氣體的過程可視化，氣體的選擇必須符合3個條件，一是有顏色且顏色隨濃度變化明顯，二是密度與空氣相差較大，三是氣體容易制得。依據上述條件進行篩選，筆者選定了二氧化氮作為實驗氣體。

（2） 氣體的制取：用銅與濃硝酸反應制取二氧化氮，反應的化學方程式為：Cu＋4HNO3（濃）Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O。實驗所用的硝酸濃度、用量必須足夠大，避免生成NO而造成實驗失敗。如圖3所示，用特制試管［2］作反應容器，將銅置于特制試管底部（墊上一層玻璃球，以便固液分離終止反應），通過上口接單向閥［3］的分液漏斗加入濃硝酸。待實驗所需氣體量夠時，打開特制試管下支管活塞K1，關閉上支管活塞K2，反應產生的氣體將試管內液體排入盛水的燒杯中，固液分離終止氣體的產生。

3.1.2 集氣裝置

（1） 設計對比實驗：如圖4所示，用向上、向下排空氣法同時收集二氧化氮氣體。為使進入塑料瓶A、 B的氣體量相等，一是選用Y形管使氣體“兵分兩路”，且控制Y形管到塑料瓶A、 B進氣端的距離相等；二是使塑料瓶A、 B出氣端到安全瓶的距離相等，且將塑料瓶A、 B出氣端連在同一安全瓶上以控制兩個出氣端的氣壓相等。

（2） 集氣瓶的選擇：塑料瓶A、 B的直徑、高度必須相同，且必須足夠大、足夠高，這樣新進入的氣體與原瓶內空氣之間互動過程的差異才能充分彰顯。選擇用兩個500mL的礦泉水瓶作為集氣瓶，不僅能滿足實驗要求，還兼具便宜易得、輕便好固定的優點。

（3） 加固集氣裝置：受重力作用，瓶口朝下的塑料瓶塞易脫落，可將乳膠管從進氣、出氣的兩玻璃管之間穿過，拉緊后用卡箍鎖緊。

3.1.3 有害氣體處理裝置

（1） 產氣端的除殘氣裝置：如圖3所示，用“兩用氣筒”［4］依次將水、空氣打入特制試管中，除去特制試管中殘留的NO2氣體，反應的化學方程式為4NO2+O2+2H2O＝4HNO3。

（2） 集氣瓶的加堿液裝置：如圖5所示，用點膠瓶（裝膠水的瓶子，彈性好，可網購）往塑料瓶A、 B中加入NaOH溶液除去NO2氣體，反應的化學方程式為2NO2＋2NaOH＝NaNO2＋NaNO3＋H2O。

（3） 安全瓶及尾氣處理裝置：如圖6所示，給500mL廣口瓶配上3孔塞，其中兩個孔分別與塑料瓶A、 B的出氣端相連，第3個孔與插入NaOH溶液中的導管相連。當在塑料瓶A或B的導管端加入堿液時（另一端夾緊），反應引起的負壓會將燒杯中的NaOH溶液吸入安全瓶中將NO2氣體除去。

3.2 裝置的使用

新設計的實驗裝置如圖7所示（固定裝置略），該裝置的使用方法和實驗過程中觀察到的現象如下：

（1） 檢查裝置的氣密性：關閉K1、 K3、 K4，打開K2，用“兩用氣筒”打入空氣，觀察到燒杯中的導管口有大量氣體冒出，說明裝置氣密性良好。

（2） 啟動反應收集氣體：往特制試管中加入濃硝酸，試管內產生大量深紅棕色氣體，氣體迅速向右流動，深紅棕色氣體噴涌而入同時到達兩個集氣瓶，進入塑料瓶B底部的深紅棕色氣體快速墜落到下方的無色氣體中彌漫開來，很快整個集氣瓶內的氣體都變成淺紅棕色；而進入塑料瓶A底部的深紅棕色氣體卻沉積在瓶底，與上方的無色氣體有明顯的分界，深紅棕色氣體向上緩慢移動。

（3） 終止反應停止通氣：實驗現象明顯時，打開K1、關閉K2，特制試管內液體排出反應終止。

（4） 除去裝置內的NO2：①將塑料瓶B倒轉正放，將兩個盛有NaOH溶液的點膠瓶分別與K3、 K4的端口相連，打開K3、 K4，將NaOH溶液擠壓入塑料瓶A、 B中。關閉K3、 K4，右端燒杯中的NaOH溶液倒流入安全瓶中，振蕩塑料瓶A、 B和安全瓶，瓶中氣體的紅棕色逐漸退去；②關閉K1、打開K2，用“兩用氣筒”往特制試管中先打入水至水面接近特制試管的上支管（壓縮有害氣體空間，便于將其完全除去），再打入空氣，直至裝置內氣體的紅棕色完全消失。

3.3 實驗結論

向上排空氣法收集的NO2不易與空氣混合所得氣體較純、向下排空氣法收集的NO2易與空氣混合所得氣體不純的實驗事實，證實了“排空氣法收集氣體時，輕的氣體在上重的氣體在下，兩種氣體不易混合”這一原理的可靠性。從而可得出，用排空氣法收集氣體時，為收集到比較純的氣體，應將輕的氣體送至上方（向下排空氣法收集），重的氣體送至下方（向上排空氣法收集）。

3.4 幾點說明

（1） 有害氣體在裝置末端快速排出時往往無法被完全吸收，裝置內除氣效果要優于裝置末端的吸收處理，本實驗當有少量NO2氣體進入安全瓶時即能達到實驗目的，此時終止NO2氣體的產生，進入尾氣處理裝置的NO2氣體非常少能確保其完全吸收。

（2） 用打入空氣來排出容器內有害氣體的效果是不好的，因此本實驗處理有害氣體時，容器內的氣體通過加入試劑進行反應除去，導氣管中的氣體則通過打入空氣將其排入吸收液中吸收。

（3） 實驗表明在收集了NO2的塑料瓶中加入堿液后，塑料瓶會被腐蝕得比較嚴重，瓶壁會泛白故只能使用一次（礦泉水瓶便宜易得影響不大），當然也可用玻璃瓶代替塑料瓶。

（4） 本實驗屬于用高中化學知識解決初中化學的實驗問題，故應用于初中化學實驗教學時，重點在于引導學生觀察比較向上、向下排空氣法收集NO2實驗現象的差異，以幫助學生理解排空氣法收集氣體的實驗原理。該實驗的制氣反應、消除有害氣體的原理等都屬于高中知識可不必涉及，以避免偏離教學主題和加重學生學業負擔。

4 結語

高中化學新課標指出“化學實驗有助于激發學生學習化學的興趣，創設生動活潑的教學情境，幫助學生理解和掌握化學知識和技能，啟迪學生的科學思維，訓練學生的科學方法，培養學生的科學態度和價值觀”［5］。科學教人求真，本實驗看似研究了一個“不是問題的問題”，實則釋疑了一個化學學科的“基礎中的基礎問題”，讓學生頭腦中的化學大廈建立在實驗事實的堅實地基之上而非懸浮于似是而非的想象之中。本實驗的育人功能表現在：鮮活的實驗現象能激發學習興趣，通過挖掘實驗現象背后的原因有助于知識的理解，實驗中涉及的對比實驗設計、單一變量控制、有害氣體無害化處理等，對促進學生實驗技能掌握、啟迪科學思維、訓練科學方法、培養科學態度和價值觀等大有裨益。

參考文獻：

［1］周信軍. 探究排氣法收集氣體的兩個問題［J］. 教學儀器與實驗， 2011， （1）： 22.

［2］曹桂禎， 龔孟增， 許奕欣. 有害氣體實驗通用防污染裝置的改進優化［J］. 化學教學， 2023， （3）： 76～79.

［3］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， （10）： 54～55.

［4］曹桂禎， 鄭順來. 單向閥和自制氣筒在化學實驗中的應用［J］. 化學教學， 2023， （1）： 62～66.

［5］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 72.

（廈門市第六批基礎教育課程改革課題“提升實驗探究能力的化學課堂教學模式研究”（課題編號：Z677）的研究成果之一。）