排空氣法收集氣體實驗的新設(shè)計

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1問題的提出

“排空氣法收集氣體的實驗設(shè)計”一文，介紹的實驗裝置如圖1所示：通過同步進(jìn)行向上、向下排空氣收集 NO₂ 氣體，比較兩種排空氣法收集氣體的動態(tài)過程以及收集所得氣體的顏色深淺，能直觀得出“比空氣重的氣體應(yīng)用向上排空氣法收集，比空氣輕的氣體應(yīng)用向下排空氣法收集”這一結(jié)論。該實驗裝置各組成部分的功能清晰便于學(xué)生理解，能讓學(xué)生在問題的解決中領(lǐng)會設(shè)計對比實驗、控制單一變量的重要性。但也存有不足：一是相同時間內(nèi)要使進(jìn)入兩集氣瓶的 NO₂ 完全相等，對裝置的搭建要求較高；二是有四處涉及橡膠塞與容器連接，裝置的氣密性難以保障；三是用特制試管[2]作反應(yīng)容器制氣體所用的濃硝酸較多；四是兩集氣瓶相對獨立，要逐一消除瓶內(nèi)殘留氣體比較繁瑣。那么，能否設(shè)計一套新的實驗裝置來克服上述不足，而又能達(dá)到同樣的實驗?zāi)康哪兀?/p>

圖1排空氣法收集氣體的同步對比實驗裝置示意圖

2 改進(jìn)的實驗設(shè)計

2.1 實驗裝置

根據(jù)對照組與實驗組是否同時進(jìn)行，將對比實驗分成直接對比實驗和間接對比實驗，直接對比、間接對比也可稱為同步對比、前后對比。筆者轉(zhuǎn)變設(shè)計思路，變同步對比為前后對比，重新設(shè)計了一套如圖2所示的實驗裝置。該裝置由制氣裝置、集氣裝置、尾氣處理裝置和殘留氣體吸收裝置構(gòu)成（本實驗裝置已申請實用新型專利）[3]

2.1.1制氣裝置

制氣裝置包括具支干燥管（簡稱干燥管）和點膠瓶（網(wǎng)上有售），點膠瓶和干燥管之間通過硅膠管相連。通過點膠瓶往放有銅片的干燥管中加入濃硝酸來制取 NO₂ 氣體，反應(yīng)的化學(xué)方程式為 Cu+4HNO₃ （濃） 2NO₂↑+2H₂O 。當(dāng)實驗所需的氣體量夠時，打開活塞K₁ 、關(guān)閉三通閥，干燥管內(nèi)固液分離終止 NO₂ 氣體的發(fā)生。

圖2排空氣法收集氣體的前后對比實驗裝置示意圖

2.1.2集氣裝置

據(jù)排氣法收集氣體過程“進(jìn)出氣口小瓶身大”的特點，定制了兩支“兩端小中間大”的玻璃管（梭形管）來仿真集氣瓶收集氣體，兩梭形管之間通過一根小口徑的三通管相連，其中左管氣體自下而上仿真向上排空氣法收集氣體，右管氣體自上而下仿真向下排空氣法收集氣體。需要注意的是，為使實驗現(xiàn)象明顯且方便管內(nèi)殘留氣體的處理，梭形管的大小、長短要適當(dāng)。

2.1.3尾氣處理裝置

尾氣處理裝置包括盛有NaOH溶液的緩沖瓶和燒杯，從梭形管中排出的氣體與緩沖瓶的堿液反應(yīng)可除去部分尾氣，未被除去的尾氣被緩沖瓶中的空氣稀釋后進(jìn)入燒杯中被繼續(xù)吸收，可確保尾氣完全除去，反應(yīng)的化學(xué)方程式為 2NO₂+2NaOH=NaNO₃+NaNO₂+ H₂O 。

2.1.4殘留氣體處理裝置

殘留氣體通過針筒來處理：實驗前拉動針筒活塞吸入適量空氣，對比實驗結(jié)束后轉(zhuǎn)動三通閥使干燥管與針筒相通，繼續(xù)拉動針筒活塞，將干燥管中的氣體和燒杯中的少量水吸入到針筒中，振蕩，利用反應(yīng) 4NO₂+ O₂+2H₂O=4HNO₃ 除去制氣裝置中的 NO₂ ，然后推動針筒活塞將廢液排出;轉(zhuǎn)動三通閥使梭形管與針筒相通，拉動針筒活塞可將梭形管中的殘留氣體和尾氣處理裝置中的 ΔNaOH 溶液吸入到針筒中，振蕩，發(fā)生反應(yīng) 2NO₂+2NaOH=NaNO₃+NaNO₂+H₂O 除去梭形管中的 NO₂ 。

2.2實驗步驟及相關(guān)現(xiàn)象

（1）檢查裝置的氣密性：轉(zhuǎn)動三通閥使梭形管與干燥管相通，關(guān)閉 K₁ ！ K₃ ，拉動針筒活塞，裝置右端插入NaOH溶液（檢查氣密性時用水）中的玻璃管內(nèi)液面上升，推動針筒活塞玻璃管內(nèi)液面下降，說明裝置的氣密性良好。

（2）加入試劑控制反應(yīng)：按圖2裝置加入有關(guān)試劑，針筒吸入約干燥管容積1.5倍（理論上1.25倍）的空氣。打開 K₂ ，將點膠瓶中的濃硝酸擠入干燥管中，關(guān)閉 K₂ ，可看到銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生紅棕色氣體，紅棕色氣體從干燥管中逸出，通過三通閥后自下而上涌入梭形管1，此過程中紅棕色氣體與無色氣體（空氣）之間有明顯的分界面。紅棕色氣體通過彎管逐漸進(jìn)入梭形管2后，噴涌而下的紅棕色氣體與無色氣體（空氣）迅速混合，被稀釋的紅棕色氣體很快便在梭形管2中彌漫開來。打開活塞 K₁ ，關(guān)閉三通閥，干燥管內(nèi)的液體流入盛水的燒杯中，發(fā)生的氣體反應(yīng)終止，關(guān)閉 K₁ 。

（3）處理干燥管內(nèi)殘氣：轉(zhuǎn)動三通閥使針筒與干燥管相通，將承接干燥管排出液的燒杯重新?lián)Q成盛水的燒杯，打開 K_r ，拉動針筒活塞（實驗開始前已吸入部分空氣），干燥管中的氣體、燒杯中的清水被先后抽入針筒中，振蕩針筒使氣液充分反應(yīng)，待紅棕色氣體消失，推動針筒活塞排出針筒中的溶液。

（4）處理梭形管內(nèi)殘氣：轉(zhuǎn)動三通閥使針筒與梭形管相通，拉動針筒活塞，梭形管中的氣體、裝置右端的 ΔNaOH 溶液被先后抽入針筒中，振蕩針筒使氣液充分反應(yīng)除去 NO₂ 。

（5）排出梭形管內(nèi)殘液：轉(zhuǎn)動三通閥使干燥管與梭形管相通，打開 K₃ ，將梭形管內(nèi)液體排出。

（6）裝置的清洗和干燥：將緩沖瓶和右端燒杯中的廢液倒出換成清水，關(guān)閉 K_r 、 K₃ ，拉動針筒活塞將水緩慢抽入梭形管中初步洗去過量的堿液。然后，斷開裝置的連接，分段清洗、晾干。

2.3 問題討論

（1）向上排空氣法收集二氧化氮氣體時，開始梭形管1內(nèi)有一小股紅棕色氣體“跑”得很快，后來進(jìn)入的二氧化氮氣體則受到前面二氧化氮氣體的阻擋而聚集在管底緩慢向上移動。這一現(xiàn)象說明，向上排空氣法收集氣體時，集氣瓶口剛能檢測到氣體時并不能說明該氣體已經(jīng)收集滿，要多通一段時間才能確保收集的氣體較純。

（2）本實驗無法從收集結(jié)果來直接比較向上、向下排空氣法所收集氣體的純度差異，但從收集過程中NO₂ 與空氣互動的現(xiàn)象差異，不難得出兩種收集氣體方法所得氣體的純度有明顯差異。

（3）先用空氣、水除去制氣裝置（干燥管）內(nèi)的NO₂ ，后用堿液除去集氣裝置（梭形管）內(nèi) NO₂ ，目的在于用空氣、水消除干燥管中殘氣的同時清洗附著在銅片上的 Cu（NO₃）₂ ，避免堿洗液排出時與之反應(yīng)形成沉淀堵塞導(dǎo)管。

（4）本實驗的觀察點是兩梭形管中 NO₂ 與空氣互動過程的差異，因此實驗過程中梭形管2下端若有堿液倒吸對實驗結(jié)果沒有影響。

（5）本實驗采用裝置內(nèi)消除殘氣的方法，需要將梭形管內(nèi)氣體和右端堿液吸入針筒內(nèi)，因此所用的針筒容量必需是大號的。

2.4 創(chuàng)新點

（1）制氣裝置的創(chuàng)新：一是在干燥管上加一根支管制作“具支干燥管”，用具支干燥管作反應(yīng)容器，其容積小能節(jié)省硝酸，在其下端連上活塞通過固液分離能立即終正有害氣體的產(chǎn)生；二是用點膠瓶加濃硝酸，相比漏斗操作更為方便。

（2）集氣裝置的創(chuàng)新：一是設(shè)計定制了“兩頭小中間大”的梭形管仿真集氣裝置；二是先用向上排空氣法收集得到比較純的二氧化氮，再用向下排空氣法收集二氧化氮，實現(xiàn)了向上、向下排空氣法收集氣體在短時間內(nèi)、小空間上的巧妙切換和比較；三是兩梭形管前后相連，為后續(xù)一并除去管內(nèi)二氧化氮氣體創(chuàng)造了條件。

（3）消除殘氣的創(chuàng)新：為徹底除去反應(yīng)后殘留在裝置內(nèi)的二氧化氮，一是設(shè)計了用針筒吸入氣體、液體，讓氣液充分混合反應(yīng)的“內(nèi)除氣\"方案；二是實驗前先用針筒抽入足量空氣，為后續(xù)除去制氣裝置（干燥管）中的 NO₂ 埋下“伏兵”。

3結(jié)語

本實驗裝置改進(jìn)過程中，運(yùn)用了物理的氣壓原理、物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)等學(xué)科知識及模擬實驗這一科學(xué)研究方法。發(fā)揮了三通閥的技術(shù)優(yōu)勢，使實驗裝置更加簡約合理;在系統(tǒng)化的工程思維下，制氣、集氣、除氣既環(huán)環(huán)相扣又有條不紊；選擇針筒規(guī)格時，用到了數(shù)學(xué)體積公式計算梭形管內(nèi)氣體的體積；定制儀器繪圖給廠家時要求有一定的繪圖能力，搭建的實驗裝置要考慮協(xié)調(diào)美觀。因此實驗裝置的研制過程，是一個運(yùn)用化學(xué)、物理、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)等知識解決問題的跨學(xué)科綜合實踐活動，若將其轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例能較好地體現(xiàn)STEAM教學(xué)理念。習(xí)近平總書記要求教師做“學(xué)生創(chuàng)新思維的引路人”，教師在實驗教學(xué)中通過不斷提出驅(qū)動性問題，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計“排空氣法收集氣體”的同步對比、前后對比兩套實驗裝置，通過做中學(xué)、用中學(xué)和創(chuàng)中學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］曹桂禎，葉秋香等.排空氣法收集氣體的實驗設(shè)計[J].化學(xué)教學(xué)，2024，（7）：71～74.

[2］曹桂禎，龔孟增等.有害氣體實驗通用防污染裝置的改進(jìn)優(yōu)化[J].化學(xué)教學(xué)，2023，（3）：76～79.

［3］曹桂禎，葉秋香．一種排空氣法收集氣體的實驗原理演示裝置：中國，ZL202421087537.1[P].2025-01-17.