藕節(jié)式氣體發(fā)生器的設計及應用

1、藕節(jié)式氣體發(fā)生器的設計及應用摘要：將固體與多種液體連續(xù)反應制備氣體的演示裝置與啟普發(fā)生 器固液分離設計精髓相結合，設計了藕節(jié)式氣體發(fā)生器及配套裝置?？蓪?現粉末狀固體反應時與液體脫離、對反應進行加熱、對固體反應物進行洗 滌等啟普發(fā)牛器所不具有的功能；可演示一氧化氮、二氧化氮、氯氣等氣 體的制備、收集、檢驗、尾氣處理等實驗。該裝置設計巧妙，具有使用方 便、適用廣泛等特點。關鍵詞：啟普發(fā)生器；藕節(jié)式氣體發(fā)生器；實驗裝置設計；實驗改進 文章編號:10057c6629 （2017） l?c0071?c04 中圖分類號：g633. 8 文 獻標識碼：b啟普發(fā)生器是屮學化學常用的制氣裝置，它通過控制固體與

2、液體的接 觸及分離實現反應的開始和停止，設計巧妙，使用方便。但啟普發(fā)生器也 存在試劑消耗量大、排空時間長、浪費多、配件用途小、不適宜加熱、不 適宜劇烈反應等不足1。為了改進以上不足，根據固液分離時的相對運動狀態(tài)不同，出現了液 離式（圖1）、固離式（圖2）、固液均離式（圖3）三種簡易啟普發(fā)生器改 進類型2。以上三類改進后的簡易啟普發(fā)生器都可以實現隨時控制反應的發(fā)生 和停止，凝聚了廣大化學教育工作者的智慧和汗水。但是，作為化學實驗 儀器的改進項目，設計時必須關注現象的清晰性和操作的簡練性，方便教 師在幾分鐘內將實驗目的、實驗原理、儀器藥品、操作步驟、實驗結果等 講解清楚3。從以上改進的結果看，大部

3、分儀器并不比以往的啟普發(fā)生 器簡單，有的反而更復雜，在實際教學中運用效果不夠理想。而且，啟普 發(fā)生器通過節(jié)管分離固體和液體的設計精髓未能得到借鑒和傳承，是改進 的一大遺憾。更重耍的是，以上改進都無法對反應物固體進行洗滌，也無 法支持反應物固體與多種液體連續(xù)反應。為了解決以上不足，本文將固體 與多種液體連續(xù)反應制備氣體的演示裝置4與啟普發(fā)生器固液分離設計 精髓相結合，設計了藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置。1實驗儀器的設計1. 1儀器組成及功能藕節(jié)式氣體發(fā)牛裝置由藕節(jié)式氣體發(fā)牛器、加熱套裝、三角漏斗、倒扣的塑料漏斗、燒杯、鐵架臺等幾部分組成，實驗裝置示意圖、實物圖如 圖4所示。其屮，藕節(jié)式氣體發(fā)生器上節(jié)管為發(fā)

4、生裝置和集氣裝置，下節(jié) 管外包裹冇硅橡膠加熱套。硅橡膠加熱套連接數顯溫控儀，用于控制加熱 溫度。倒扌ii的塑料漏斗及燒杯部分屬于尾氣吸收?b置，也可用于部分性質 實驗。硅橡膠加熱裝置及倒扣的塑料漏斗屬于選配部分，視具體反應選擇 對應套裝。1.2藕節(jié)式氣體發(fā)生器的設計以上裝置中，藕節(jié)式氣體發(fā)生器是整套儀器的核心部分，示意圖、實物圖見圖5。該發(fā)生器屮部是葫蘆式雙節(jié)管，秉承啟普發(fā)生器固液分離設 計精髓。上節(jié)管用于承放塊狀固體反應物，反應開始后氣體收集在上節(jié)管, 因此上節(jié)管既做發(fā)生裝置乂做集氣裝置。下節(jié)管作為貯液裝置，氣體產生 后，上節(jié)管液體被壓入下節(jié)管，下節(jié)管液體則被壓入三角漏斗。通過控制 玻璃活塞

5、1,產生的氣體可以順著耳形彎管進入導氣外管，最后在燒杯中 進行性質實驗或者尾氣處理。也可以關閉玻璃活塞1,打開玻璃活塞2, 直接將氣體排出做性質實驗。玻璃活塞2所在的支管與耳形導管所在的平 面呈90度夾角，通過旋轉角度可以只正面呈現支管或者耳形導管二者z 一，防止干擾觀察效果。實驗過程中，可以通過控制玻璃活塞3實現對固 體反應物的洗滌，或者讓固體反應物與一種液體反應后將該液體排空繼續(xù) 與另一種液體反應。反應結朿后，打開玻璃活塞3,液體通過排液內管進 入燒杯進行廢液處理。2使用示例藕節(jié)式氣體發(fā)牛裝置可以實現普通啟普發(fā)牛器及其簡易裝置所有功 能，并能實現粉末狀固體反應時與液體脫離、對反應進行加熱，

6、對固體反 應物進行洗滌等啟普發(fā)生器所不具有的功能。具體應用示例如下。2. 1演示固體與多種液體連續(xù)反應制備氣體普通啟普發(fā)生器只能演示塊狀固體與一種液體反應制備氣體，無法實 現對該固體進行洗滌或者讓該固體與多種液體連續(xù)反應。由于藕節(jié)式氣體 發(fā)生器下端設計有玻璃活塞3,且配套燒杯、倒扣漏斗等儀器，可以讓固 體與一種液體反應后，將該液體流出，再加入另一種液體繼續(xù)與固體反應。 以銅與硝酸反應為例，可以先演示銅與濃硝酸反應，制備二氧化氮后進行 尾氣處理；然后將濃硝酸進行稀釋再與銅反應，制備并檢驗一氧化氮后対 其進行尾氣處理。（1）檢驗氣密性：按圖4將儀器裝配好，關閉所有玻璃活塞，往三 角漏斗中加入一定量

7、的蒸他水，若三角漏斗內外存在液面高度差口不變， 說明氣密性良好。(2) 加入藥品：往燒杯中加氫氧化鈉溶液至沒過導氣外管下管口及 倒扣漏斗口，往發(fā)生器上節(jié)管中加入三片銅片，裝上三角漏斗，打開玻璃 活塞1,再往三角漏斗屮加入濃硝酸至充滿瓶體，關閉玻璃活塞1。(3) 收集、檢驗二氧化氮：固液接觸、銅片參與反應，溶液變?yōu)榫G 色，反應產生的氣體將液體壓入三角漏斗中，直至液體與銅片脫離，反應 停止，發(fā)生器上節(jié)管中收集有紅棕色氣體，根據氣體顏色判斷其為二氧化 氮。(4) 稀硝酸的配制：打開玻璃活塞3,當液面下降至發(fā)生器管節(jié)處時, 關閉玻璃活塞3,此時發(fā)牛器中液體只剩下原來的一半。打開玻璃活塞1, 再往三角漏

8、斗中加入蒸飽水至充滿發(fā)生器，濃硝酸被稀釋為稀硝酸。(5) 吸收處理二氧化氮：上述稀硝酸配制過程屮，液體流入燒杯屮 冇沉淀生成，此外溶液流出過程中伴冇氮氧化合物氣體逸出，由于在導氣 外管外部套有浸在氫氧化鈉溶液中的倒扣三角漏斗，可以有效吸收該氣 體。打開玻璃活塞1時，三角漏斗中液面緩慢下降，將發(fā)牛器中紅棕色氣 體全部趕入氫氧化鈉溶液中完全吸收。(6) 收集一氧化氮：銅與稀硝酸接觸后繼續(xù)反應，溶液變?yōu)樗{色， 反應產生的氣體將液體壓入三角漏斗中，直至液體與銅片脫離，反應停止, 上節(jié)管收集到無色氣體。(7) 檢驗一氧化氮：打開玻璃活塞3,使液體流入燒杯。同時打開玻璃活塞2,隨著空氣進入，發(fā)生器中無色氣

9、體立即變?yōu)榧t棕色，可以判斷該氣體為一氧化氮。（8）尾氣處理：待發(fā)生器中液體全部流出后，關閉玻璃活塞2和玻 璃活塞3,打開玻璃活塞1,往三角漏斗中緩慢加入蒸憾水至充滿發(fā)生器, 使瓶體中的氣體全部趕入氫氧化鈉溶液中完全吸收，尾氣處理完成。2. 2演示粉末狀固體與液體加熱制備氣體的反應啟普發(fā)牛器只能演示塊狀固體與液體制氣反應，且反應不能加熱。藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置可以演示粉末狀體與液體制氣的反應，只需將粉末固體包在脫脂棉內，放在上節(jié)管中，就可以實現固體與液體的接觸與脫離。 由于藕節(jié)式氣體發(fā)生器下節(jié)管可以包裹硅橡膠加熱套裝，還能實現對液體 的加熱并控制加熱的溫度。下面通過二氧化錨與濃鹽酸反應，演示氯氣的

10、制備、收集、檢驗及尾氣處理，更全面展示藕節(jié)式氣體發(fā)牛裝置的優(yōu)勢， 裝置如圖6所示。（1）檢驗氣密性：方法與2.1 （1）相同。（2）加入藥品：燒杯中裝300毫升氫氧化鈉溶液，用脫脂棉將二氧 化猛包住放在上節(jié)管，裝上三角漏斗，再安裝加熱套裝。打開玻璃活塞1, 往三角漏斗中加入濃鹽酸至充滿發(fā)牛器。（3）氯氣的收集：濃鹽酸接觸到包有二氧化猛的脫脂棉后，立即有少量氣體產生。接通電源，加熱一段時間后，隨著數顯溫控儀顯示的溫度 逐漸升高，反應加快。當數顯溫控儀顯示的溫度上升到105°c左右，溶液 顏色變黑，產生的大量氯氣將液體壓入三角漏斗屮，淺黃綠色的氯氣收集 在發(fā)牛器中。（4）氯氣的檢驗：將發(fā)

11、生器旋轉90° ,使玻璃活塞2所在的支管呈現在正面，方便觀察實驗現象。此時耳形彎管背向演示方向，不會干擾觀察?？刂撇ＡЩ钊?,使極少量氣體從支管逸出，用玻璃棒蘸濕潤的淀粉 碘化鉀試紙靠近支管口，試紙變藍，說明該氣體是氯氣。(5) 廢液及尾氣處理：打開玻璃活塞3,發(fā)生器中液體全部流出。關 閉玻璃活塞2和玻璃活塞3,打?玻璃活塞1,往三角漏斗屮緩慢加入蒸 憾水至充滿發(fā)牛器，使瓶體中的氣體全部趕入氫氧化鈉溶液中完全吸收， 尾氣處理完成。3創(chuàng)新點 3.1固液脫離方式的創(chuàng)新按照固液分離時的相對運動狀態(tài)不同進行分類，藕節(jié)式氣體發(fā)生器屬于液離式改進類型。但與常見的液離式改進不同，該發(fā)牛器傳承了啟普

12、發(fā)生器分離體和液體的設計精髓，方便制作和使用。對于粉末狀固體，只需用脫脂棉包住放在上節(jié)管，即可實現固液脫離，使該儀器的使用范圍明 顯拓寬。3.2綠色環(huán)保上的創(chuàng)新藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置除了具有固體與多種液體連續(xù)反應制備氣體及 其某些演示裝置相同的廢液廢氣處理功能外，還具有避免氣體從三角漏斗 逸出污染空氣的新功能6。由于設計了藕節(jié)式節(jié)管，反應發(fā)生后，氣體 溶解在上節(jié)管中液體達到飽和才能將下節(jié)管液體壓入三角漏斗。因下節(jié)管 液體基本不含或者很少含有氣體，進入三角漏斗后壓強減小，不會有氣體 逸出，可以避免空氣污染。同時，從容積角度看，藕節(jié)式氣體發(fā)牛器容積 為100毫升，而普通啟普發(fā)生器有250、500、10

13、00、2000毫升等規(guī)格, 最小規(guī)格的啟普發(fā)生器也要消耗大量反應液，藕節(jié)式氣體發(fā)生器則可以節(jié) 約至少一半藥品。3. 3加熱方式上的創(chuàng)新作為化學演示實驗加熱的通常方法，酒精燈加熱存在著加熱不均勻、溫度難控制、明火易造成火災等不足。使用硅橡膠加熱套裝可以有效避免 以上不足，且能對豎直放立的玻璃儀器進行加熱。在對藕節(jié)式氣體發(fā)牛器 加熱中，硅橡膠加熱套包裹在下節(jié)管，不影響上節(jié)管實驗現象的觀察。且 加熱時溫度先升高的是下節(jié)管液體，根據對流原理，上節(jié)管液體溫度也能 迅速上升，加熱速度較快，節(jié)約時間，適合在課堂演示實驗中使用。對于 不同形狀和規(guī)格的玻璃儀器，只需請廠家按對應尺寸定制硅橡膠加熱套即 可，價格僅需幾十元，且可以反復使用萬次以上。數顯溫控儀及電源適配 器是通用的，整套價格在200元左右。因此，硅橡膠加熱套裝具有適用范 圍廣、價格合理等優(yōu)點，適合推廣。總之，藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置具有設計巧妙、使用方便、綠色環(huán)保、成 本合理等優(yōu)點，既傳承了啟普發(fā)生器固液分離設計的精髓，又集成了發(fā)生 裝置