有毒氣體制備及性質探究儀的設計與制作

蔣勝芝

“以實驗為基礎，是化學學科的基本特征之一。”[1]作為一名一線化學教師，深知實驗在化學教學中給學生帶來的深遠意義。一個富有創意的實驗，可以引起學生對實驗本質的探究興趣和對科學的憧憬，進而在內心深處埋下探究科學的種子。多年來，筆者在化學教學及實驗過程中，對一些實驗進行改進及創新整合，使其更利于操作和探究。

人教版九年級化學教材上冊第二單元課題二《氧氣》一節中，氧氣具有氧化性，是通過氧氣能與多種物質發生氧化反應來說明的。其中就有“硫在空氣及氧氣中燃燒”的實驗，這一實驗的傳統操作方法是：先在燃燒匙里放少量的硫粉，然后將燃燒匙放在酒精燈火焰上加熱，直到燃燒匙內的硫粉發生燃燒，觀察硫在空氣中燃燒的現象。再把盛有燃燒著的硫粉的燃燒匙緩慢伸入充滿氧氣的集氣瓶里(氧氣瓶內有少量的水，其作用是吸收生成的SO2和及時熄滅燃燒著的硫粉)，進一步觀察硫在氧氣中燃燒的現象(如圖1所示)。

圖1

一、問題的提出

1.SO2是一種無色、有刺激性氣味的有毒氣體。空氣中SO2的濃度僅為1 ppm時，就會使人有胸部被壓迫的不適感；當濃度達到8 ppm時，人就會感到呼吸困難。SO2的危害還在于它常常跟大氣中的飄塵結合在一起，進入人的肺部。按傳統的實驗操作方法，實驗過程中生成的SO2對實驗者和學生有直接危害。

2.即使該實驗在通風櫥中進行，也只是將生成的SO2排入大氣中，仍然存在污染問題，還會影響學生的觀察。

3.實驗過程中，瓶底少量的水僅能吸收很少的SO2，致使較多的SO2逸散到空氣中，對環境造成污染。

基于以上問題，筆者多年來一直在探索既能順利完成實驗又不造成空氣污染的方法。經過一次次的實驗、一次次的改進，終于制作出了有毒氣體制備及性質探究儀。

二、儀器結構及特點

1.儀器結構

圖2

如圖2所示：

1是儲氣罐，儲有氧氣，由閥門控制氧氣的進入，以便觀察硫粉在氧氣中燃燒的現象。

2是皮老虎，可以通過它鼓入空氣。

3是硫粉燃燒的發生裝置。這也是該探究儀的亮點之一，注射器下端固定電熱絲，可以升降，當接通電源將硫粉引燃后，可以提起，防止電熱絲被氧化；鼓入的空氣或氧氣由導管進入裝置內的聚氣器，使氣體在聚氣器內向外溢，為燃燒匙內硫粉的充分燃燒提供條件。當皮老虎鼓入空氣時，可以觀察硫粉在空氣中燃燒的現象，當儲氣罐中的氧氣進入時，可以觀察硫粉在氧氣中燃燒的現象。整個發生裝置是密閉的。

4是盛有濃氫氧化鈉溶液的一級吸收裝置，發生裝置中生成的SO2在這里被濃氫氧化鈉溶液吸收。

5是二級吸收裝置，將4中未吸收完的SO2再次吸收。

6是兩用氣筒，可以與皮老虎配合使用(皮老虎為首端加壓，兩用氣筒為末端減壓)作為裝置中氣體流動的動力來源。

7是氣囊，兩用氣筒抽出的氣體中可能會有少量SO2，可用其收集。

如果增加圖3裝置，還可進行酸雨危害的模擬實驗、SO2漂白作用的實驗。將該裝置放于裝置3，4之間，裝置3中生成的SO2進入圖3的裝置中將鮮花漂白，驗證了SO2的漂白作用，同時也證明了酸雨對植物的危害。

圖3

2.儀器特點

(1)該探究儀使用方便，反應可以隨時發生、隨時停止，節約高效，減少污染。

(2)現象明顯，可觀性強。

(3)使用范圍廣：初中化學硫在空氣及氧氣中的燃燒、SO2的漂白作用、酸雨危害的模擬實驗；高中化學NO2的制備及性質探究。

(4)符合化學儀器管道化、綠色化、人文化的特點。

三、制作方法

(1)做一個能盛下3～ 4個500 mL廣口瓶的底座。

(2)準備3～4個500 mL的廣口瓶，每個廣口瓶配10號的橡膠塞。第一個膠塞打6個孔，配一廣口瓶作為氣體制備裝置1；第二個膠塞打3個孔，與另一個廣口瓶作為性質驗證裝置2；第三、第四個膠塞為兩孔，與另外2個廣口瓶作為一、二級吸收裝置3和裝置4。

(3)將3～4個廣口瓶用橡膠管連在一起，并在每處備有止水夾，組成有毒氣體制備及性質探究儀。

(4)輔助設備：儲氣罐、兩用氣筒、尾氣袋、注射器等。

四、使用方法

(1)準備：在裝置1中放入適量硫粉；在性質驗證裝置2中放入一朵鮮花；在裝置3、裝置4中加入適量的濃氫氧化鈉溶液，用橡膠管將儲氣罐以及裝置1，2，3，4連接；備好兩用氣筒和氣袋；調節好調壓器(電壓小于30 V)。

(2)實驗：接通電源，加熱電熱絲，將燃燒匙中的硫粉引燃(在密閉容器中將硫粉引燃，避免SO2向空氣中逸散)，然后將電熱絲提起并切斷電源(防止電熱絲被氧化)。輕輕地鼓入適量的空氣，觀察硫在空氣中燃燒的現象。然后關閉皮老虎，打開氧氣儲氣罐的活塞，鼓入氧氣，這時可看到硫在氧氣中燃燒，產生明亮的藍紫色火焰。

(3)對比實驗做完后關閉儲氣罐的閥門，再用皮老虎鼓入空氣，同時用兩用氣筒在末端抽氣，直到裝置2內的SO2很少為止。

(4)還可以在裝置3和裝置4之間增加若干裝置，驗證酸雨對金屬的腐蝕、酸雨對大理石建筑的危害等。

五、優點

(1)整個硫的燃燒過程、SO2性質的驗證過程、SO2的被吸收過程，都在密閉裝置中進行，符合化學自制教具的管道化、封閉化的走向特點。

(2)操作簡單、現象明顯、安全可行，可隨時控制反應的發生和停止。

(3)材料簡單、成本低，所用儀器規范，符合儀器化的特點。

(4)該探究儀知識容量大，探究功能齊全，氣體發生裝置還可用于空氣中氧氣含量的測定、質量守恒定律、燃燒條件的探究等實驗。

六、拓展

該探究儀可供初中、高中化學實驗使用。初中化學中“硫的燃燒”實驗、“分子運動”實驗以及高中化學中“NO2，H2S氣體的制備”等實驗。

著名的教育家蘇霍姆林斯基說過：“在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望感到自己是一個發現者、研究者、探索者。而在兒童的精神世界中，這種需要特別強烈。”一個人如果有了積極的科學情感和旺盛的探究熱情，他的能力就會提高得很快，知識面會很快拓寬與深化[2]。如果能在平時的教學活動中滲透一種思想：科學探究永無止境，科學的路上要鍥而不舍，并通過各種方式將學生心靈深處的那種希望挖掘出來，激發學生的探究熱情，使科學探究的種子在他們的內心深處生根、發芽。

[1]義務教育化學課程標準(2011年版)解讀[M].北京:高等教育出版社,2012.

[2]鐘啟泉.課程的邏輯[M].上海:華東師范大學出版社,2008.