調光式甲烷取代反應演示器

　　研究背景
　　現行高中《化學》（人教版）第2冊第5章第1節“甲烷”中，要求進行甲烷取代反應的實驗演示。常用的實驗裝置如圖1所示，由鐵架臺、鐵夾、玻璃水槽和100mL的大量筒等組成。實驗時需使用飽和食鹽水多達約1000mL，連同實驗裝置，總重約5kg。老師要扛著這套裝置去上課，會感覺很費勁。這個實驗操作也很復雜，手要接觸飽和食鹽水，弄不好，量筒中的飽和食鹽水還會流出來，空氣也會溜進去，影響實驗效果。一般天氣，這個實驗需要耗時10～20min，而且只能看到10～20mm的飽和食鹽水柱，遇到陰雨天氣，就根本看不到實驗現象。這個實驗也是高中化學最難做的實驗之一。
　　綜合上述分析，本實驗存在的問題有：
　　裝置笨重，操作復雜；
　　試劑用量多；
　　反應慢、現象不明顯；
　　實驗效果易受陰雨天氣影響。
　　研制思路
　　要減輕裝置的重量，減少試劑的用量，就必須去掉鐵架臺和玻璃水槽，用φ20mm、長200mm玻璃管代替100mL量筒，用60mL廣口瓶代替玻璃水槽，省去了鐵架臺，也減少了試劑的用量，這樣就大大減輕了裝置的總重量；為了縮短反應時間和不受陰雨天氣影響，就必須在新的實驗裝置中增加光源，并設計吸排系統和調光裝置。這樣，既能簡化操作又能夠改善實驗效果。
　　?制作材料
　　塑料管，塑料板，60mL廣口瓶，φ20mm、長200mm玻璃管，注射器，塑料導氣管，橡皮筋，膠塞，雙孔插管，氣體調節閥，LED發光管，調光按鈕，三通管，粘膠，螺絲釘等。
　　制作方法
　　用塑料導管、膠塞和雙孔插管把注射器、玻璃管、廣口瓶連接起來，套上氣體調節閥，制作成有吸排系統的反應裝置，見圖2。
　　用塑料管、塑料板、LED發光管、調光按鈕制作成光源座，見圖3。
　　把反應裝置放進光源座中，把橡皮筋固定在注射器上方并拉住注射器活塞下方，即制成了一個調光式甲烷取代反應演示器，如圖4。
　　完成的實驗裝置外觀見圖5。
　　
　　圖1
　　
　　圖2
　　
　　圖3
　　
　　圖4
　　
　　圖5
　　
　　圖6
　　使用方法
　　在廣口瓶中注入50mL飽和食鹽水，把反應裝置放進光源座中，關閉進氣調節閥，把注射器活塞壓至底部，松開手，飽和食鹽水被自動吸滿玻璃管，把氯氣袋和甲烷袋分別接在三通管上，打開進氣閥和氯氣閥，用排飽和食鹽水收集玻璃管4/5體積的氯氣，關閉氯氣閥，打開甲烷閥，收集甲烷至排完飽和食鹽水為止，即得到甲烷與氯氣的體積比為1∶4，按下調光按鈕，調至適宜亮度，3～5分鐘即可看到50～100mm高的飽和食鹽水柱（為方便學生觀察，可在飽和食鹽水中滴入幾滴1mol/L的KMnO4溶液，把溶液調成紅色），見圖6。取下反應裝置，可看到玻璃管壁上有油滴。這一現象說明隨著反應的進行，玻璃管內的壓強減小，氣體總體積減小，并生成了新的油狀物質（CH2Cl2、CHCl3、CCl4等），CH3Cl為氣體。
　　本項目特點
　　本裝置設置了調光光源和吸排系統，用玻璃管代替了量筒，用廣口瓶代替了玻璃水槽。整個裝置小巧玲瓏，操作簡單，省時省力，現象明顯，安全環保，實驗不受天氣影響，填補了該項實驗儀器的空白。
　　該項目獲得第26屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。
　　專家評語
　　項目原理科學性強，思路明確清晰，針對中學化學教學中較難進行的反應，以巧妙的構思和合理的設計明顯地改善了實驗的效果。綜合來看，本項目的成果是一件非常成功的科教制作作品。
　　發明的緣起
　　9年級化學教材中關于電解水的實驗裝置原理如圖1所示。該實驗雖然結構簡單，但在實驗過程中，手要與電解液接觸，而且每組實驗的用水量較大，不能體現綠色化學的教育理念。有時，教師也常用霍夫曼式電解器進行實驗（如圖2），霍夫曼式電解器由于價格昂貴、易破損等因素，推廣應用受到一定的限制。因此，很多學校都沒有讓學生進行該實驗。據有關調查表明，全世界每年要消耗上百億只一次性塑料打火機，而一次性塑料打火機使用完后通常都被人們當作廢棄物扔掉，這無疑是一種巨大的資源浪費，且對環境是一種巨大的危害。從節約資源和保護環境出發，筆者對一次性塑料打火機進行了研究，發現它的內部結構正好可以代替電解槽進行水的電解實驗。