固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體的演示裝置設(shè)計

葉永謙　張賢金　吳新建　葉燕珠

摘要：針對啟普發(fā)生器類裝置無法實現(xiàn)一種固體與多種液體反應(yīng)或者無法在反應(yīng)前后對固體進(jìn)行洗滌的問題，利用帶n形彎管的改進(jìn)型恒壓漏斗、三角漏斗等儀器設(shè)計出可實現(xiàn)固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體的演示裝置。對如何使用該演示裝置進(jìn)行了說明，同時以鋁與冷水反應(yīng)為例作進(jìn)一步分析。該演示裝置可以實現(xiàn)對固體的洗滌，還可以對氣體進(jìn)行收集、檢驗和實現(xiàn)尾氣處理，操作簡便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保。

關(guān)鍵詞：固體；多種液體；連續(xù)反應(yīng)；制備氣體；演示裝置設(shè)計

文章編號：1005-6629（2016）1-0074-03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

實驗室采用固液相反應(yīng)不加熱制氣體的實驗裝置很多，一般是啟普發(fā)生器或相關(guān)簡易裝置。但是啟普發(fā)生器這類裝置的局限就是固體只能和一種液體反應(yīng)，無法實現(xiàn)一種固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)或者反應(yīng)前后對固體的洗滌。如鋁與冷水反應(yīng)需要對鋁條進(jìn)行多次洗滌，就無法在該類裝置中進(jìn)行。在該實驗設(shè)計中，使用筒形分液漏斗配合三角漏斗、橡皮導(dǎo)氣管、止水夾、燒杯等作為演示裝置（見圖1）。其中筒形分液漏斗（見圖2）因裝置下端設(shè)計有玻璃活塞，可以通過控制該活塞達(dá)到多次換液的目的。但是在實際操作中，由于橡皮導(dǎo)管老化問題，導(dǎo)致一段時間后均需更換，且止水夾對氣流的控制效果不理想。為了解決以上問題，通過對恒壓漏斗進(jìn)行改裝，配合其他儀器，可以設(shè)計出操作簡便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保的裝置，用于演示固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)不加熱制備氣體并對氣體進(jìn)行收集、檢驗和實現(xiàn)尾氣處理。

1.實驗儀器

實驗儀器：帶n形彎管的改進(jìn)型恒壓漏斗，三角漏斗，燒杯，鐵架臺，鐵夾，單孔橡皮塞。

其中帶n形彎管的恒壓漏斗是整套裝置的關(guān)鍵儀器，在普通恒壓漏斗（見圖3）的基礎(chǔ)上進(jìn)行四處改裝：一是將原來水平伸出的支管改為n形彎管，目的是為了保證液體可以充滿瓶體，使排液法收集到的氣體更純凈；二是在支管處多安裝了一個玻璃活塞，用于控制氣體的流速；三是下端外管不使用磨砂玻璃，直接用普通玻璃管，內(nèi)管長度大于外管，防止可能的沉積物堵住外管（見圖4）；四是將漏斗容量定為100毫升，既保證演示效果又節(jié)約藥品。

2.實驗裝置圖

在圖5所示實驗裝置中，改進(jìn)后的恒壓漏斗用于盛放塊狀固體，三角漏斗用于加入液體反應(yīng)物，反應(yīng)產(chǎn)生的難溶性氣體收集在恒壓漏斗中。玻璃活塞1用于控制液體從內(nèi)玻璃管多次流出，達(dá)到固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)或洗滌的作用。玻璃活塞2作為尾氣吸收裝置的控制開關(guān)，用于將產(chǎn)生的氣體反復(fù)收集后通過外玻璃管通入燒杯中。通過以上裝置，可以實現(xiàn)固體與多種液體反應(yīng)并收集、檢驗、吸收難溶性氣體，演示效果好。

3.使用說明

3.1氣體的收集

將塊狀難溶性固體反應(yīng)物放在帶n形彎管的恒壓漏斗中，往三角漏斗中加入液體反應(yīng)物并充滿瓶體。反應(yīng)生成的氣體將液體壓入三角漏斗中，氣體收集在n形彎管的恒壓漏斗上部。通過三角漏斗中液面的上升可以直接觀察到有氣體的生成。

3.2可燃性氣體的驗證

若收集到的氣體具有可燃性，可以在燒杯中加入溶有洗滌劑的水至沒過外玻璃管下管口，打開玻璃活塞2后，三角漏斗中液面下降，將氣體壓出，并在燒杯中溶有洗滌劑的水面上形成氣泡。用燃燒的木條火焰靠近氣泡，可以觀察到氣泡燃燒起來并伴有爆鳴聲。因首次排出的氣體中混有導(dǎo)管中的空氣，爆嗚聲顯得清脆。再次關(guān)閉玻璃活塞2，待三角漏斗中液面上升到一定高度后，重復(fù)以上操作，由于此時排出的氣體較為純凈，爆嗚聲顯得沉悶。使用以上方法比直接燃燒氫氣現(xiàn)象明顯且能確保安全，直接燃燒氫氣前要先驗純，否則可能爆炸，燃燒時也只有視覺的體驗。而使用以上方法后，不驗純也不會出現(xiàn)安全事故，只是爆鳴聲音更響亮而已，同時有視覺上的燃燒和聽覺上的爆鳴聲的體驗，學(xué)生印象更為深刻。

3.3可燃性氣體的尾氣處理

打開玻璃活塞1，讓漏斗中液體全部流入燒杯中，關(guān)閉該活塞。再打開玻璃活塞2，往三角漏斗中緩慢加入蒸餾水，將瓶體中的氣體全部趕入燒杯中在液面上形成氣泡，再用燃燒的木條火焰將氣泡全部燃燒掉。

3.4有毒氣體的尾氣處理

如收集到的氣體有毒，必須進(jìn)行吸收處理，可在燒杯中裝吸收液至沒過外玻璃管下管口，打開玻璃活塞2控制氣體流速，使氣體緩慢進(jìn)入燒杯中的吸收液，確保完全吸收。

3.5固體的洗滌或液體的稀釋

如固體反應(yīng)物需用溶液進(jìn)行前期處理（如必須洗滌后再與其他液體反應(yīng)），可通過兩個玻璃活塞進(jìn)行控制。如液體反應(yīng)物反應(yīng)一段時間后必須加水稀釋再演示，可以先打開玻璃活塞1讓濃溶液流出一部分，關(guān)閉該活塞后再往三角漏斗中加蒸餾水進(jìn)行稀釋。

4.使用實例

演示鋁與冷水反應(yīng)生成氫氣，并實現(xiàn)氫氣的收集、檢驗和尾氣處理（見圖6）。

4.1檢驗氣密性

按圖6將儀器安裝好后，關(guān)閉玻璃活塞1、2，往三角漏斗中加入一定量水，若三角漏斗內(nèi)外存在液面高度差且不變，說明氣密性良好。

4.2鋁條的處理

往燒杯中加入溶有洗滌劑的飽和硫化鈉（因部分氧化為單質(zhì)硫呈黃色）至沒過外玻璃管下管口，關(guān)閉玻璃活塞1，打開玻璃活塞2，往帶n形彎管的恒壓漏斗中加入鋁片，裝上三角漏斗，往三角漏斗中加入5%氯化汞溶液充滿瓶體，關(guān)閉玻璃活塞2。

4.3氯化汞溶液的處理

當(dāng)觀察到鋁條與氯化汞溶液劇烈反應(yīng)時，立即打開玻璃活塞1，使溶液全部流入硫化鈉溶液中形成硫化汞沉淀。由于飽和硫化鈉中有單質(zhì)硫存在，可以與流出的單質(zhì)汞反應(yīng)生成硫化汞。

4.4鋁條的洗滌

待漏斗中溶液全部流出后，往漏斗中加入蒸餾水洗滌鋁條，反復(fù)三次。

4.5鋁與水反應(yīng)及氫氣的收集

鋁條洗滌后，關(guān)閉玻璃活塞1，往三角漏斗中加入蒸餾水至充滿瓶體，關(guān)閉玻璃活塞2。鋁與蒸餾水反應(yīng)，表面有氣泡冒出，溶液變白色渾濁，產(chǎn)生的無色氣體將溶液壓入三角漏斗中。

4.6檢驗氫氣

打開玻璃活塞2，三角漏斗中液面下降，將氫氣壓出，并在燒杯液面上形成氣泡。用燃燒著木條火焰靠近氣泡，氣泡燃燒起來并伴有清脆爆嗚聲。再次關(guān)閉玻璃活塞2，待三角漏斗中液面上升到一定高度后，重復(fù)以上操作，由于所得氫氣較為純凈，爆鳴聲顯得沉悶。

4.7尾氣處理

方法與使用說明相同。

5.裝置優(yōu)點

使用本裝置對固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)不加熱制備氣體進(jìn)行演示，具有以下優(yōu)點。

5.1填補(bǔ)空白

目前實驗室尚無此類裝置，填補(bǔ)了演示裝置的一項空白，解決了啟普發(fā)生器類裝置及筒形分液漏斗連接橡皮導(dǎo)管存在的不足。

5.2現(xiàn)象明顯

通過三角漏斗中液面的上升直觀感受難溶性氣體的生成，通過可燃性氣體形成的氣泡的燃燒和爆嗚聲，對學(xué)生形成視覺和聽覺上的沖擊。

5.3操作簡便

只需簡單控制玻璃活塞，即可實現(xiàn)氣體的產(chǎn)生、收集、檢驗、尾氣處理和固體的洗滌、液體的稀釋等操作。整個實驗一氣呵成，演示時間一般不超過五分鐘，適合在課堂上演示。

5.4綠色環(huán)保

帶n形彎管的恒壓漏斗容積設(shè)計為100毫升，既保證演示效果又節(jié)約藥品，下端外玻璃管浸入燒杯中的溶液可用于有毒氣體的有效吸收。