藕節式氣體發生器的設計及應用

葉永謙

啟普發生器是中學化學常用的制氣裝置，它通過控制固體與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、不適宜加熱或反應劇烈等不足。為了解決以上不足，我將固體與多種液體連續反應制備氣體的演示裝置與啟普發生器固液分離設計精髓相結合，設計出了藕節式氣體發生裝置。

設計思路

解決容積過大問題

由于啟普發生器有250、500、1000、2000毫升等規格，在課堂演示或分組實驗中往往要浪費大量的藥品。為了節省藥品，可將其葫蘆型底座改為100毫升藕節式，保留其固液分離設計理念；再將上部球形漏斗改為三角漏斗，使改裝后的儀器既節省藥品，又是實驗室常見儀器，不至于使學生難以理解和接受。

解決固體洗滌問題

啟普發生器底座設計的初衷應是可以直接放在實驗臺上，從而導致反應液無法從底部排液，因此無法對反應過的固體進行洗滌或者換用其他反應液進行多次實驗。為了解決這個不足，我借鑒分液漏斗的設計思路，將底座改為半球形并加裝控制液體流出的玻璃活塞。

解決無法加熱問題

由于啟普發生器的葫蘆式結構及底部是平面的設計，導致無法對其進行加熱。為了解決這個問題，我針對藕節式主體結構尋找加熱裝置，要求該裝置必須能夠對豎直的玻璃管進行加熱。經過尋找，我發現硅橡膠加熱套裝可以解決這個問題。

藕節式氣體發生器的組成和功能

在以上設計思路啟發下，經過6代修改、實踐和再調整，我最終設計出第6代發生裝置，由于發生器形狀類似于藕節，整套裝置命名為藕節式氣體發生裝置。

藕節式氣體發生裝置由藕節式氣體發生器、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，實驗裝置示意圖如圖1，實物圖如圖2。其中，藕節式氣體發生器上節管為發生裝置和集氣裝置，下節管外包裹有硅橡膠加熱套。硅橡膠加熱套連接數顯溫控儀，用于控制加熱溫度。倒扣的塑料漏斗及燒杯部分屬于尾氣吸收裝置，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。

以上裝置中，藕節式氣體發生器是整套儀器的核心部分，其示意圖見圖3。該發生器中部是藕節式雙節管，秉承啟普發生器固液分離設計精髓。上節管用于盛放塊狀固體反應物，反應開始后氣體收集在上節管，因此上節管既做發生裝置又做集氣裝置。下節管作為貯液裝置，氣體產生后，上節管液體被壓入下節管，下節管液體則被壓入三角漏斗。通過控制玻璃活塞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°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之一，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與另一種液體反應。反應結束后，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。

該裝置借鑒了啟普發生器固液分離設計理念，使用脫脂棉包裹粉末狀固體可以實現粉末狀固體反應時與液體脫離；使用硅橡膠加熱套裝可以實現對反應進行加熱；結合分液漏斗下管液體流出設計思路可以實現對固體反應物進行洗滌、一種固體與多種液體反應等新功能。設計了倒扣的塑料漏斗等處理廢液廢氣，使用植物油覆蓋法避免有毒氣體散發，確保裝置演示時安全無污染。可以演示硫化氫、氧氣、氨氣、氯氣、一氧化氮、二氧化氮等氣體的制備、收集、檢驗、尾氣處理等過程，展示了該裝置設計巧妙、使用方便、適用廣泛、綠色環保的特點。

創新點

固液脫離方式的創新

藕節式設計上的創新：按照固液分離時的相對運動狀態不同進行分類，藕節式氣體發生器屬于液離式改進類型。但與常見的液離式改進不同，該發生器傳承了啟普發生器葫蘆式節管分離固體和液體的設計精髓，且方便制作和使用。

粉末狀固體的處理方式上的創新：對于粉末狀固體，只需用棉花或者小紗袋將其包住放在上節管，即可實現固液脫離，使該儀器的使用范圍明顯拓寬。

綠色環保方面的創新

綠色環保功能創新：藕節式氣體發生器容積為100毫升，普通啟普發生器有250、500、1000、2000毫升等規格，藕節式氣體發生器可以節約至少一半藥品。更重要的是，藕節式氣體發生器還具有避免氣體污染的功能。反應發生后，氣體溶解在上節管中，液體達到飽和即能將下節管液體壓入三角漏斗。由于下節管液體基本不含或者少含有氣體，進入三角漏斗后盡管壓強減小，也不會有氣體逸出，可以避免空氣污染。

廢液廢氣處理的創新：與固體與多種液體連續反應制備氣體的演示裝置相同，本發生裝置同樣設計了倒扣的塑料漏斗，可以將有害氣體全部控制在燒杯中慢慢吸收。發生器下端導氣外管口徑大于導液內管，也能讓氣體與燒杯中液體更充分接觸。導液內管長于導氣外管，可以避免反應液進入燒杯后可能生成的沉淀堵塞導氣外管，導致氣體無法順利導出造成安全隱患。

加熱方式的創新

在對藕節式氣體發生器加熱中，硅橡膠加熱套包裹在下節管，不影響上節管實驗現象的觀察。且加熱時溫度先升高的是下節管液體，根據對流原理，上節管液體溫度也能迅速上升，加熱速度較快，節約時間，適合在課堂演示實驗中使用。

該項目獲得第32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。

該項目原理科學，設計巧妙。經過數代修改，可以對多種氣體進行制備，體現出使用范圍廣泛、綠色環保的特點。作品制作規范，教學效果明顯，有示范推廣價值。希望該項目進一步改善和提高工藝。