危險化學試劑發(fā)樣器的研制與實驗教學應用

李 芳, 翟玉平, 韓 杰

(1. 南開大學 化學學院, 天津 300071；2. 南開大學 化學國家級實驗教學示范中心, 天津 300071)

在基礎實驗教學中,學生剛剛接觸危險化學試劑,對危險化學試劑的特性、實驗操作安全和防護了解不全面,存在著很大的安全隱患[1]。為此,利用實驗室現(xiàn)有條件和資源,通過自主研制實驗裝置,輔助學生安全操作。

1 危險化學試劑發(fā)樣器裝置及原理

該裝置主要由3部分組成,如圖1所示,上半部分為恒壓滴液漏斗,中部為自主研制的危險化學試劑發(fā)樣器,見圖2,下半部為學生使用的反應燒瓶。為保證實驗安全性,3個部分的設計均采用磨口連接。整個操作在密閉環(huán)境條件下進行,沒有氣體、液體的溢出,防止了直接接觸危險化學試劑的可能。

危險化學試劑發(fā)樣器依據(jù)物理學中“倒虹吸原理”[2]及借鑒索氏提取器[3]部分結構而研制,選用玻璃或石英材質，便于觀察,也有很好耐腐蝕性。危險化學試劑發(fā)樣器分為夾套內、夾套外。夾套內為倒虹吸結構,危險化學試劑從恒壓滴液漏斗中不斷流入到危險化學試劑發(fā)樣器中,當蓄積一定量時,會發(fā)生顯著變化,“倒虹吸現(xiàn)象”出現(xiàn)(此刻旋停恒壓滴液漏斗開關)。自動排空虹吸管內的危險化學試劑,使其流入到學生使用的反應燒瓶內。這個“蓄積—定量”是根據(jù)學生實驗課要求及所使用的化學試劑的性質有關,經(jīng)過反復實驗驗證所設定。

圖1 整套裝置圖2 試劑發(fā)樣品

是否能夠發(fā)生“倒虹吸現(xiàn)象”是于虹吸管的長度、粗細及危險化學試劑比重密切相關(申請實用性專利中)。夾套外設計有進、出水口。根據(jù)危險化學試劑的特性,通入冷水以降低溫度,防止危險化學試劑揮發(fā),影響量取危險化學試劑的準確性；通入熱水為防止有些危險化學試劑結晶,堵塞虹吸管影響實驗教學正常進行。同時,也起到了保護虹吸管的作用。

2 解決實驗教學中的4個問題:

2.1 保護實驗室安全環(huán)境

學生量取危險化學試劑的操作過程在封閉狀態(tài)下進行,危險化學試劑一旦進入學生使用的反應燒瓶,立即與其他反應物發(fā)生化學反應[3],生成新的化合物,消除了其危害性和實驗室的污染源。另外,加強對危險化學試劑總量的控制,將整包裝的危險化學試劑分別加入危險化學試劑發(fā)樣器裝置中,杜絕將危險化學試劑帶出實驗室的現(xiàn)象,避免了污染室外環(huán)境。

2.2 消除學生對使用危險化學試劑的恐懼心理

眾所周知,大多數(shù)危險化學試劑都具有很強腐蝕性[4],許多學生在思想上有安全顧慮,造成實驗操作縮手縮腳,影響實驗教學效果。改變過去在量取危險化學試劑時“粗放式”操作方式,將自主研制危險化學試劑發(fā)樣器實驗裝置運用到實驗教學中,讓學生對新、舊兩種量取方式的比較,幫助學生恢復信心，消除恐懼[5],只要按照實驗教師要求,規(guī)范化的操作,借助實驗儀器、實驗裝置、實驗操作有安全保障。

2.3 省去實驗教師發(fā)放危險化學試劑的環(huán)節(jié)

基礎實驗教學的特點:學生人數(shù)多,實驗操作能力參差不齊，在使用危險化學試劑過程中,一旦誤操作極易發(fā)生安全教學事故。大多數(shù)實驗教師采用替代學生操作方式,增加了實驗教師勞動強度,減少了學生操作機會。現(xiàn)在運用危險化學試劑發(fā)樣器實驗裝置,每位學生都獨立完成整個量取操作過程。實驗教師將更多精力指導學生搭建實驗裝置,解決學生實驗反應過程中發(fā)生問題。

2.4 節(jié)約實驗教學經(jīng)費

危險化學試劑發(fā)樣器制造成本低廉,材質具有很好的耐腐蝕性,使用周期長,無能源消耗,日常維護安裝非常簡便。另外危險化學試劑發(fā)樣器具有定量功能,避免學生盲目多取危險化學試劑,造成后續(xù)需要用其他化學試劑中和或還原，增加了不必要的實驗步驟。

3 結語

近年來,從實驗教學需求出發(fā),圍繞學生安全操作,自主研制不同類型的實驗裝置,例如:危險化學試劑量取步驟——研制危險化學試劑發(fā)樣器(正在申請專利),避免學生操作直接接觸危險化學試劑；減壓過濾步驟——利用帶有聚四氟旋塞的三通替代簡化了實驗裝置；減壓蒸餾步驟——將真空泵轉入到帶有降低噪音的箱體中,降低了實驗室內的噪音,消除了真空泵高速旋轉時存在的安全隱患[6]；樣品烘干步驟——研制數(shù)字顯示烘干器[7](2006年獲得專利),降低能源消耗,提高了工作效率。這些實驗裝置的研制,為學生安全操作提供了技術上保障。