化学气体实验一体化装置的新改进

摘要： 应用连体五通阀、活塞可固定式螺口注射器和注射器针头等材料对中学化学教材所涉及的常见气体制备和性质实验的反应装置进行改进。新改进的装置集制备、性质、除杂、尾气处理等功能于一体，还可以半自动化地完成一定体积气体的收集以及一些较为精准的气体定量实验，适合开展学生实验，且有效克服现有一体化实验装置在便捷性、通用性和功能性等方面存在的不足，为气体的制备和性质实验的改进提供了新参考。

关键词： 气体制备和性质; 一体化实验装置改进;实验探究

文章编号： 1005-6629（2022）05-0072-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出： 要重视开展“素养为本”的教学，开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的结构化设计，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力[1]。然而在教学实践中，尤其是中学化学教材所涉及的气体制备和性质实验，却往往会遇到实验仪器较为复杂、实验操作难度较高、有毒有害气体易泄露、实验耗时太长课堂无法完成等问题。不仅导致学生分组实验的效率不高，不利于实验教学的开展，也不利于学生科学素养的培养。为此，不少教育工作者，尤其是一线教师，对教材中一些常见气体的制备和性质实验进行了创新设计和改进[2～5]，取得了较好的教学效果，但仍然存在一些不足有待改进。如有的一体化装置往往仅适用于某单一气体的制备与性质实验，通用性较差;有的一体化装置仍然较为复杂，操作难度大;有的一体化装置只能完成一些定性实验，对一些定量实验无能为力。针对以上存在的问题，本研究设计制作了一套化学气体一体化实验装置，该装置主要由连体五通阀、活塞可固定式螺口注射器和注射器针头组成，并具备以下特点： （1）装置简单、操作方便，特别适合学生自己动手开展实验探究活动;（2）通用性好，能够适用于NO2、 NO、 Cl2、 SO2、 C2H4等多种中学化学教材所涉及的气体制备与性质实验;（3）功能多样化，不仅可以完成气体制备、性质、除杂、尾气处理等实验，而且实验过程中可以完成气体半自动化收集、可以随时添加或更换相关反应物、可以精准控制气体体积进行相关定量实验，还可以结合数字化传感器使用，以完成更多的实验教学活动。

1 实验装置

如图1所示，本实验装置的连体五通阀上设有三个开关阀门和五个螺口连接处，活塞可固定式螺口注射器设有金属活塞，金属活塞上设有两个可固定螺母，分别置于注射器的内、外侧。注射器主体上设有螺口旋盖，旋开螺口旋盖后即可调节内侧螺母的位置。活塞可固定式螺口注射器及注射器针头均可通过螺口与连体五通阀相连接。

实验前，连体五通阀上的a、 b、 c阀门均处于关闭状态，在各注射器中分别加入相应的反应试剂，将注射器及注射器针头与连体五通阀相连，调节连体五通阀上的相关阀门，并可通过调整用于收集气体的注射器中金属活塞上的内侧固定螺母，从而定量控制反应中该注射器所收集到的气体体积。实验时，推动装有液体反应试剂的注射器活塞，使制取相关气体的反应物相互接触，反应开始;当收集到目标体积的气体后，由于金属活塞已通过内侧固定螺母固定，故可以利用气压将液体反应物自动排出该注射器，实现固液分离，反应停止。完成气体收集后，调整连体五通阀上的相关阀门及注射器相关螺母，可通过抽、推连接在连体五通阀上相关的注射器对气体进行除杂、性质反应以及尾气处理，并可利用连接在连体五通阀上的注射器针头进行可燃性气体的点燃试验。调节已收集有气体的注射器的外侧螺母还可以更为便捷地在气体相关性质实验中实现一定体积气体的注入。此外，根据具体实验需要也可以通过调节内、外两侧螺母将注射器活塞完全固定。实验中，还可通过调节连体五通阀上的相关阀门，取下相应的注射器添加或调换所需反应物;也还可根据实际需要对本实验装置再进行扩展，如在原连接注射器针头处通过螺口改为连接另一个连体五通阀等。

2 实验方法和现象

利用本气体制备与性质实验一体化装置主要可以半自动化地完成指定体积气体的收集实验、一体化性质实验以及一些较为精准的气体定量实验。

2.1 指定体积的气体收集实验

利用图1装置进行NO2、 NO、 CO2、 H2等气体制备实验时，由于反应物为块状固体与液体，该装置可以通过控制块状固体与液体反应物之间是否接触来控制反应的发生与停止，从而实现气体自动化收集。实验前，取液体反应物（如浓/稀硝酸、稀盐酸、稀硫酸等）于注射器A中，取块状固体反应物（如铜片、碳酸钙、锌粒等）放置于注射器B中，并调节注射器B的固定螺母至目标体积刻度。实验时，调节阀门a使注射器A、B相通，并将注射器A中的液体反应物推至注射器B，反应开始。待气体收集至目标体积刻度处，由于螺母的固定作用，注射器B内的气体气压会将液体推回至注射器A，达到固液分离，反应停止，最后调整关闭阀门a，即可完成指定体积气体的半自动收集。当制取Cl2、 SO2等气体时，若采用粉末状固体（如高锰酸钾、亚硫酸钠等）与液体（如浓盐酸、浓硫酸等）为反应物，或制取C2H4、 HCl等气体时采用液体（如乙烯利溶液与浓氢氧化钠溶液或浓硫酸与浓盐酸等）为反应物时，图1装置也可实现指定体积的气体收集。实验前，取液体反应物置于注射器A，取粉末状固体/液体反应物置于注射器B，并调节B的固定螺母至目标体积刻度。实验时，调节阀门a并将A中液体推至B，待生成的气体收集至目标体积刻度，B内的气体气压会将液体或混有固体粉末的液体反应物推回至A。调整阀门a以及b或c，可以让注射器A与注射器C或D相通，通过控制A上的固定螺母，则可继续完成C或D中指定体积的气体收集。

2.2 一体化性质实验

完成气体的制备与收集后，学生可继续进行气体一体化性质实验的探究活动。例如乙烯性质实验，注射器B中收集有C2H4气体，锁定阀门a，将A替换成盛有酸性高锰酸钾溶液的注射器，C中盛有溴水，校准后的无线二氧化碳传感器则通过密封圈固定于注射器D主体上。通过调节阀门a和b，仅使注射器B、 C相通，将B中一定体积的C2H4通入C中，观察到溴水逐渐褪色，与乙烯发生了加成反应（CH2CH2+Br2CH2BrCH2Br）;通过调节阀门a、 b和c的锁定方向，仅使注射器B与针头1处相通，则可以在注射器针头1处进行乙烯气体点燃实验;通过调节阀门a、 b和c的锁定方向，仅使注射器A、 B相通，则可以将B中C2H4气体通入A，可观察到酸性高锰酸钾溶液逐渐褪为无色（5C2H4+12KMnO4+18H2SO412MnSO4+10CO2+28H2O+6K2SO4）。根据实验需要还可反复抽推注射器A几次，使反应充分进行;将反应生成的CO2气体抽推至注射器B中，通过调整阀门a、 b和c，使已抽取有CO2气体的注射器B和注射器D处的无线二氧化碳传感器相通。通过采集数据，可观测到CO2气体浓度先明显增加，后渐渐趋于平缓，从而直观地验证了前述反应中有CO2气体生成的事实。利用可视化的数字实验手段验证反应产物，既解除以往教学过程中学生对是否生成CO2气体的存疑，又引导学生形成通过实验来解决化学问题的观念[6]。根据呈现的实验事实和现象，学生也能更好地理解为什么除去甲烷（或乙烷）中的少量乙烯一般选择溴水而非酸性高锰酸钾溶液。

若注射器B中收集有Cl2，将注射器C、 D中液体替换成饱和NaCl溶液、浓硫酸等，学生则可利用本实验装置对制备的Cl2进行除杂与干燥操作等。调整阀门a和b，仅使注射器B、 C相通，推动活塞将B中Cl2通入C中，可除去Cl2中的HCl，推动C的活塞，将液体推回B中，则C中剩余为除去HCl的Cl2。调整阀门b和c，仅使注射器C、 D相通，推动活塞将C中Cl2通入D中，对Cl2进行干燥，推动D的活塞，将液体推回C中，则完成了Cl2的干燥。若需进行尾气处理，学生可将图1注射器针头1处替换成盛有NaOH溶液的注射器或者外接袋等装置。完成气体除杂和干燥操作后，可在B、 C处替换上装有其他试剂的注射器，如NaBr溶液、KI溶液、Na2S溶液、FeCl2和KSCN混合溶液等，进行一系列氯气相关性质的实验探究活动。

若注射器B中收集有SO2，将注射器C、 D中试剂替换成酸性高锰酸钾溶液、品红溶液等，学生则可进行SO2性质实验探究。通过调节阀门a和b，仅使注射器B、 C相通，可将B中一定体积的SO2通入C，观察到酸性高锰酸钾溶液褪色，SO2表现出还原性。调节b和c，断开与注射器C的连接，使B、 D相通，推动B的活塞，将一定体积的SO2通入D中，观察到品红溶液褪色。接着使用电吹风加热D处片刻，溶液会再出现红色，冷却后溶液又褪色。说明SO2与品红溶液作用生成不稳定的无色物质，受热后又分解生成品红，直观的实验现象能在动手操作的过程中给学生留下更深刻的印象，也有利于对这部分知识的学习理解和实践应用。学生也可以将C、 D中试剂替换成紫色石蕊试液和碘的淀粉溶液等继续探究SO2的相关性质。和Cl2相似，实验结束后也可根据需要进行相关尾气处理操作。

此外，NO、 NO2、 NH3、 HCl等气体的性质、除杂、尾气处理等一体化实验也能通过本装置来实现。

2.3 气体定量实验

除了能实现制备、除杂、性质和尾气处理外，连体五通阀和活塞可固定式螺口注射器的特殊设计，还能让学生感受定量探究实验的功能和乐趣，且直观性强、证据突出，有利于证据推理意识和变化观念的培养。以NO2、 NO气体性质实验为例，当连接在连体五通阀上的注射器B中收集有3体积NO2（室温），C中盛有蒸馏水，先调整a、 b仅使注射器B、 C相通，推动B的活塞，将NO2通入注射器C中，为使反应充分，可再推动C的活塞，反复数次，可观察到B、 C中红棕色气体逐渐变为无色，注射器中气体体积读数逐渐由3体积（NO2）降至1体积（NO）处，发生了反应： 3NO2+H2O2HNO3+NO。实验过程中除了颜色变化显著，还能清晰地观察到气体体积的定量变化（3NO2→NO）。下一步在注射器D中装有1体积O2（室温），同时调整b和c，使注射器D和B相通，推动注射器D的活塞，将O2注入B中，发生反应： 2NO+O22NO2，B中气体颜色逐渐加深，由无色变成红棕色，注射器中气体体积读数逐渐由3体积气体（2NO+O2）变成了2体积（2NO2）。当连接在连体五通阀上的注射器B中收集有4体积NO2（室温），C中盛有蒸馏水，D中装有1体积O2（室温），可以在实验开始时调整a、 b和c，使注射器C、 D和B相通，松开B活塞上的固定螺母，同时推动B和D的活塞，可观察到C中最终基本没有气体剩余，恰好发生反应： 4NO2+O2+2H2O4HNO3，而当改变B、 D中气体的体积比例时，则可观察到C中最终有气体剩余。此外，NO、 O2和H2O、 CH4与Cl2、 H2S与SO2等反应也可采用上述方法进行定量探究。

在探究实验中，我们通常需要运用控制变量法来保证实验的科学性，然而在气体实验中使用控制变量法有时并不容易，存在气体体积难以精准控制等问题。但利用本装置却能较好地完成此类实验。例如当注射器B内盛有经过除杂和干燥处理的Cl2时，可以在注射器C、 D中分别装有等体积的H2O和NaOH溶液，学生可探究相同体积Cl2与H2O、 NaOH反应的异同。此外，利用本实验装置还可以探究相同体积的Cl2在水中和饱和食盐水中溶解性情况的差异、相同体积的CO2在水中和饱和NaHCO3溶液中溶解性情况的差异等。实验过程既能精准控制气体体积用量进行对照试验，又能清晰地观察实验现象，操作简单又安全环保。

3 改进和创新之处

（1） 有效解决了以往一体化改进装置在通用性、操作性和功能性等方面存在的问题，利用一套简单的装置较好地实现中学化学教材所涉及的多种气体制备和性质的一体化实验。活塞可固定式螺口注射器的设计，能实现指定体积气体的收集和一些定量探究实验的开展。改进后的装置也便于教师、学生操作和使用，易于推广。

（2） 能结合气体、压强等数字传感器的使用，在实验中融入现代信息技术，建立“宏-微-符-图”四重表征。以直观的实验数据和现象为证据，培养学生证据推理意识和能力，提升模型认知能力。

（3） 改进后的装置灵活多变、功能性强，能满足多元化的实验设计，除了气体体系，也可应用于粗盐提纯中可溶性离子的除杂、模拟纯碱工业生产等主题的实验。

4 结语

本研究关于一体化装置的改进较好地解决了现有装置在便捷性、通用性和功能性等方面存在的问题，让学生能更多地动手参与实验，体验科学探究的过程;将化学知识学习和能力素养发展有机结合起来，有效推动了化学实验教学的开展，为气体制备和性质实验的改进提供了新思路。当然，通过本次实验装置的创新改进也在一定程度上丰富了当前基础教育装备管理与研究工作内涵，将以往的被动管理转为主动创新，为推动基础教育装备管理与研究工作转型、促进基础教育装备适应新时代化学教学改革与发展的需要提供了一定的参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 5.

[2]苏雨禾. 氯气制备及性质检验实验的一体化设计[J]. 实验教学与仪器， 2021， （7）： 66～67.

[3]刘江， 洪俊华， 赵宁东， 徐怀春. 气体制备及性质验证综合一体化创新设计[J]. 化学教学， 2021， （2）： 62～66.

[4]赖徐英， 葛仲厦， 解亚丽. 二氧化硫性质的一体化微型实验设计[J]. 实验教学与仪器， 2021， （3）： 42～43.

[5]李德前， 魏海， 张羿. “铜与稀硝酸反应”一体化实验设计[J]. 化学教学， 2020， （9）： 70～72.

[6]王程杰. 对中学化学实验教学作用的重新认识[J]. 教学仪器与实验， 2001， （4）： 4～6.