藕节式气体发生器的设计及应用

叶永谦

启普发生器是中学化学常用的制气装置，它通过控制固体与液体的接触及分离实现反应的开始和停止，设计巧妙，使用方便。但启普发生器也存在试剂消耗量大、排空时间长、浪费多、配件用途小、不适宜加热或反应剧烈等不足。为了解决以上不足，我将固体与多种液体连续反应制备气体的演示装置与启普发生器固液分离设计精髓相结合，设计出了藕节式气体发生装置。

设计思路

解决容积过大问题

由于启普发生器有250、500、1000、2000毫升等规格，在课堂演示或分组实验中往往要浪费大量的药品。为了节省药品，可将其葫芦型底座改为100毫升藕节式，保留其固液分离设计理念；再将上部球形漏斗改为三角漏斗，使改装后的仪器既节省药品，又是实验室常见仪器，不至于使学生难以理解和接受。

解决固体洗涤问题

启普发生器底座设计的初衷应是可以直接放在实验台上，从而导致反应液无法从底部排液，因此无法对反应过的固体进行洗涤或者换用其他反应液进行多次实验。为了解决这个不足，我借鉴分液漏斗的设计思路，将底座改为半球形并加装控制液体流出的玻璃活塞。

解决无法加热问题

由于启普发生器的葫芦式结构及底部是平面的设计，导致无法对其进行加热。为了解决这个问题，我针对藕节式主体结构寻找加热装置，要求该装置必须能够对竖直的玻璃管进行加热。经过寻找，我发现硅橡胶加热套装可以解决这个问题。

藕节式气体发生器的组成和功能

在以上设计思路启发下，经过6代修改、实践和再调整，我最终设计出第6代发生装置，由于发生器形状类似于藕节，整套装置命名为藕节式气体发生装置。

藕节式气体发生装置由藕节式气体发生器、加热套装、三角漏斗、倒扣的塑料漏斗、烧杯、铁架台等几部分组成，实验装置示意图如图1，实物图如图2。其中，藕节式气体发生器上节管为发生装置和集气装置，下节管外包裹有硅橡胶加热套。硅橡胶加热套连接数显温控仪，用于控制加热温度。倒扣的塑料漏斗及烧杯部分属于尾气吸收装置，也可用于部分性质实验。硅橡胶加热装置及倒扣的塑料漏斗属于选配部分，视具体反应选择对应套装。

以上装置中，藕节式气体发生器是整套仪器的核心部分，其示意图见图3。该发生器中部是藕节式双节管，秉承启普发生器固液分离设计精髓。上节管用于盛放块状固体反应物，反应开始后气体收集在上节管，因此上节管既做发生装置又做集气装置。下节管作为贮液装置，气体产生后，上节管液体被压入下节管，下节管液体则被压入三角漏斗。通过控制玻璃活塞1，产生的气体可以顺着耳形弯管进入导气外管，最后在烧杯中进行性质实验或者尾气处理。也可以关闭玻璃活塞1，打开玻璃活塞2，直接将气体排出做性质实验。玻璃活塞2所在的支管与耳形导管所在的平面呈90°夹角，通过旋转角度可以只正面呈现支管或者耳形导管二者之一，防止干扰观察效果。实验过程中，可以通过控制玻璃活塞3实现对固体反应物的洗涤，或者让固体反应物与一种液体反应后将该液体排空继续与另一种液体反应。反应结束后，打开玻璃活塞3，液体通过排液内管进入燒杯进行废液处理。

该装置借鉴了启普发生器固液分离设计理念，使用脱脂棉包裹粉末状固体可以实现粉末状固体反应时与液体脱离；使用硅橡胶加热套装可以实现对反应进行加热；结合分液漏斗下管液体流出设计思路可以实现对固体反应物进行洗涤、一种固体与多种液体反应等新功能。设计了倒扣的塑料漏斗等处理废液废气，使用植物油覆盖法避免有毒气体散发，确保装置演示时安全无污染。可以演示硫化氢、氧气、氨气、氯气、一氧化氮、二氧化氮等气体的制备、收集、检验、尾气处理等过程，展示了该装置设计巧妙、使用方便、适用广泛、绿色环保的特点。

创新点

固液脱离方式的创新

藕节式设计上的创新：按照固液分离时的相对运动状态不同进行分类，藕节式气体发生器属于液离式改进类型。但与常见的液离式改进不同，该发生器传承了启普发生器葫芦式节管分离固体和液体的设计精髓，且方便制作和使用。

粉末状固体的处理方式上的创新：对于粉末状固体，只需用棉花或者小纱袋将其包住放在上节管，即可实现固液脱离，使该仪器的使用范围明显拓宽。

绿色环保方面的创新

绿色环保功能创新：藕节式气体发生器容积为100毫升，普通启普发生器有250、500、1000、2000毫升等规格，藕节式气体发生器可以节约至少一半药品。更重要的是，藕节式气体发生器还具有避免气体污染的功能。反应发生后，气体溶解在上节管中，液体达到饱和即能将下节管液体压入三角漏斗。由于下节管液体基本不含或者少含有气体，进入三角漏斗后尽管压强减小，也不会有气体逸出，可以避免空气污染。

废液废气处理的创新：与固体与多种液体连续反应制备气体的演示装置相同，本发生装置同样设计了倒扣的塑料漏斗，可以将有害气体全部控制在烧杯中慢慢吸收。发生器下端导气外管口径大于导液内管，也能让气体与烧杯中液体更充分接触。导液内管长于导气外管，可以避免反应液进入烧杯后可能生成的沉淀堵塞导气外管，导致气体无法顺利导出造成安全隐患。

加热方式的创新

在对藕节式气体发生器加热中，硅橡胶加热套包裹在下节管，不影响上节管实验现象的观察。且加热时温度先升高的是下节管液体，根据对流原理，上节管液体温度也能迅速上升，加热速度较快，节约时间，适合在课堂演示实验中使用。

该项目获得第32届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

该项目原理科学，设计巧妙。经过数代修改，可以对多种气体进行制备，体现出使用范围广泛、绿色环保的特点。作品制作规范，教学效果明显，有示范推广价值。希望该项目进一步改善和提高工艺。