超声技术在中学实验中的应用

2019-05-15

中国现代教育装备 2019年6期

关键词：蒸馏水空化电解

一、教具的特点及用途

1.特点

(1)本教具是跨学科的综合教具，主要是将综合实践活动与高中物理、化学、生物等学科课程打通，以系列超声实验为载体，为高中学生开展综合实践活动和自主学习创造了平台。

(2)本教具以中学实验室常用材料进行拓展设计，走出了一条效率高、成本低的前沿科学实验教学道路，对推动实验教学的改革起到一定的促进作用，教具装置如图1所示。

图1 超声技术在中学实验中应用实验装置

2.用途

本教具用途包括：(1)超声清洗小型实验仪器，(2)超声搅拌，(3)超声促进电化学实验研究，(4)超声促进溶解实验，(5)超声促进固液反应实验，(6)超声乳化实验，(7)超声雾化原理演示，(8)利用超声雾化进行气、液化学反应，(9)超声生热实验演示，(10)探究超声对植物种子发芽影响，(11)探究超声对植物生长的影响。

二、教具的制作材料

超声波发生器，频率为40 kHz，功率为60 W；超声雾化发生器，工作频率为1.7 MHz，功率25 W；可调速气体循环泵220 V，150 W；自制超声雾化反应装置；电解实验装置，由数字万用表、玻璃缸、碳棒、开关及电池等组成；自制气体收集装置，由4个广口瓶、管路开关、2个滴定管等组成；自制超声加速溶解对比装置；点温计等。

三、教具的制作方法

1.40 kHz超声发生器制作

如图2所示，将40 kHz，60 W陶瓷片换能器与超声发生器电路板连接，两块陶瓷片中间的接线片为正极，靠上下金属柱的为负极，不得接反。陶瓷片上的银层不耐高温，焊电源线时烙铁的温度不可超过280℃，最好采用恒温烙铁，将烙铁温度设定为250℃即可；然后将陶瓷片换能器上较大的一面(有螺孔)粘在超声反应池底，反应池要可靠接地。

图2 40 kHz超声发生器装置

2.1.7 MHz超声雾化发生器制作

将超声雾化器电源板与雾化板连接，雾化板上的4个插口从左到右正确接法为：电位器B5K(3针)，干簧管(2针)，指示灯、双色灯(3针)，电源输入(2针)左负右正；然后将雾化板上的雾化片拆下通过接线柱安装在自制的超声雾化反应装置上(如图3所示)。

图3 1.7 MHz超声雾化发生器装置

3.可调速气体循环泵制作

将220 V调压器与150 W空气循环泵串接在电路中，旋转电位器旋杆，即可起到调速的作用(如图4所示 )。

图4 可调速气体循环泵装置

4.超声发生装置将超声波发生器、超声雾化器及循环泵组装在一起(如图5所示)。

图5 自制超声发生装置

5.自制超声实验装置

自制一些超声实验装置，如超声电解、超声溶解、超声固液反应、超声雾化、超声乳化、超声声热等(如图6所示)。

图6

四、教具的使用方法

1.超声清洗小型实验仪器

实验室内的仪器对清洁度的要求很高，像上面残留的粉尘、颗粒、化学残渣等一系列污渍，如清洗不慎，就会发生意想不到的化学反应，本教具可以利用超声波清洗实验室小型仪器(如图7所示)。化学仪器超声波清洗是应用超声波在液体中的空化作用、微射流作用对液体和污物间接、直接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。

图7 超声清洗玻璃仪器

2.超声搅拌

在做液体需要搅拌的实验时，有时反应时间很长，利用超声的机械效应可实现搅拌功能。超声搅拌是微米级的搅拌，具有搅拌均匀、没有死角、效率高、气泡少的特点。本教具可用于超声搅拌，如图8所示是利用超声搅拌加速高锰酸钾在水中溶解的过程。

图8 超声搅拌实验

3.超声电解氢氧化钾溶液

如图9所示，将2节干电池、数字万用表、开关及电解池连接起来就构成了电解装置，数字万用表调至电流挡，接通电源，电流表的示数可以反映电解的速率。本教具可演示超声能够加大电解氢氧化钾溶液速率的实验。在超声池中加入适量的水，将KOH溶液加入电解池中，电解池置于超声池中，接通电源后发生如下反应。

阳极：4OH--4e-=2H2O +O2↑

阴极：4H++4e-=2H2↑

(或4H2O+4e-=2H2+4OH-)

总反应：2H2O=2H2↑+O2↑

图9 超声电解实验

在无超声作用时，吸附在电极表面的气泡体积小，由于流体静压力效应，很难脱离电极表面，故只有生成体积较大的气泡才能脱离电极表面并排出液体相，这实际上减小了电极表面积，增大了传质阻力。而在超声作用下，电极表面的气体被迫结合成体积较大的气泡而随超声振动迅速地脱离电极表面，从而增加了电极的实际表面积，强化了传质过程，提高了电化学反应速率。

利用图9装置还可以研究KOH溶液浓度对超声电解速率的影响，表1是研究超声电解KOH溶液电解电流相对增长与KOH溶液浓度关系时采集的数据及图像(如图10所示)。

表1 超声电解KOH溶液电解电流相对增长与KOH溶液浓度关系研究

图10 超声电解KOH溶液电解电流相对增长与KOH溶液浓度关系研究

实验表明，超声能促进KOH溶液电解速率，电解速率随KOH溶液浓度增加而减小。在KOH溶液浓度为0.016%时，超声作用最为显著，有超声电解电流是无超声作用时的1.6倍。

4.超声电解实验室一次蒸馏水

利用上述装置还可以电解实验室的一次蒸馏水，图11、图12是实验中电流随时间变化的图像。由图可知无超声作用时，电解电流逐渐减小，有超声作用时电解电流迅速增大。这其中一个原因是实验室一次蒸馏水含有一些杂质，超声空化作用能使蒸馏水中的水分子裂解产生氢自由基和羟基自由基。羟基自由基氧化能力极强，能与大多数有机污染物发生快速的链式反应，无选择性地把有害物质氧化成CO2，H2O或矿物盐。从另一个角度证明利用超声可以有效降解有机废水。

图11 超声电解实验室一次蒸馏水电解电流随时间变化图

图12 超声电解实验室一次蒸馏水电解电流相对增加流量随时间变化图

5.超声促进固液反应实验

如图13所示，将左右广口瓶中各加10 g左右大理石，0.3 mol/L稀盐酸20 mL，反应方程式为CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑，用25 mL滴定管收集二氧化碳气体。开始时两瓶生成二氧化碳速率几乎相同，将一称有大理石的广口瓶置于超声水池中，会发现生成二氧化碳速率大大增加。

在化学反应进行过程中，超声辐射作用于液体、固体界面处的空化与纯液体中的空化有很大的区别，由于液体中的声场是均匀的，所以气泡在崩裂过程中会保持球形，而靠近固体表面的空化泡崩裂时为非球形，气泡崩裂时会产生高速的微射流和冲击波，射流束的冲击可以造成固体表面凹蚀，并可除去表面不活泼的氧化物覆盖层。在固体表面处，因空化泡的崩裂产生的高温、高压能大大促进反应的进行。

图13 超声促进固、液反应实验

6.超声促进溶解实验

如图14所示，将等质量明矾晶体KAl(SO4)2·12H2O挂于天平两端，并将明矾置于盛水的烧杯中，一侧有超声作用，另一侧无超声作用。一段时间后发现超声作用的明矾溶解加快，质量变小，天平倾斜，同时可观察到超声对晶体的孔蚀作用。超声促进溶解主要是“空化效应”引起的。

图14 超声促进明矾溶解实验

7.超声乳化实验

柴油和水不能互溶，在超声作用下可以形成柴油的乳浊液。如图15所示，取2支试管加入等量的水，然后滴入等量的柴油。将一支试管放入40 kHz超声池中作用约一分钟，取出振荡可观察到柴油在水中的乳化现象。燃油掺水超声乳化燃烧技术在国内已推广应用多年。该过程中不需添加乳化剂，乳化油中水珠粒径达1 μm左右，取得了节能6%～25%、减少烟尘40%～90%的效果。

图15 超声促进柴油在水中乳化实验

8.利用超声雾化进行气、液化学反应

利用压电陶瓷所固有的超声波振荡特点，通过一定的振荡电路手段与压电陶瓷固有振荡频率产生共振，就能直接将与压电陶瓷接触的液体雾化成1～3 μm的微小液滴。在雾化过程中将释放大量的负离子，可吸附空气中飘浮的烟雾、粉尘等使其沉淀。此外加入适量添加剂还能有效去除甲醛、一氧化碳、细菌等有害物质，使空气得到净化。本教具可演示利用超声雾化进行气、液化学反应。例如除去空气中SO2气体时，可利用超声将碱液雾化与之反应(如图 16所示 )。

用亚硫酸钠与浓硫酸反应制取二氧化硫，用湿润pH试纸检测(或用湿润品红试纸)。

Na2SO3+H2SO4→Na2SO4+SO2(g)+H2O

超声雾化氢氧化钠溶液与SO2反应，反应生成的盐可以是正盐，也可以是酸式盐，还可能是正盐和酸式盐的混合物。

2NaOH+SO2(少量)=Na2SO3+H2O，NaOH+SO2(过量)=NaHSO3

同时观察到pH试纸颜色由红变黄。