模拟工业制备盐酸演示实验装置的再设计

叶永谦　叶燕珠　张贤金　严业安

摘要： 针对模拟工业制备盐酸的演示实验装置的不足之处，基于STEAM理念从实验仪器、操作步骤、控制条件等进行再设计。利用新设计的实验装置，以氯化钠为原料，实现氢气和氯气的制备、氯化氢的合成和检验、氢气的验纯和尾气处理等多种功能。新的实验兼有仪器简约、操作便捷、现象可视、过程环保等优点，有助于提高实验教学的效果。

关键词： 模拟盐酸工业制法; STEAM理念; 实验装置改进; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2020）03-0076-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

在教材电解饱和食盐水实验的基础上，增添氯化氢合成炉模拟装置，可以成功演示盐酸的生产过程[1]。就像工程机械一样，每一件演示装置其设计总是在实践中不断完善的。该装置在具体课堂演示过程中，也出现了需要再完善之处： 比如因整套装置较为复杂，存在简约性不够的问题（见图1）;因操作步骤较为繁杂，存在课堂演示费时较长的问题;因气体燃烧时间较短或者不够顺畅，存在可视化程度不够高的问题。

图1  原工业制备盐酸演示装置示意图

科学的创新往往源于形象思维而终于逻辑思维，艺术家的形象思维一般属于不同事物的大跨度联想，对艺术家的形象思维成果进行严密的数学推导或严谨的科学验证，则属于科学家的逻辑思维，STEAM教育理念实现了这两种思维的整合对接。基于STEAM理念的设计必须满足装置简约化、现象可视化、过程环保化、体验艺术化的要求[2]，最终达到让学生在课堂演示实验中既“看得懂”“看得清”又“放心看”“喜欢看”的目的。为此，从实验仪器的再设计和操作步骤的再优化入手，对工业制备盐酸演示装置进行再设计。

1  从科学、技术与工程入手，设计实验仪器

1.1  杯形容器下加装支管，解决盐酸的收集过程无法演示的问题

在原演示装置中，氯化氢生成后产生的白雾罩在倒扣的三角漏斗内，直接在杯形容器中加滴有洗洁精和酚酞的氢氧化钠溶液，通过白雾的生成和酚酞的褪色证明有氯化氢生成，但无法收集氯化氢溶于水后得到的盐酸。为了解决这个问题，在杯形容器下加装带有玻璃活塞的支管（见图2），用于将氯化氢溶于水后制得的盐酸导出到烧杯中收集，也方便在杯形容器中换用各种液体。

图2  在杯形容器下加装支管示意图

1.2  改进电解容器，解决仪器复杂问题及安全隐患问题

原演示装置的复杂性在于U形管较大，而且无法独立支撑，必须制作专用的底座才能固定住。为了解决这个问题，将大号U形管改为筒形平底三口烧瓶，其中两侧标准接口用来插入连接管，中间接口用橡皮塞塞住（见图3）。为了能够插入长的碳棒及三角漏斗下管，连接管下口设计为外磨24/29标准接口与三口烧瓶对接;上口设计为内磨40/38。大口径是为了方便使用大号橡皮塞，留有足够位置插入碳棒、三角漏斗下管及导气管。长度设计为20cm，目的是将碳棒限制在连接管内，有效杜绝氢气与氯气混合爆炸的隐患。选用三口烧瓶而不用双口烧瓶，还基于万一出现因气压较大时，三口烧瓶的中口塞着的橡皮塞可以及时跳出减小压力，确保實验安全（见图3）。

图3  用筒形平底三口烧瓶加连接管代替大号U形管示意图

2  从科学和艺术入手，设计实验操作过程

2.1  巧妙利用产物氢氧化钠溶液，解决氯化氢的验证和多余氯气的处理问题

在原演示装置中，氯化氢的验证是使用pH试纸贴在广口瓶内观察其颜色的变化，现象虽有但距离较远的学生无法观察到;处理多余氯气的方法是在阳极管外加支管将氯气导入装有氢氧化钠溶液的烧杯中，装置较为复杂。从艺术的角度再设计，可以巧妙地利用阴极区三角漏斗中的产物氢氧化钠溶液。往三角漏斗中的溶液滴加酚酞后变红，用针筒取用20毫升红色溶液注入杯形容器中，再往杯形容器上套上广口瓶，将装置生成的氯化氢气体或氯气限制在该溶液中。摇动广口瓶，即可通过观察溶液红色的消失检验氯化氢的生成和处理多余的氯气。在实际操作中，可以往杯形容器中再滴入少许洗洁精，广口瓶摇动时可能有少量气体逸出，洗洁精形成的肥皂泡刚好可以将这些气体吸收处理。整个设计使操作更加简捷，装置更加简单，通过溶液颜色的变化使反应现象更加明显，展示了化学的艺术之美。

2.2  巧用洗洁精形成氢气气泡，解决氢气的验纯和尾气处理问题

在原演示装置中，是通过收集氢气做爆鸣实验对氢气进行验纯，但现象不够明显;演示结束后，多余的氢气导入肥皂水中形成肥皂泡点燃除去。借鉴上述氯气的尾气处理方法，可以取用三角漏斗中的红色溶液20毫升，滴入少许洗洁精。往燃烧管外套上一个小广口瓶，打开氢气导管玻璃活塞，将阴极区产生的气体通入肥皂水中形成气泡。点燃气泡，如出现清脆的爆鸣声，说明氢气不纯。反复二至三次后，当气泡燃烧时出现轻微而低沉的“噗”的一声时，说明氢气是纯净的。反应结束后，使用相同的方法，将氢气尾气排到上述肥皂水中形成气泡，再进行燃烧处理。再设计后的氢气验纯和尾气处理方法相同，现象更加明显，操作更加安全，燃烧后美丽的火焰更是为学生带来美的体验。

3  从科学和数学入手，再设计实验控制条件

3.1  计算电流强度，解决电解速度慢及热的饱和食盐水配制时间问题

为了提高演示实验的效果，设计时必须关注现象的清晰度和操作的简练性[3]，方便教师在几分钟内将实验目的、实验原理、仪器药品、操作步骤、实验结果等讲解清楚。原演示装置因电解速度慢、需现场配制热的饱和食盐水，导致课堂演示时间较长。为了解决这个问题，运用物理、化学和数学知识，从电解的电流强度计算入手，寻找更合理的实验条件。假设在5分钟的电解时间内，必须制得112毫升（换算为标准状况）的氢气，则直流电源必须在该时间内提供至少960库仑的电量。加上电解过程中部分电能转化为热能，平均电流必须达到3.2安培。经过计算后，将学生电源换为60V直流电源，即便使用常温下的饱和食盐水，电解速率也得到明显提高，解决了课堂时间不足的问题。当然，使用该电源要注意安全问题，因此在改进中使用绝缘套套住石墨电极裸露在外的部分，确保实验安全。

3.2  测算气泡冒出速率，解决氢气燃烧不够顺畅问题

原演示装置还存在一个“如何测算氢气进入燃烧管的速率，确保氢气顺畅燃烧”的问题。因为氢气进管速率如果太小，无法顺利燃烧;如果太快，燃烧时间又太短，现象不够明显。解决这个问题的方法只有通过实践的摸索寻找合适的流速。经过不断探索，终于找到判断氢气流速的方法，即计算氢气从小广口瓶中冒出气泡的速率。当氢气从小广口瓶中冒出气泡8秒内可均匀达到20个气泡时，氢气即可顺畅燃烧，即氢气可持续燃烧的流速应为气泡2.5个/秒。测算的时机可以选择在氢气验纯时，通过控制连接氢气的玻璃活塞和止水夹完成。

4  再设计装置的操作步骤及实验现象

经过以上基于STEAM理念的再设计（见图4），新的演示装置更加简单、操作更加方便、现象更加清晰、过程更加环保、体验更加深刻，实现了化学的科学之美、艺术之美的有效融合。具体步骤及实验现象如下。

图4  新的基于STEAM理念设计的演示装置示意图

4.1  气密性检验

按图4装置装配好仪器后，关闭活塞，往三角漏斗中加入蒸馏水。一段时间后，蒸馏水无法流下且三角漏斗内外存在液面高度差且保持不变，说明装置气密性良好。

4.2  饱和食盐水的配制和注入

配制1500mL饱和食盐水待用。两个电极先插入连接管但橡皮塞不塞紧，打开活塞，往三角漏斗中注入饱和食盐水至液面离两个连接管的上管口各1cm处。塞紧两个橡皮塞，通过往三角漏斗中加入少量饱和食盐水调节液面至充满两个连接管。

4.3  饱和食盐水的电解

接通可调压直流电源，电压控制为60V，开始电解，两极均有明显的气泡冒出。电解一段时间后，左管收集到大量氢气，右管收集到的氯气较少，产生的气体将溶液压入三角漏斗中。

4.4  氢气的验纯及流速的测算

收集到大量氢气后，往三角漏斗中滴加几滴酚酞溶液，三角漏斗中溶液变为红色，证明该溶液中含有氢氧化钠。使用注射器吸取该红色溶液20mL注入合成炉的杯形容器中，再滴入几滴洗洁精后搅拌均匀。电解过程中，三角漏斗中氢氧化钠浓度不断升高，导致酚酞分子结构发生变化[4]，粉红色会褪去。此时应注意引导学生对比实验现象，关注酚酞变红及褪色的原因。通过对课堂生成的新问题进行实证研究，培养学生实事求是的科学态度和认识量变引起质变的科学素养。

杯形容器注入氢氧化钠溶液后，往燃烧外管上扣上一个小广口瓶，打开活塞1，使一定量的氢气进入广口瓶在瓶外的液面上形成氢气肥皂泡。点火，无明显现象，因排出的首先是广口瓶中的空气。再排出气泡，并计算气泡冒出速度是否达到2.5个/秒。点火，有尖锐的爆鸣声，说明所收集氢气不纯，原因在于导管中有空气存在。重复以上步骤，直到听到沉闷的“噗”的一声，说明氢气已经纯净，可以安全燃烧。

4.5  氯化氢气体的合成及检验（选用步骤）

如果实验的目的是更清楚地观察和检验氯化氢的生成，可选用本步骤。氢气验纯后，取出套在燃烧管外的小广口瓶。打开活塞1，点燃氢气，氢气在外管口安静地燃烧。再打开活塞2，氯气进入内管助燃，火焰呈苍白色（见图5）。使用蒸馏水润湿过的集气瓶，罩在火焰上方并使瓶口没入液体中。此时有大量白雾出现，火焰熄灭，关闭活塞1、2。摇动集气瓶，使白雾与滴有酚酞的氢氧化钠溶液接触。一段时间后，瓶中白雾基本消失，紅色褪去，说明有盐酸生成。摇动过程中可能有少量氯化氢气体逸出，滴入的洗洁精可以有效地将这些逸出的气体粘住，防止污染空气。

图5  引发氢气在氯气中燃烧实验装置实物图

4.6  氯化氢气体的合成及盐酸的收集（选用步骤）

如果要演示收集氯化氢溶于水制得的盐酸，可选用本步骤。氢气验纯后，取出套在燃烧管外的小广口瓶。打开活塞3，用烧杯接住流出液体。再使用蒸馏水洗涤杯形容器，关闭活塞3。往杯形容器中加入20毫升蒸馏水，用于吸收合成后的氯化氢气体制备盐酸。打开活塞1，点燃氢气，氢气在外管口安静地燃烧。再打开活塞2，氯气与氢气接触后燃烧起来，火焰呈苍白色。

将蒸馏水润湿过的集气瓶倒扣在火焰上方并使瓶口没入液体中，有大量白雾出现，关闭活塞1、 2，火焰熄灭。摇动广口瓶，使白雾与蒸馏水充分接触，一段时间后，广口瓶中白雾基本消失。打开活塞3，即可用烧杯承接吸收氯化氢气体后的盐酸溶液（见图6）。

图6  检验氯化氢并收集盐酸实验装置实物图

4.7  尾气的处理

演示结束后，还有多余的氢气和氯气残留在连接管中。因氯气的处理需要再加入氢氧化钠溶液，所以先处理氯气。取下集气瓶，打开活塞3流出杯形容器中的液体注入废液缸。再用注射器吸取三角漏斗中的液体20mL注入合成炉的杯形容器中，滴入酚酞呈红色，再滴入几滴洗洁精后搅拌均匀，扣上广口瓶。打开活塞2，往三角漏斗中加入蒸馏水增大压强，使右管中的氯气全部进入杯形容器中。摇动集气瓶，直至瓶中红色逐渐褪去。氯气处理后，关闭活塞2，打开活塞1，往三角漏斗中加入蒸馏水增大压强，使左管中的氢气全部进入杯形容器中形成氢气肥皂泡，点燃肥皂泡将氢气除去，实验完成。

在化学教育中引进STEAM理念，通过让学生运用跨学科知识解决实际问题，尝试将所学知识及技术应用于创新探究活动，有助于学生化学学科核心素养的发展[5]。本实验的再设计正是基于STEAM理念，不但从科学的角度做到让学生看得懂设计原理、从技术和工程的角度让学生看得清实验装置和实验现象，而且从艺术的角度让学生体验实验的感官享受、从数学的角度总结实验的条件控制和数据的分析，将有利于学生科学素养和人文素养的提高。

参考文献：

[1]叶永谦， 张贤金， 吴新建. 工业制备盐酸演示装置的设计[J]. 化学教育（中英文）， 2019， 40（7）： 85～87.

[2]叶永谦， 张贤金， 吴新建. 铜与浓、 稀硝酸连续反应演示实验的再改进[J]. 化学教学， 2016， （7）： 60～61， 64.

[3]沈伟艺. 试论如何提高化学课堂演示实验效果的途径[J]. 厦门大学学报（自然科学版）， 2011， 50（S1）： 192～194.

[4]崔文辉， 陈强， 贾如琰， 聂龙英. 酚酞指示剂变色反应的几种常见机理[J]. 山东化工， 2018， 47（23）： 90～92， 96.

[5]严文法， 芦瑾， 金普军. 基于6E设计型学习模式的STEAM活动设计——以青铜器文物除锈为例[J]. 化学教学， 2018， （11）： 61～65.