密封性气体实验装置的新改进

马力 赵雯

摘要： 在遵循教学目标的前提下，以课程标准和学科核心素养为导向，针对教材中NO2与N2O4的平衡移动实验、氯化氢（HCl）气体的制取与喷泉实验、NO等多种气体的制取与性质实验进行密封性实验装置的改进。改进后的实验操作简便、试剂微量化、现象明显、安全环保，便于学生进行分组实验和探究实验。

关键词： 密封性气体实验; 实验装置改进; 吸嘴袋; 实验探究

文章编号： 10056629（2020）05006904

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

高中化学探究元素化合物的相关性质时，往往需要通过实验对氯气、二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、氯化氢、乙烯等气体的制备与性质进行研究与探索。但在实际教学中存在的不足之处是，这些实验通常需要较大的药品用量，气体收集准备时间及气体性质验证时间相对较长，气体收集储存及实验过程中比较容易泄漏造成空气污染等。因此，在长期的教学中，对于该部分气体实验，学生主要是通过教师演示、多媒体课件或以讲代做等低效甚至不讲成效的方式来学习和掌握相关的实验技能和操作性知识。即使有机会动手实验，学生也只是按照教材上的实验步骤去机械模仿。这不仅不利于培养学生实验的兴趣，而且更难以培养学生的学科思维和科学素养。长此以往，学生的实验操作技能和探究创新能力都将受到严重抑制，这显然与培育学生核心素养的目标相悖[1]。

对化学实验装置的优化和改进是为了更好地体现教与学的关系，改进后的实验旨在使实验用品消耗更少、实验过程更环保、实验操作更简便、实验现象更明显、实验结果更易于学生接受，同时激发学生进行实验设计和创新的欲望，更好地培养学生的创新精神和对社会、对未来的责任感，以及环境保护意识和可持续发展的观念[2，3]。其实随着课程改革的不断推进，化学实验的教学功能和价值不再局限于知识和技能的掌握，而是朝着促进学生全面发展、提升化学核心素养的方向改革。教材中的经典演示实验或学生活动，均建立在大量实证研究的基础上，有着意义深刻的教育教学功能和育人价值，促进学生对基本化学知识和实验基本技能的掌握。因此，笔者认为密封性气体实验装置的改进应以立足教材为前提，即改进后的实驗必须要能承载化学实验的功能和价值、实验背后所蕴含的意义以及知识的传递作用和立德树人价值。当然，更重要的是在实验中要关注学科思维和方法的渗透，最大程度地发挥实验在化学教学中的作用。

那么，如何通过改进实验装置，使得教材中的气体实验既环保又易于操作呢？从环保的角度考虑，实验应该在密闭装置内完成;从学生能够动手实践的角度考虑，实验装置应该简单实用。鉴于此，本研究设计制作了一套操作简便、现象直观、绿色环保的密封性气体实验装置，很好地解决了上述问题。该装置主要由吸嘴袋、注射器、密封塞组成（如图1所示），并结合脱脂棉、塑封袋、热封袋器、干冰喷雾等使用。利用密封塞和注射器的简单组合，既可以对吸嘴袋进行抽气处理，又可以向吸嘴袋中注入液体、气体反应物等，结构简单、通用性强、无环境污染、实验现象明显，适用于各类气体及需要密封条件较好的实验。

1 实验仪器及用品

密封塞、旋塞、注射器、可固定活塞注射器、吸嘴袋、脱脂棉、塑封袋、热封袋器、长针头、烧杯、水浴锅、滴管、干冰喷雾、加厚透明PS塑料真空密封罐（网上有售）

2 实验试剂

浓H2SO4、浓HCl、 KMnO4固体、溴化钾溶液、紫色石蕊溶液、品红溶液、铜片、浓HNO3、稀HNO3、乙烯利溶液、NaOH、红墨水等

3 实验方法和现象

3.1 NO、 NO2的相关性质及NO2与N2O4的平衡移动实验

NO、 NO2气体是两种重要的氮的氧化物，二者均有毒，传统实验往往耗时长、污染大，不利于学生开展NO、 NO2气体性质及NO2与N2O4平衡移动的探究。基于此，笔者对实验进行如下改进。

向2个吸嘴袋中各加入少量铜片后，用密封塞将吸嘴袋密封，并用注射器抽取出吸嘴袋中空气。随后再分别用注射器吸取约1mL浓硝酸、2mL稀硝酸注入2个吸嘴袋中。可以明显观察到，加有浓硝酸的吸嘴袋中迅速产生大量红棕色气体NO2，而加有稀硝酸的吸嘴袋中则产生无色气体NO。

将加有浓HNO3的吸嘴袋升温，可观察到袋内NO2气体颜色明显变深。用干冰喷雾对其迅速降温，则可观察到气体颜色瞬间变浅至几乎无色。用注射器向加有稀HNO3的吸嘴袋中注入少量空气后，可以观察到气体变为红棕色。继续用注射器注入少量水后，红棕色的气体变浅至几乎无色。注入空气和水的实验操作可循环交替进行。

在进行NO2与N2O4平衡移动实验探究时，将收集有NO2的吸嘴袋放入真空密封罐中，通过抽气与注入空气的操作来改变密封罐内的压强，并可借用手机app软件如“颜色识别器”“TouchColor”等观察到吸嘴袋中气体颜色出现的相应变化。以“颜色识别器”app为例，对密封罐进行抽真空操作时可观察到颜色数值（R值、G值和B值）呈现先变小后逐渐增大的趋势，而向密封罐中重新注入空气后，可观察到R值、G值和B值呈现先变大然后逐渐变小的趋势。学生可在实验过程中思考数值变化的原因，培养他们辩证思维和分析解决实际问题的能力。

该实验把气体的发生装置与性质实验装置合并起来，可以减少实验中有毒气体的外逸，有效地减少对环境的污染。课堂上用上述方法进行铜与稀硝酸、铜与浓硝酸反应的实验，试剂用量少，实验成功率高，还可多次使用。由于改进后的实验操作简单、现象明显，适合课堂上学生分组实验。

3.2 氯化氢（HCl）气体的收集与喷泉实验

氯化氢喷泉实验是高中化学实验中一个生动有趣的实验，它将物理性质和化学性质融为一体，从而形象生动地证明了氯化氢易溶于水的事实，促进了学生对于氯化氢物理性质和化学性质的认知。但是传统的喷泉实验在操作上存在诸多弊端，如实验前期准备比较繁琐、需要大量药品、受天气影响、易泄露造成污染、成功率低等。传统的喷泉实验装置已难以满足学生进行实验探究的需求，故笔者将实验改进如下。

先向吸嘴袋中加入约1mL浓硫酸后，用密封塞将吸嘴袋密封，并用注射器抽取出吸嘴袋中空气且尽量抽尽。然后再用注射器吸取约1mL浓盐酸注入吸嘴袋中，可观察到吸嘴袋迅速膨胀，产生大量的HCl气体。取用该气体时，可用注射器抽取所需用量。

进行喷泉实验操作时，用带有活塞固定功能的注射器抽取约8mL HCl气体后，将注射器活塞处固定，并迅速用橡胶帽（塞）替换下针头，使注射器密封。然后再取一支较长的针头，先将其底部放置于装有有颜色水的烧杯中，并使针头穿过橡胶帽插入装有HCl气体的注射器（如图2所示），便可观察到喷泉现象。本装置也同样适用于氨气等气体的喷泉实验。

3.3 Cl2、 C2H4的收集与性质实验

氯气有毒，少量逸出就会使人感到呼吸困难。传统实验往往污染大，不利于学生开展氯气性质的探究实验。因此，笔者对实验进行如下改进。

向吸嘴袋中加入约2g KMnO4粉末后，用密封塞密封，并对吸嘴袋内空气进行抽气处理且尽量抽尽。随后再注入约2mL浓盐酸，可以观察到发生反应吸嘴袋迅速膨胀，产生大量黄绿色气体。整个实验氯气控制在“零泄漏”水平。当取用该气体时，可用注射器抽取所需用量。

进行氯气性质实验探究时，将紫色石蕊溶液和品红溶液分别注入两块小脱脂棉中，并将脱脂棉与之前充满氯气的吸嘴袋一起放入塑封袋中，用热封袋器密封。隔着塑封袋打开吸嘴袋密封塞，使少量Cl2进入塑封袋，可以观察到氯气与脱脂棉中各试剂的反应现象。当然，氯气性质实验探究中也可加入沾有其他试剂的脱脂棉进行实验，如淀粉碘化钾溶液、溴化钾溶液、氯化亚铁与硫氰酸钾混合液等。

本实验将氯气制备与氯气的性质实验整合在一个密封装置中，有效防止有毒气体的逸散。学生可全程参与实验，并在较短的时间内从整体上掌握氯气的制备和性质，锻炼培养学生的实验能力。改进后的实验所用的药品和实验次数大大减少，避免了实验过程中的重复操作，節约了课堂时间。整个反应装置是密闭的，没有氯气逸出，对环境几乎没有污染。中学里一些有毒气体的制取与性质实验也可以参考该思路进行设计，如SO2、 H2S气体等。

该装置同样适用于C2H4气体的制取与性质实验，制取时只需将固体替换为NaOH，液体改为乙烯利溶液。进行性质探究实验时，可用注射器抽取少量乙烯气体后再用该注射器吸取酸性高锰酸钾溶液、溴水溶液等，可明显快速地观察到褪色现象。另外，也可用注射器从吸嘴袋中抽取乙烯气体进行燃烧实验，可观察到明亮火焰并伴随有少量黑烟。

4 实验改进和创新之处

（1） 本密封性气体实验装置将高中化学教材中有毒、有害气体的制备与性质的实验装置简单化、试剂微量化，具有操作简便、现象直观、较绿色环保等优点。利用本密封性气体实验装置进行实验，既可以增强学生的环保意识，又可以提升学生科学探究与创新意识。

（2） 教材中涉及的HCl气体的制取和收集实验，往往需要较长的时间。为了节约课堂时间HCl气体一般需要提前准备并密封保存，但是受制取时气体浓度与装置密封性、空气湿度等多方面影响，实验效果有时并不尽如人意，而且在制取过程中消耗药品较多、产生刺激性气味也较大。但通过使用本密封性实验装置，教师可以在课堂教学中利用少量浓硫酸和浓盐酸现场制备氯化氢气体，仅需短短几秒，就能收集大量HCl气体，且气体纯度高、对空气污染小，大大缩短了实验的时间，提高了课堂教学的时效性。当需要进行喷泉实验时，可随时用注射器抽取所需气体用量进行实验，操作简便，现象清晰明显，学生也可在课堂上自己抽取氯化氢气体并完成喷泉实验，且不易受天气的影响，实验成功率高。

（3） 在以往教学过程中，铜与稀硝酸的反应是在试管中进行的，一方面产生的气体容易污染空气，另一方面反应产生的NO气体很容易和空气接触产生红棕色NO2气体，造成学生对NO气体的颜色经常产生误解。而通过使用本密封性实验装置，既能减少气体逸出污染，又能最大程度地避免NO气体与空气接触生成NO2。另外，通过本装置制取所得NO气体还可以直接进行相关性质实验，只需通过注射器往吸嘴袋中加入少量空气，就可以清晰看到无色气体（NO）变为红棕色（NO2）;再继续加入少量水，又可以观察到红棕色气体（NO2）又逐渐变为无色（NO），且可多次循环操作。实验操作简单快捷、反应迅速、现象明显，十分便于学生操作与探究。

5 结语

本文针对高中化学实验教学中涉及的部分有毒、有害气体进行密封性气体实验装置的改进。新改进的装置操作简便、现象明显、绿色环保，具有一定的推广价值。将该装置应用于NO2与N2O4的平衡移动实验、HCl等气体的喷泉实验以及NO、 NO2、 Cl2、 C2H4等气体的制取与性质相关实验的教学中，便于学生亲自动手实践与操作，主动参与构建相关知识，激发学习兴趣。在完成教学目标的同时，进一步发展学生的核心素养。

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）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 1.

[2]王世朋， 王程杰. 中学化学实验的微量化研究[J]. 教学仪器与实验， 2009， （2）： 10～13.

[3]李光珍. 五个高中化学实验的微量化改进[J]. 化学教学， 2014， （5）： 55～57.