新型多功能制气装置的设计

■杨月云

2012年版《义务教育化学课程标准修订稿》提出：“化学是一门以实验为基础的学科，在教学中创设以实验为主的科学探究活动，有助于激发学生对科学的兴趣，引导学生在观察、实验和交流讨论中学习化学知识，提高学生的科学探究能力。”化学实验集中体现科学精神和态度，具有非常丰富的教育价值和内涵，有利于发展学生的核心素养。而化学实验创新是化学教师对化学实验的深刻理解，也是对科学精神和核心素养的不懈追求。化学实验创新的根本目的是服务教学，服务学生，解决实验教学中存在的问题，让学生动手做实验，动脑思考，探究“为什么”。化学实验创新应该以学生的发展为本，做到时刻关注提升学生的核心素养。

实验室制取气体，要选择合适的发生装置。笔者研究的是反应物为固体和液体，反应条件为不需要加热的“固液不加热型”发生装置。此类发生装置在初中化学实验教学和中考题中有着举足轻重的位置，常年以四代经典装置出现在各类试题中，每一代都有其特有的优点，如图1。

但实验时，如果要达到不同的功能，就需要组装四套仪器；要考虑试管、锥形瓶与橡皮塞的吻合度，导管的选择，橡皮塞上打孔的位置、大小；分液漏斗因为经常使用、清洗，玻璃塞和活塞芯已有许多不能与分液漏斗配套，有时会漏液，导致无法操作；这些仪器多为玻璃制品，组装难度高，学生操作容易出现危险……四套装置组装好后，制备一次气体，比较繁琐，耗时多，浪费药品严重。

比如做气体性质的验证实验，实验前有繁琐的气体制备过程；然后组装仪器（各种仪器要合适配套），检查装置的气密性（组装一次，就要检查一次），装足药品（以防中途气体的量不够，不能完成实验）；对于装置内的空气，制气一回就得排一回；实验结束，经常发现气泡还在冒着，浪费药品；还要废液处理，仪器刷洗等。而真正验证气体性质就用了一分钟，可谓“台上一分钟，台下十年功”。繁琐的操作会让一线教师想放弃动手实验，直接讲实验，这样省时、省力。

针对以上问题，笔者设计了由塑料瓶、注射器、输液器、气球组成的多功能制气装置（图2），用的注射器、输液器各部件的名称如图3所示，利用胶水黏合塑料瓶与输液软管、气球，以确保装置的气密性。该装置适用于一些反应物为液体与固体、液体与液体，不需要加热的化学反应，例如初中阶段制取氧气、二氧化碳、氢气等实验。

塑料瓶用于盛放固体（或者液体）反应物，注射器用于吸取液体反应物。反应时，只要推动注射器推杆，液体便会滴到塑料瓶内的反应物上发生反应。产生的气体从导气口排出。此装置操作简单，排出的气体纯净。制气完毕，可打开排废液口处的流速调节器，排出废液，以备再用。对于固液反应，没有特殊要求，固体在反应前最好一次加足，在反应中，可以通过控制注射器滴加液体药品的速度，控制反应速率（注射器代替分液漏斗所起的作用），通过控制液体加入量，来制得所需要的气体量。

该多功能制气装置的功能及优点：装置简单轻便，易操作，学生上手快；便于添加液体药品，随用随制；可以控制反应速率以及反应的发生与停止；有加压、贮气功能；塑料瓶作为反应容器，易打孔，孔位及大小可随实验目的而定；药品利用率高，实验绿色化；成本低；具有科学性，实用性强，易推广；便于将气体收集在气球或注射器中，以便完成一些趣味小实验；可探究，可微型化。

气球在中学化学实验中的用途很广，用它可以收集、储存气体；也可以封闭反应体系，防止有害气体外泄，调节反应体系压强。所以，能鼓起气球的制气装置能满足初中化学实验更多的需求，但是常规的制气装置不能加压，很难鼓起气球。本装置能较好地解决这个问题。

下面，以实验室制取二氧化碳为例，具体说明此多功能制气装置的使用及功能。

1.检查气密性。

旋紧瓶盖，关闭导气口、排废液口，插好注射器，用一只手挤压瓶身，气球鼓起，再用另一只手挤压气球，瓶身恢复，证明气密性良好。（若不放心，也可待气球鼓起后放置一天再验证。）

2.装药品。

块状大理石或石灰石在反应前最好一次加足。打开导气口，用注射器推入稀盐酸，反应发生。在反应中，通过注射器控制液体加入量，获得所需要的气体量，制备多次气体时，无须添加固体，无须拆卸装置，无须刷洗仪器。（如果用过氧化氢溶液在二氧化锰的催化作用下制取氧气，可用二氧化锰丸。若条件限制，可将二氧化锰粉末放于纱布袋中，防止实验结束后二氧化锰粉末随废液一起排出。如果实验室制氢气，锌粒要一次加足，无须其他处理。）

3.收集气体。

反应发生后几分钟，再将导气管放于集气瓶中收集气体，以便排净装置内的空气，保证二氧化碳气体的纯净。（气球中原有的少量空气可以通过手压气球将其排净。）当收集好所需的气体，即可关闭粗输液软管上的流速调节器。此时塑料瓶内若依然有气泡产生，没有关系，可以储存于气球中，以备不时之需。塑料瓶内不再产生气泡后，打开排废液口处的粗输液软管上的流速调节器，即可将废液排净。当排净废液后，要及时关闭排废液口，以防气体逸出。因为气球内已储存一些气体，装置内气压变大，废液可以顺利排净，但同时也带来一个问题，推入稀盐酸的细输液软管置于瓶内的部分一定要接近瓶底，利用所加稀盐酸形成液封，以防气压变大，将注射器推杆顶出。在实际实验过程中，由于气球中储存气体量的不断增多，少量废液被压入注射器中，但这在可控范围之内，不会将推杆顶出造成气体逸出。

导气口和排废液口的位置和切口方式在设计时也是有考虑的。导气口：斜切粗输液软管（瓶内部分尽量短），开口近瓶口，有利于排净空气，也有利于二氧化碳气体的导出。排废液口：斜切粗输液软管，开口近瓶底，有利于废液排净。

在实际实验中，如验证二氧化碳的性质，有时需要将气体收集在气球中。如果用常规玻璃导气管将气体收集在气球中，若扣得不紧，会漏气，若扣得太紧，气球难以取下。而如果用此装置，把气球套在输液器的滴壶上，便能轻松搞定。先关闭粗输液软管上的流速调节器，既能保证气密性，又能将收集好的气球扎紧轻松取下。若有时想用注射器抽出所需气体进行实验，可先将流速调节器关闭，将注射器的头插入粗输液软管中，再打开调节器，就可轻松抽出所需气体进行实验。为使用方便，可在近瓶口处配置两到三个导气口，分别接上含滴壶、不含滴壶的长短不一的粗输液软管。（长短不一可满足排水集气法、排空气法，代替寻找合适角度、长度的玻璃导管。）但每根软管上必须配有流速调节器，以控制气密性。实验没用到的软管都要处于关闭状态。

4.废液处理以及后续实验。

笔者上课时，当已经收集到所需的气体量，就会关闭导气口的流速调节器，将剩余气体储存于气球中，直至塑料瓶内无气泡产生，再将废液排净，瓶中留下石灰石；若下次上课发现储存的气体量不够实验用量时，可直接通过注射器再次注入稀盐酸，让反应再次发生以制取气体。装稀盐酸的注射器可准备两支，若一支用完，可掐住细软管，直接取下空注射器，再装上另一支新注射器，操作简单；操作时要防止漏液、漏气。在用注射器取用药品时，如图4，操作简单、安全。

该装置能随时控制反应的发生与停止；停止实验时，无须等到无气泡产生，可直接打开排废液口，固液分离即可。但笔者不建议如此浪费药品，建议让反应物慢慢反应，保证药品的最大利用率，将气体储存于气球中备用，等到塑料瓶内无气泡产生时，废液基本上无污染。

自制创新小实验，操作简便，实验现象直观；不仅关注实验结论的得出，更关注实验过程的呈现；既传授知识和技能，又培养学生的思维能力；有易推广、实用、科学、可探究、绿色化、微型化、成本低等特点。