有害气体实验通用防污染装置的改进优化

曹桂祯 龚孟增 许奕欣

摘要： 为防污染装置量身定做了更适用的气体发生和液体排出专用仪器，制作了吸收能力更强的尾气处理装置，引入喷淋装置提升了消除残留气体的效果。介绍了防污染装置的使用方法和注意事项，改进了该装置在铜与浓硫酸反应实验中的操作，使实验更安全、现象更明显。

关键词： 有害气体； 防污染装置； 实验改进优化

文章编号： 1005-6629（2023）03-0076-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

本刊2022年第10期“有害气体实验通用防污染装置的设计”一文［1］（下称“原文”），提出了用“釜底抽薪”的方法从气体发生装置中排出液体，通过固液分离、冷却、稀释、中和等方法来终止反应，用鼓气球排出装置内残留有害气体的设计方案（见图1所示）。原文虽有涉及有害气体的发生与终止、排出与吸收装置，但对装置的制作只停留在将现有仪器（包括可直接网购的仪器）进行组合，沒有为该装置量身定做专用仪器，导致使用起来仍有诸多不足。此外，原文对该装置的使用方法、注意事项等也缺乏详细介绍。为此，本文对该防污染装置的制作、操作等细节问题作了如下进一步改进优化。

2  实验装置的改进优化

2.1  气体发生与液体排出装置的优化

（1） 原装置的不足：①加料瓶的瓶底低于下端支管（底加厚会造成加热慢），必须倾倒才能完全排出液体，由于该装置连着多个仪器，操作起来不方便；②使用该装置时，聚四氟乙烯活塞（图1中活塞K）与液体接触，热的液体会使聚四氟乙烯活塞膨胀，影响活塞的转动；③加料瓶的底面积较大且是平底，实验时得加入较多的试剂，试剂量大又会延长加热所需时间，不便于课堂快速演示。

（2） 优化装置的制作：图2-a为笔者定制的专用仪器（下称“特制试管”），图2-b为该特制试管的规格图。

（3） 特制试管的优点：①内径小且圆底能节约药品，高硼硅玻璃材质耐高温可直接加热；②反应过程中活塞没有接触液体，加热时活塞膨胀不明显，不影响活塞的转动；③下支管末端制作成向下的弯管，方便与耐腐蚀的聚四氟乙烯塑料管（可网购）相连；④下支管选择相对较大的玻璃管，以便与四氟乙烯活塞匹配和防止折断；⑤上支管倾斜向上，可避免喷淋而下的液体流出。

（4） 特制试管的排液原理：如图2-c所示，打开特制试管下支管活塞，用止水夹夹住上支管，用气筒往试管内打入空气，即可将试管内液体压出。此外，特制试管底高于聚四氟乙烯管的末端，虹吸作用也有利于试管内液体排出。笔者将特制试管应用于实验中，排液效果良好。

2.2  有害气体尾气吸收装置的优化

（1） 原装置的不足：原尾气吸收装置只将导管插入液面下，气液接触面较小，易造成有害气体无法完全吸收。

（2） 尾气吸收优化装置的制作：如图3所示，①找一个大小适中（能增大气液接触面，瓶体又能浸入吸收液中）、韧性较好（钻孔和塞紧瓶塞时不易破裂）的塑料瓶；②用锥子在塑料瓶壁上均匀钻出小孔；③往瓶中加入碎瓷片（吸附气体和增加重量，用一段时间后更换）；④导气管下端伸至瓶底并塞紧瓶塞，上端通过单向阀与排出尾气的装置相连；⑤将塑料瓶放入烧杯中，加吸收液至瓶颈。

（3） 尾气吸收优化装置的特点：碎瓷片能吸附气体，“多孔瓶”（相当于多孔球泡）增大了气液接触面积，塑料瓶壁减缓了尾气的排出速率，尾气从接近瓶底的导管口冒出，增大了其到达液面的距离，延长了气液接触时间，从而提升了尾气吸收能力。

（4） 吸收效果的判断：有害气体产生过程中，若尾气吸收装置没有气泡冒出，说明尾气已被“默默吸收”，反之则未被完全吸收。不过，在用空气排出装置内残留气体时，由于空气不能被吸收，吸收液中有气泡冒出是正常的，此时有害气体是否被完全吸收，可根据冒出的气体有无气味等方法来判断。

2.3  消除残留有害气体装置的优化

（1） 原装置的不足：用往加料瓶中打入空气来排出残留气体，由于压入的空气会与残留气体混合在一起，空气主要起稀释作用，需要压入大量空气才能基本消除残留气体。

（2） 优化装置的制作：①网购一个外径小（最大处小于15mm，以便安装在橡胶塞上）、接管端小（约4mm，便于与导气管相连）、喷孔较小（约0.62mm）、只需低压（工作压力1.5～3kg，满足手动所能提供的压力）和流量可调（可调成喷雾状态，便与残留气体充分接触）的塑料（金属材质的易被腐蚀）喷头；②把喷头安装在特制试管的橡胶塞上，涂上密封胶以防漏气，喷头只能稍露出橡胶塞，以便喷出的液体充分覆盖管内残留气体；③将自制气筒的打气端与喷头相连，抽气端插入待喷液体或露置于空氣中。

（3） 优化装置的特点：图4-a为自制气筒［2］，图4-b为喷头，图4-c为喷淋排气装置。有了自制气筒

与喷头的配合使用，打气、喷水、喷溶液可根据需要随时切换，不仅能提高消除残留气体的效果，还能满足实验的其他需求。喷淋过的液体可循环使用几次，充分发挥其吸收作用。实验结束时，可往特制试管内喷入清水进行清洗，以备下个班级使用。

3  实验操作的优化

3.1  优化装置的常规操作

图5为优化后的防污染装置，使用该装置的主要步骤有：

（1） 检查装置的气密性：关闭K1，打开K2和止水夹，用自制气筒往装置内打气，若尾气吸收液中有大量气泡冒出，则说明装置气密性良好。

（2） 加入试剂启动反应：在有关仪器中加入试剂，启动反应（如将浓盐酸加到二氧化锰中，加热）。

（3） 终止有害气体产生：当反应不需要气体时，打开活塞K1，关闭止水夹，用自制气筒打入空气，将特制试管中的液体排到烧杯中（如将硫酸和亚硫酸钠的混合液压入到NaOH溶液中），及时关闭K1。

（4） 消除残留有害气体：关闭K2，打开止水夹，用自制气筒往特制试管中喷入适量吸收残留气体的液体（如NaOH溶液）；打开K2，用自制气筒往装置内打入空气。

3.2  铜与浓硫酸反应实验的优化操作

（1） 原操作的不足：原文中把未反应的硫酸排入水中，溶解放出大量的热，水会局部过热而暴沸，影响实验安全。且由于反应生成的硫酸铜大部分滞留在加料瓶内，与未反应的硫酸一起排到水中的较少，加上黑色副产物的干扰，往往不容易观察到溶液的蓝色。

（2） 优化后的实验操作及现象如图6所示。

① 检查装置气密性，加好试剂；

② 加热后，反应迅速进行，很快就能观察到品红溶液褪色，特制试管内产生白雾；

③ 往特制试管中打入空气使试管内的白雾散去，可看到试管底部沉积粉末状黑色固体，溶液无明显颜色；

④ 打开K1，关闭特制试管的上支管止水夹，打开K2，打入空气，将特制试管中的大部分粉末状固体和液体一起排到空烧杯中；

⑤ 关闭K1，打开特制试管的上支管止水夹，关闭K2，往特制试管内喷入少量水，无迸溅现象，所得溶液的蓝色不明显；

⑥ 往特制试管中喷入氢氧化钠溶液，有淡蓝色絮状沉淀生成（此操作“一举两得”，既能说明反应生成硫酸铜，又能除去大部分二氧化硫）；

⑦ 往特制试管中打入空气，排出装置内残留气体。

（3） 文献支撑：2000版的人教版教材［3］支持笔者的上述做法，该教材是这样介绍铜与浓硫酸反应实验操作的“……把试管里的液体倒入废液缸，在盛有固体剩余物质的试管中加入少量水。观察水溶液的颜色”。也有不少文献［4， 5］介绍了铜与浓硫酸反应实验的优化、改进。

3.3  注意事項

（1） 要控制好反应物中酸的用量，用于终止反应、吸收尾气和消除残留气体的碱要足量。

（2） 尾气排出速率过快会造成无法完全吸收，因此要控制产气速率和排气速率。例如，往亚硫酸钠中加入硫酸制SO2时，滴加硫酸的速率要适中；用气筒打气排出装置内残留气体时，推拉气筒不宜过快。

（3） 消除残留气体时，宜先喷碱液再打入空气。理由是，反应液刚排出时，特制试管内残留气体的浓度最大，此时喷液能“聚而歼之”消除大部分残留气体，提高消除效率。

（4） 特制试管的下支管比较长，容易断裂，要轻拿轻放，转动活塞时要用另一只手保护支管。

（5） 与尾气处理装置相连的单向阀要选用不带弹簧、氟橡胶材质的，以防被腐蚀。

参考文献：

［1］曹桂祯， 饶慧伶， 许奕欣. 有害气体实验通用防污染装置的设计［J］. 化学教学， 2022， 44（10）：71～74.

［2］曹桂祯， 叶秋香. 全景式喷泉装置的再优化［J］. 实验教学与仪器， 2022， 39（10）：54～55.

［3］人民教育出版社化学室. 全日制普通高级中学教科书·（试验修订本·必修）化学第一册［M］. 北京：人民教育出版社， 2000：135.

［4］李文杰. 浓硫酸与铜反应实验的改进［J］. 化学教学. 2019，（7）：63～65.

［5］张红卫. 浓硫酸与铜反应实验的改进［J］. 化学教学. 2020，（1）：67～69.