单向阀和自制气筒在化学实验中的应用

曹桂祯 郑顺来

介绍了用单向阀和针筒自制气筒的方法及气筒的工作原理，分类梳理了单向阀、气筒在实验中的具体应用，解决了许多实验中的问题，使实验变得更加安全、可控和便捷。倡议将该实验成果及时转化为解决实验问题的利器，使实验更好地服务于学科核心素养的培育。

单向阀;自制气筒;化学实验;实验探究

单向阀又称止回阀或逆止阀，是一种使流体（气体或液体）只能单向流动而不能反向流动的元件，该元件在生产生活中有着广泛应用，但在化学实验中的应用却给人一种“养在深闺人未识”的感觉。笔者在实验改进的研究中，为解决问题从不自觉到自觉地运用了单向阀，对该元件的应用有了越来越深入的认识。为进一步了解化学同行对该元件应用的认识状况，笔者查阅了知网，发现谢培轩、石云列举了不少单向阀的应用实例，但对两个单向阀的联合使用没有上升到气筒的高度来认识。而杨松耀、孙鹏、刘亚利谈及了气筒在实验改进中的应用，但没有涉及气筒的制作及工作原理。由此可见，单向阀和气筒的应用已经引起越来越多同行的重视，其在化学实验中的应用也在逐步拓展。但总体而言，现有研究在揭示单向阀和气筒之间的关系、单向阀和气筒的分类应用方面还不够深入。为此，笔者试图在结合自己和他人研究的基础上，对单向阀、气筒在实验中的应用作一个比较全面系统的梳理。下文中，将会引用到上述作者论文中的部分实例，为行文方便不再一一指出。

2.1.1 防液体倒吸

图1中，当二氧化硫溶于品红溶液造成装置内压强减小时，空气可通过加料瓶左端的单向阀进入装置，使装置内气压基本不变而避免品红溶液倒吸。而在尾气吸收装置的导管上端连一个单向阀，则直接阻止了氢氧化钠溶液的倒吸。图2中，在玻璃导管与吹嘴之间连上一个单向阀，可防止将石灰水吸入嘴中。

2.1.2防液体挥发

图3中，在分液漏斗上口端连一个单向阀，既能使浓盐酸顺利流入到圆底烧瓶中，又能避免浓盐酸挥发造成污染。通过分液漏斗往容器中加入氨水、硝酸等挥发性液体时都可采用这种方法。在定性实验中，在普通分液漏斗上口端连上一个单向阀后，其作用相当于一个恒压分液漏斗。

2.1.3 防气体燃爆

图4中，在制气装置与尖嘴管之间连一个单向阀，利用单向阀的止逆性可阻断火焰倒窜入制气装置。这样，即使点燃时气体不纯也不会造成爆炸，提高了实验的安全性。

笔者用1个60mL的塑料针筒、1个三通、2个单向阀和硅胶管制作了一个图5所示的气筒（网购总计约8元）。该“自制气筒”（下文简称“气筒”）既可打气又可抽气，还可通过控制推拉活塞的次数和位置（针筒上有刻度），计量打入或抽出的流体体积。既可打气又可抽气的“两用气筒”也可网购，塑料款约20元，金属款约60元。物理实验室配有金属款的“两用气筒”，该气筒比较笨重。网购气筒的配件可能与吸入的流体反应，且不透明、没刻度，不建议使用。气筒的工作原理如图6所示，将气筒抽气端、打气端分别与容器A、容器B相连，拉动气筒活塞，容器A中的气体通过抽气端的单向阀进入三通、针筒；推动气筒活塞，三通、针筒中的气体通过打气端的单向阀进入到容器B中；不断推拉针筒活塞，容器A中的气体便源源不断地转移到容器B中。

需要指出的是，气筒克服了针筒只能间歇地打气或抽气，无法满足一些实验需要持续、快速打气或抽气的缺点。例如，用澄清石灰水检验空气中的二氧化碳时，用气筒可连续鼓入空气，相较于用针筒断续鼓入空气，可大大缩短石灰水变浑浊的时间。

若图6中的容器A、容器B均为敞口容器，推拉气筒活塞时两容器的压强不变，此时气筒只起轉移物质的作用。

3.3.1转移气体

图7中，实验开始前用气筒排出装置内的空气，充分反应后用气筒排出装置内残留的二氧化碳，从而准确测出反应生成二氧化碳的质量。图8中，推拉气筒活塞，浸在热水中的白磷接触抽入的空气发生燃烧。熄灭后再次推拉动气筒活塞，又可看到白磷重新燃烧起来。该实验不仅通过“火在水中烧”的视觉冲击揭示了燃烧的本质，还有效地解决了白磷燃烧可能造成的污染问题。

3.3.2转移液体

图9中，持续推拉气筒活塞，水槽中的水被源源不断地送入冷凝管中，冷凝管上端排出的热水经冰袋降温后，被重新送入冷凝管中，实现冷凝水的循环利用。用气筒转移液体时，气筒的作用如同一个人力“水泵”。

图6中，若容器A中的物质是气体，容器B为刚性密闭容器，则推拉气筒活塞时，容器A中的气体不断转移到容器B中，容器B内气体分子数不断增多，气压逐步增大。

3.2.1 演示增压喷泉

图10中，打开活塞K，推拉气筒活塞，锥形瓶内液面上方的气压增大，使喷液管的上端压强低于下端压强（圆底烧瓶中的空气通过活塞K排出，使喷液管上端保持常压），锥形瓶中的液体被压入圆底烧瓶中形成喷泉。圆底烧瓶中充满可溶性气体时，只要往圆底烧瓶中压入少量液体，即可引发喷泉。有个细节值得注意，图10、图14装置中与活塞K相连的玻璃管上端制作成弯管，是为了防止喷出的液体流入到该玻璃管中。

3.2.2 演示量气

图11中，推拉气筒活塞使空气进入广口瓶（模拟气体的产生），广口瓶中的水通过导管转移到量筒中，上下移动量筒使量筒中的液面与广口瓶中液面相平，读出量筒中水的体积，即可间接知道气体的大致体积。该量气过程，同时也是一个用排水法收集气体的过程。练习排水法收集气体时，可将气筒的打气端（接上弯管）放入装有水的水槽中，两人一组密切配合，一人推拉气筒活塞模拟气体的产生，另一人用排水法收集气体，一轮结束后交换角色再进行练习。

3.2.3 演示启普发生器原理

图12中，关闭活塞K，推拉气筒活塞，空气被压入试管中（模拟气体的产生），试管中的水被压入长颈漏斗，水面下降与小石块脱离（表示反应终止）；打开活塞K，试管内气体排出，长颈漏斗中的水面下降，试管内液面上升重新与小石块接触（表示又可继续反应产生气体）；重复上述操作，再次呈现启普发生器“随开随用，随关随停”的特点。

3.2.4 演示面粉爆炸实验

图13为改进后的“面粉爆炸实验”装置，将气筒的打气端与爆炸装置相连，推拉气筒活塞，由于气筒的鼓气量足，可以将面粉充分扬起，爆炸效果十分明显。

图6中，若容器A中的物质是气体，且容器A为刚性密闭容器，则推拉气筒活塞时，容器A中的气体不断转移到容器B中，容器A中气体分子数不断减少，气压逐步降低。

3.3.1演示减压喷泉

图14中，打开活塞K，推拉气筒活塞，圆底烧瓶内气压降低，使喷液管的上端压强低于下端压强（空气通过活塞K自动补充到锥形瓶中，使喷液管下端保持常压），锥形瓶中的液体被抽入到圆底烧瓶中形成喷泉。圆底烧瓶充满可溶性气体时，推拉气筒活塞，只要有少量液体进入圆底烧瓶，即可引发喷泉。

3.3.2演示防倒吸原理

图15（a）中，推拉气筒活塞模拟气体溶解产生负压，烧杯中的水被倒吸入漏斗中，与此同时烧杯中的水面下降，进入漏斗中的水又重新流回到烧杯中。将小漏斗往下压，压至其颈部接触到水面（此时无异于将导气管直接插入水中），重复上述操作，发现小漏斗不再有防倒吸功能，这样就突出了“漏斗边缘与水面相切”的重要性。图15（b）中，推拉气筒活塞模拟气体溶解产生负压，烧杯中的水倒吸到广口瓶，而不会直接倒吸入制气装置中，给处理液体倒吸赢得了时间（正因如此，安全瓶也常被称为缓冲瓶）。

3.3.3 演示减压过滤

图16中，在布氏漏斗中加入待过滤的固液混合物，推拉气筒活塞，抽滤瓶内的气体被不断抽出，布氏漏斗上端的气压大于其下端的气压，使过滤速率加快，且过滤所得固体更趋干燥。现在中学实验室大多没有标配抽气设备，用图16所示装置则能大大降低将减压过滤引入学生实验的门槛。

3.3.4 演示压强对物质沸点的影响

图17中，将蒸馏烧瓶中的水加热煮沸，撤去酒精灯，迅速塞上带温度计的橡胶塞。推拉气筒活塞抽出蒸馏烧瓶中的气体，瓶内气压下降水沸腾，记录此时的水温。此后每间隔2分钟，重复上述操作，一一记录沸腾时的水温。分析上述实验所得数据，就能得出压强影响物质沸点的规律。需要指出的是，只要将气筒的打气端与蒸馏烧瓶的支管相连，就可探究压强增大对物质沸点的影响，但必须加固瓶塞与蒸馏烧瓶的连接，以防压力增大时瓶塞弹出。

3.3.5 演示压强对气体溶解度的影响

图18中，慢慢推拉气筒活塞抽出试管内的气体，可看到试管内浓氨水中有气泡慢慢冒出（氨气会被抽出，要用水吸收），说明气体的溶解度随压强的下降而减小。压强对气体溶解度的影响，可看成是压强对气体溶解平衡移动的影响，因此该实验也可应用在化学平衡的教学中。

以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验对于全面发展学生的化学学科核心素养有着极为重要的作用。然而，当下实验教学中“以讲代做”“以播代做”依然比较普遍。一个很重要的原因是，有些实验的准备、操作比较麻烦，实验的安全性、成功率不高，而讲实验、播实验却可做到方便快捷、零失误。那么，该如何让老师们爱上做实验呢？笔者认为，通过实验创新，设计出更多安全可靠、操作简便、生动有趣的实验，让实验“不再麻烦”是解决这一问题的关键。现在，经过广大同行的努力，已经有大量“不再麻烦”的实验创新成果，我们应该及時把这些创新成果从论文中请到实验台上，将其转化为用得上、用得好的实验利器。当老师们真正感受到实验不再繁难时，自然就会从“怕做实验”转变为“爱做实验”，如此一来，动手实验丰厚的附加值就能更好地服务于“为素养而教”。本文所述的单向阀价格便宜、网购方便，买来后通过简单组装就可用于解决实验中的很多问题，值得推广应用到化学实验教学中去。

参考文献：

[1]曹桂祯，叶秋香“全景式”喷泉的创新设计与应用

[2]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（10）：71-74.

[3]谢培轩，廖全堂，陆燕海.例谈微型单向阀在中学化学实验中的应用[J].化学教育，2009（11）：69+85.

[4]石云.塑料单向阀在化学实验教学中的应用[J].中小学实验与装备，2017（6）：36-38.

[5]杨松耀.空气中二氧化碳检验实验的新改进[J].化学教学，2018（9）：75-77.

[6]孙鹏，朱国定.关于“爆炸条件探究”实验课的实践与思考[J].化学教学，2019（1）：73-75.

[7]刘亚利，薛桂凤.利用气筒改进喷泉实验与防倒吸实验[J].实验教学与仪器，2020（12）：27-28.

[8]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：72.