有害气体制备及性质检验通用装置的设计

汪才笔 周丽梅

摘要： 针对现有氨气、二氧化硫、氯气等有害气体的制备及其性质检验实验装置的不足，采用定制的可联结反应管、注射器、翻口塞、气球等常见器材设计了一种通用的有害气体的制备及其性质检验的实验装置。该装置不仅具有反应可控、现象明显、操作简便、安全性高等优点，而且还可按需组装、功能多样、防止污染、适用于多种有害气体的制备及其性质检验的高中化学实验。

关键词： 有害气体； 通用装置设计； 定制反应管; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2023）09-0077-04   中图分类号： G633.8   文献标识码： B

1  提出问题

在中学化学实验中，有害气体的制备及其性质检验的实验存在一些不足，如装置复杂、药品用量过多、尾气未作处理、不能调控反应的发生与停止等问题，且未将气体制备和性质探究作为一个整体来进行设计。故众多教师未选择作为课堂演示实验，也不安排学生实验，不利于培养学生的动手能力。鉴于此，本探究实验主要针对以上问题对有害气体制备及其性质检验的实验装置进行通用性的改进设计。

2  相关文献概述

通过查阅文献，很多一线教师在教材中相关实验的基础上进行了实验改进，比较有代表性的有以下四种方案。

方案一：向具支试管中加入滴有品红溶液的蒸馏水，用镊子夹取浸润有紫色石蕊溶液的滤纸片，置于具支试管口下端，用注射器吸取少量硫酸，与V型管连接并缓慢推入管内，观察到反应开始时气球变大、滤纸片变红及品红溶液退色，几分钟后，气球变小并恢复至原样，加热品红溶液，品红溶液恢复红色，气球胀大［1］。

方案二：利用漂粉精粉末与稀盐酸反应制备氯气，并利用干燥的蓝色石蕊试纸等检验氯气的性质，观察到干燥的蓝色石蕊试纸无变化，湿润的蓝色石蕊试纸先变红后退色，淀粉-KI试纸先变蓝后退色，试管A中FeSO4溶液变为棕黄，试管B中品红溶液退色，试管C中有白色沉淀生成，铜丝在达到红热状态时立即燃烧起来，产生大量棕色的烟，实验结束后向试管A中滴加硫氰化钾，溶液变红［2］。

方案三：借助塑料瓶、医用三通阀、医用注射器等设计实验装置。使用碳酸钙与稀硝酸反应制备二氧化碳以排出装置内空气，然后利用铜丝与稀硝酸反应制取一氧化氮，最后用医用三通阀、分别装有氧气、蒸馏水的注射器使一氧化氮与氧气、二氧化氮与水进行反应，观察到一氧化氮与氧气接触后气体变为红棕色，红棕色气体与水接触后，气体颜色逐渐变为无色，注射器活塞回缩至一定刻度［3］。

方案四：利用定制“加料瓶”、单向阀、鼓气球等设计出一套有害气体实验通用防污染装置。实验时可通过打开定制“加料瓶”底部的活塞放出反应液终止有害气体的进一步产生，运用单向阀来防止液体倒吸，最后利用鼓气球鼓气，将有害气体稀释并排到装置外再加以处理［4］。

综上所述，方案一裝置简单，操作简便，但性质检验不全面且未对尾气进行处理。方案二对气体多种性质进行了检验，但为了使气体能通过整个装置，需消耗大量药品制备气体，并且在最后一个性质检验时仍需要加热，却没有防倒吸的装置，停止加热后极易倒吸使玻璃管炸裂。方案三装置简单，使用了塑料瓶、三通阀和注射器，贴近生活，旧物利用，比较环保，但操作难度较高。方案四提出了一种有害气体实验通用防污染装置，该装置虽具有通用性但由于装置构造、体积大小的限制，只适用于有液体参与的反应，并且药品用量大，反应结束利用鼓气球鼓气的方式也不易将尾气处理完全。

3  通用装置

分析上述方案，笔者由方案三中三通阀联想至四通阀，利用四通阀与注射器进行有害气体的制备及其性质检验，但在进行实验过程中发现气体产生速率过快，注射器活塞极易因装置内压强太大而被反向弹出，导致实验失败，具有一定的安全隐患。于是笔者在四通阀的基础上设计了一种可联结反应管（如图1所示），该定制反应管的左端设为内磨口，右端为外磨口，并且左端内径与右端外径相切合，即多个该反应器可以形成紧密连接。在实验中，可根据气体的制备及其性质检验选择多个反应管自行连接，实现气体的多重性质检验。又由方案一中气球、方案三中塑料瓶联想到可通过气球的变化情况来判断装置内气体的产生与消耗。

基于以上分析，笔者设计了一种有害气体制备及其性质检验的通用装置（如图2所示），该装置由定制的可联结反应管、翻口塞、注射器和气球等构成。使用注射器可以添加药品用于气体制备或性质检验；使用的翻口塞因其橡胶的伸缩性，被注射器的针头戳破后也能保证气密性；使用气球平衡气压的同时也可根据气球的膨胀与变瘪来观察气体的产生与消耗。在反应前用注射器抽出装置中气体，气球变瘪，反应过程中随着气体的增多，通过观察气球的膨胀可以得知气体已充满整个装置；处理尾气时，也可观察到气球变瘪。

4  具体应用

4.1  氯化铵与氢氧化钙反应制备氨气

氨气是一种极易溶于水的碱性气体，使用通用装置不仅可以使反应可控，而且也能检验氨气极易溶于水和溶于水显碱性的性质，现象明显，具体操作如下［有关反应的化学方程式为2NH4Cl+Ca（OH）2△CaCl2+2NH3↑+2H2O］：

（1） 按图3所示搭好装置（装有溶液的注射器不提前插入翻口塞），检验气密性。向反应管1内加入氯化铵与氢氧化钙固体粉末的混合物，用注射器从装置最右侧翻口塞处抽取气体，此时气球变瘪。

（2） 用酒精灯加热反应管1，观察到气球逐渐膨胀。

（3） 停止加热，用湿毛巾捂住反应管1使其降温，气球体积稍微变小。

（3） 向反应管2中滴加酚酞试液，观察到酚酞试液变红，气球迅速变瘪。

（4） 向两个反应管内滴加稀硫酸处理尾气。

4.2  酸性洁厕灵与84消毒液反应制备氯气

采用酸性洁厕灵与84消毒液制备氯气，这两种反应物都是生活中常用的清洁剂。该反应不仅速率适中产生的氯气较少，而且将化学与生活联系起来并给学生以警示（不能将两者混用）［5］。具体操作如下（有关的反应方程式为NaClO+2HClNaCl+Cl2↑+H2O）：

（1） 按图4所示搭好装置（装有各种溶液的注射器不提前插入翻口塞），向反应管2、 3之间的连接处加入少量无水氯化钙固体并检验气密性。用注射器从装置最左侧翻口塞处抽取气体，此时气球变瘪。

（2） 向反应管2中加入适量洁厕灵，向反应管3中放入干燥的淀粉碘化钾试纸。

（3） 用注射器向洁厕灵中逐滴加入84消毒液，观察到两清洁剂缓慢反应产生少量气泡，继续滴加84消毒液至气球开始膨胀，停止滴加。

（4） 向反应管1中滴加硝酸银溶液，观察到有白色沉淀生成。

（5） 向反应管3中淀粉碘化钾试纸滴加蒸馏水，试纸变蓝后迅速退色。

（6） 向各个反应管中加入饱和氢氧化钠溶液至气球完全变瘪。

4.3  亚硫酸氢钠固体与草酸溶液反应制备二氧化硫

采用亚硫酸氢钠与草酸溶液反应制备二氧化硫，因草酸的酸性较弱，生成二氧化硫的速率较慢，较易控制反应的发生和停止，能更好地节约原料并控制二氧化硫的产量。具体操作如下

（有关反应的方程式为NaHSO3+H2C2O4NaHC2O4+SO2↑+H2O）：

（1） 按图5所示搭好装置（装有各种溶液的注射器不提前插入翻口塞），并检验气密性。向反应管2中加入少量亚硫酸氢钠固体后用注射器从装置最左侧翻口塞处抽取气体，此时气球变瘪。

（2） 向反应管2中滴加草酸溶液，观察到草酸溶液与亚硫酸氢钠反应并产生气体，气球逐渐膨胀。

（3） 向反应管1中滴加硫化钠溶液，产生黄色沉淀。

（4） 向反应管3中滴加品红溶液，观察到品红溶液退色。

（5） 向反应管4中滴加高锰酸钾溶液，高锰酸钾退色。

在滴加品红溶液、高锰酸钾溶液、硫化钠溶液的过程中，气球逐渐变瘪；最后向各个反应管中加入饱和氢氧化钠溶液至气球完全变瘪。

除了上述三种有害气体外，本通用装置还可用到其他气体的制备及其性质检验中来，例如碳酸钙与稀盐酸反应制备二氧化碳、浓硝酸与铜反应制备二氧化氮等，可以根据实际需求选择多个反应管连接组装成实验装置。

5  装置优点

本通用装置的优点：

（1） 成本低廉，易于普及，尤其适用于基础设施落后的一些学校。

（2） 按需组装，操作简便，可根据实验需要灵活调整反应管的数量。

（3） 反应可控，现象明显，通过注射器滴加药品可控制反应的发生与停止，并在实验过程中能观察到溶液颜色变化、沉淀生成等明显现象。

（4） 气密性好，安全性高，一方面利用气球平衡气压，保证安全，另一方面利用翻口塞保证装置气密性良好，不僅可以防止有害气体泄露造成环境污染，还可以在密闭环境下有效地处理尾气。

（5） 功能多样，适用面广，可用于高中化学多种有害气体的制备及其性质检验，同时适用于固、液、气等不同状态物质之间的相互反应。

（6） 通用装置小巧易携带、药品用量少、气密性好，保证了实验的安全性，并且易于观察实验现象，便于教师及学生操作。此外，装置中的定制反应管定制成本低，不易损坏，有利于在中学化学实验中进行推广，让学生也参与到实验中来，落实学生化学学科核心素养的培养，进一步促进学生的全面发展。

参考文献：

［1］刘明霞， 汪梅， 钟琴， 常金明. 基于“可逆反应”概念建构的二氧化硫性质实验改进［J］. 化学教学， 2022， （8）： 70～72.

［2］张红红， 莫尊理， 裴贺兵， 张曾栋， 岳睿， 高敏. 氯气的制备及性质一体化实验改进设计［J］. 化学教育（中英文）， 2022， （23）： 93～97.

［3］李德前， 魏海， 张羿. “铜与稀硝酸反应”一体化实验设计［J］. 化学教学， 2020， （9）： 70～72.

［4］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.

［5］程行锋， 张芙蓉. “84消毒液”与“洁厕灵”致儿童急性中毒1例报告［J］. 中国工业医学杂志， 2021， （6）： 517～518.