排空气法收集气体的实验设计

摘要： 用铜与浓硝酸反应制取二氧化氮，用两个塑料瓶充当集气瓶同时进行向上、向下排空气法收集二氧化氮。实验直观呈现了向上、向下排空气法收集二氧化氮时新进入瓶中的有色气体与原瓶中空气之间的互动过程。通过及时终止二氧化氮的产生，及时用氢氧化钠溶液吸收二氧化氮等方法，可使实验全程无污染。

关键词： 排空气法; 收集气体; 实验设计；二氧化氮

文章编号： 1005-6629（2024）07-0071-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

初中化学教材实验中用排空气法收集的氢气、氧气和二氧化碳都是无色的，实验过程中无法观察到这些气体进入集气瓶后与空气之间的互动情况。由于没有“眼见为实”的直观证据，加上“排空气法收集气体时气体是快速进入集气瓶的，进入瓶中的气体分子做无规则运动”，于是引发了人们对“排空气法收集气体时，轻的气体在上，重的气体在下，两种气体不易混合”的怀疑，甚至认为“向上、向下排空气收集气体时，所收集的气体都会与空气快速混合，向上、向下排空气法收集气体没有太大差异”。为了回应这种质疑，有必要设计实验呈现排空气法收集气体过程中，被收集的气体与原集气瓶中空气之间互动的真实情景，以消除人们的疑惑。

mqyi3kaeLXBLvtNTG+uL1g==

2 已有的相关研究简述

查阅知网有关排空气法收集气体的论文，发现只有周信军［1］比较了向上、向下排空气法收集气体时瓶内气体的动态过程及所收集气体的纯度差异，该文提出的方案是用图1所示装置收集二氧化碳，根据图1-a装置中的湿润石蕊试纸由下而上逐渐变红，证明向上排空气法收集二氧化碳时空气被自下而上有序排出集气瓶，而图1-b装置中湿润石蕊试纸一起快速变红，证明向下排空气法收集二氧化碳时空气与二氧化碳快速混合。作者还用图2所示方法，分别将两支用向上、向下排空气法收集二氧化碳的试管倒立于盛足量NaOH溶液的烧杯中，通过比较两试管内剩余气体量的多少得出向上、向下排空气法收集所得二氧化碳气体的纯度差异。该方案的图1实验通过湿润蓝色石蕊试纸颜色变化情况示踪向上、向下排空气法收集气体时，所收集气体在瓶内的流动情况，实验方案虽然可行，但实验所观察到的只是局部的、间接的现象，完整的、真实的现象只能靠推理和想象来补全，同时该方案还存在不便远距离观察的不足。图2实验则存在如何确保进入两试管的二氧化碳气体量相等，以及将试管倒立于NaOH溶液中时的实验操作安全问题。

3 实验设计

3.1 装置的组成

3.1.1 制气装置

（1） 气体的选择：为使排空气法收集气体的过程可视化，气体的选择必须符合3个条件，一是有颜色且颜色随浓度变化明显，二是密度与空气相差较大，三是气体容易制得。依据上述条件进行筛选，笔者选定了二氧化氮作为实验气体。

（2） 气体的制取：用铜与浓硝酸反应制取二氧化氮，反应的化学方程式为：Cu＋4HNO3（浓）Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O。实验所用的硝酸浓度、用量必须足够大，避免生成NO而造成实验失败。如图3所示，用特制试管［2］作反应容器，将铜置于特制试管底部（垫上一层玻璃球，以便固液分离终止反应），通过上口接单向阀［3］的分液漏斗加入浓硝酸。待实验所需气体量够时，打开特制试管下支管活塞K1，关闭上支管活塞K2，反应产生的气体将试管内液体排入盛水的烧杯中，固液分离终止气体的产生。

3.1.2 集气装置

（1） 设计对比实验：如图4所示，用向上、向下排空气法同时收集二氧化氮气体。为使进入塑料瓶A、 B的气体量相等，一是选用Y形管使气体“兵分两路”，且控制Y形管到塑料瓶A、 B进气端的距离相等；二是使塑料瓶A、 B出气端到安全瓶的距离相等，且将塑料瓶A、 B出气端连在同一安全瓶上以控制两个出气端的气压相等。

（2） 集气瓶的选择：塑料瓶A、 B的直径、高度必须相同，且必须足够大、足够高，这样新进入的气体与原瓶内空气之间互动过程的差异才能充分彰显。选择用两个500mL的矿泉水瓶作为集气瓶，不仅能满足实验要求，还兼具便宜易得、轻便好固定的优点。

（3） 加固集气装置：受重力作用，瓶口朝下的塑料瓶塞易脱落，可将乳胶管从进气、出气的两玻璃管之间穿过，拉紧后用卡箍锁紧。

3.1.3 有害气体处理装置

（1） 产气端的除残气装置：如图3所示，用“两用气筒”［4］依次将水、空气打入特制试管中，除去特制试管中残留的NO2气体，反应的化学方程式为4NO2+O2+2H2O＝4HNO3。

（2） 集气瓶的加碱液装置：如图5所示，用点胶瓶（装胶水的瓶子，弹性好，可网购）往塑料瓶A、 B中加入NaOH溶液除去NO2气体，反应的化学方程式为2NO2＋2NaOH＝NaNO2＋NaNO3＋H2O。

（3） 安全瓶及尾气处理装置：如图6所示，给500mL广口瓶配上3孔塞，其中两个孔分别与塑料瓶A、 B的出气端相连，第3个孔与插入NaOH溶液中的导管相连。当在塑料瓶A或B的导管端加入碱液时（另一端夹紧），反应引起的负压会将烧杯中的NaOH溶液吸入安全瓶中将NO2气体除去。

3.2 装置的使用

新设计的实验装置如图7所示（固定装置略），该装置的使用方法和实验过程中观察到的现象如下：

（1） 检查装置的气密性：关闭K1、 K3、 K4，打开K2，用“两用气筒”打入空气，观察到烧杯中的导管口有大量气体冒出，说明装置气密性良好。

（2） 启动反应收集气体：往特制试管中加入浓硝酸，试管内产生大量深红棕色气体，气体迅速向右流动，深红棕色气体喷涌而入同时到达两个集气瓶，进入塑料瓶B底部的深红棕色气体快速坠落到下方的无色气体中弥漫开来，很快整个集气瓶内的气体都变成浅红棕色；而进入塑料瓶A底部的深红棕色气体却沉积在瓶底，与上方的无色气体有明显的分界，深红棕色气体向上缓慢移动。

（3） 终止反应停止通气：实验现象明显时，打开K1、关闭K2，特制试管内液体排出反应终止。

（4） 除去装置内的NO2：①将塑料瓶B倒转正放，将两个盛有NaOH溶液的点胶瓶分别与K3、 K4的端口相连，打开K3、 K4，将NaOH溶液挤压入塑料瓶A、 B中。关闭K3、 K4，右端烧杯中的NaOH溶液倒流入安全瓶中，振荡塑料瓶A、 B和安全瓶，瓶中气体的红棕色逐渐退去；②关闭K1、打开K2，用“两用气筒”往特制试管中先打入水至水面接近特制试管的上支管（压缩有害气体空间，便于将其完全除去），再打入空气，直至装置内气体的红棕色完全消失。

3.3 实验结论

向上排空气法收集的NO2不易与空气混合所得气体较纯、向下排空气法收集的NO2易与空气混合所得气体不纯的实验事实，证实了“排空气法收集气体时，轻的气体在上重的气体在下，两种气体不易混合”这一原理的可靠性。从而可得出，用排空气法收集气体时，为收集到比较纯的气体，应将轻的气体送至上方（向下排空气法收集），重的气体送至下方（向上排空气法收集）。

3.4 几点说明

（1） 有害气体在装置末端快速排出时往往无法被完全吸收，装置内除气效果要优于装置末端的吸收处理，本实验当有少量NO2气体进入安全瓶时即能达到实验目的，此时终止NO2气体的产生，进入尾气处理装置的NO2气体非常少能确保其完全吸收。

（2） 用打入空气来排出容器内有害气体的效果是不好的，因此本实验处理有害气体时，容器内的气体通过加入试剂进行反应除去，导气管中的气体则通过打入空气将其排入吸收液中吸收。

（3） 实验表明在收集了NO2的塑料瓶中加入碱液后，塑料瓶会被腐蚀得比较严重，瓶壁会泛白故只能使用一次（矿泉水瓶便宜易得影响不大），当然也可用玻璃瓶代替塑料瓶。

（4） 本实验属于用高中化学知识解决初中化学的实验问题，故应用于初中化学实验教学时，重点在于引导学生观察比较向上、向下排空气法收集NO2实验现象的差异，以帮助学生理解排空气法收集气体的实验原理。该实验的制气反应、消除有害气体的原理等都属于高中知识可不必涉及，以避免偏离教学主题和加重学生学业负担。

4 结语

高中化学新课标指出“化学实验有助于激发学生学习化学的兴趣，创设生动活泼的教学情境，帮助学生理解和掌握化学知识和技能，启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观”［5］。科学教人求真，本实验看似研究了一个“不是问题的问题”，实则释疑了一个化学学科的“基础中的基础问题”，让学生头脑中的化学大厦建立在实验事实的坚实地基之上而非悬浮于似是而非的想象之中。本实验的育人功能表现在：鲜活的实验现象能激发学习兴趣，通过挖掘实验现象背后的原因有助于知识的理解，实验中涉及的对比实验设计、单一变量控制、有害气体无害化处理等，对促进学生实验技能掌握、启迪科学思维、训练科学方法、培养科学态度和价值观等大有裨益。

参考文献：

［1］周信军. 探究排气法收集气体的两个问题［J］. 教学仪器与实验， 2011， （1）： 22.

［2］曹桂祯， 龚孟增， 许奕欣. 有害气体实验通用防污染装置的改进优化［J］. 化学教学， 2023， （3）： 76～79.

［3］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， （10）： 54～55.

［4］曹桂祯， 郑顺来. 单向阀和自制气筒在化学实验中的应用［J］. 化学教学， 2023， （1）： 62～66.

［5］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2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 72.

（厦门市第六批基础教育课程改革课题“提升实验探究能力的化学课堂教学模式研究”（课题编号：Z677）的研究成果之一。）