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一、实验改进目的

 

气体的学习与研究贯穿整个化学基础教育的始终,是中学化学教学的重点。由于常规实验存在着药品用量多、仪器零碎、装置复杂、操作繁琐,一些药品具有腐蚀性,实验后剩余物处理麻烦,以及制得的一些气体有刺激性气味(或有毒性)、易燃、易爆等特点,气体实验具有完成难度大,费时多,效果不明显,成功率低、有污染、不安全等不足之处,成为困扰中学化学实验教学的难点。

 

新的化学课程标准要求 “仪器配备应做到人手一套”, “配置必要的药品、仪器和设备,确保每个学生都能进行实验探究活动”。我们历时四年有余,经过多次改进、完善,自主创新设计了新型微型气体实验仪器,通过实验仪器微型化实现了实验绿色化,克服了常规实验的不足,消除了中学气体实验的污染,解决了气体实验的系列难点问题,并可使学生人手一套人人动手实验。

 

二、实验仪器及试剂

 

微型气体发生器、微型气体实验器、微型混合气体发生器、塑料多用滴管、微型集气瓶、微型酒精灯、微型实验操作台、微型试剂瓶、胶皮管、橡皮塞(带孔)、玻璃导管、洗耳球、专用试管刷等。

 

中学化学气体的制备和性质实验所需的常规药品。

 

三、实验仪器装置图及仪器的组装说明

 

如图1所示,微型气体实验仪主要由微型气体发生器1、微型气体实验器2、微型混合气体发生器3、塑料多用滴管4、微型集气瓶5等组成。前三者都是带有凹坑和支管的玻璃管,其中凹坑和支管相对,凹坑用于盛放固体药品并作为反应容器,液体试剂通过插入支管的塑料多用滴管4加入,支管和塑料多用滴管4之间用胶皮管密封连接。微型气体实验器2的直管下部设置有多个小凹坑,可以直接进行气体的性质实验,如气体和液体、气体和固体之间反应等。微型混合气体发生器3可以制备两种气体并进行气体之间的反应。      

 

塑料多用滴管4是在已有的塑料滴管基础上进行了结构上的改进,在胶头和细径之间设置了直径位于二者之间的一段连接部位,使塑料多用滴管和其他玻璃仪器上的支管、玻璃导管等可以通过胶皮管密封连接,大大地拓展了塑料滴管的用途。塑料多用滴管4除了具有普通胶头滴管、微型液体试剂瓶等功用之外,还可以代替分液漏斗向密闭装置内滴加液体试剂,可以用于萃取和分液等实验操作,可以用作气体和液体试剂之间的反应容器,等等。

 

在使用塑料多用滴管的时候,根据实验需要可以用剪刀对塑料多用滴管进行修剪,如将塑料多用滴管和微型气体发生器、微型气体实验仪、微型混合气体发生器等仪器的支管连接时,就需要将细径剪去一部分,在中间部分套上一段胶皮管之后,再吸取液体试剂,然后再把塑料多用滴管套在支管上;从胶头和连接部位之间剪开后,原来的胶头就成为一个微型烧杯,而剩余的部分和玻璃导管连接后可以作为导气管使用,……,等等。

 

微型集气瓶5是底部带有导气管的漏斗状球形容器,用于向上排气法、向下排气法和排水法收集气体以及试验固体物质在气体中的燃烧等实验,也可以将充满液体试剂的塑料多用滴管4用胶皮管连接在导气管上组成一套简易微型气体实验器,进行一些气体的制备、收集、检验和气体的性质实验等(实验方法详见实例2

 

四、实验操作部分

 

1 检查装置的气密性

 

可以在温度不变的情况下,通过挤压塑料多用滴管的胶头检查装置的气密性。如图2所示,连接仪器装置,在塑料多用滴管套上胶皮管,然后插入支管,用带有导管的橡皮塞塞紧管口,将导管的一端插入盛有适量水的烧杯中。用手挤压胶头,观察导管口是否有气泡产生。如果装置不漏气,导管口有气泡冒出;松开手,导管中会形成一小段水柱,过一段时间,液面不下降。

 

2 连接组装仪器

 

利用微型气体实验仪进行气体实验,装置简单,在组装仪器时要进行3步操作:?在仪器的凹坑里放进少量固体药品;?塑料多用滴管套上一段胶皮管,吸进所需液体试剂,插入支管中,使塑料多用滴管和支管之间密封连接;? 用带导管的橡皮塞塞紧管口,把这个装置固定在操作台上。

 

3 气体的制取

 

制取气体时,挤压塑料多用滴管的胶头,逐滴滴入液体试剂,发生反应,产生气体。通过控制滴加液体试剂的量和速度,就可以很好地控制产生气体的多少和快慢,不会出现液体难以滴下的情况。

 

4 气体的干燥

 

在直管内靠近凹坑的位置塞一团棉花,可以净化气体。若需干燥气体,可在棉花团中铺一层固体干燥剂(如碱石灰、氯化钙等)。

 

5 气体的收集

 

在导气管上连接一支微型集气瓶,就可以直接用排空气法收集气体了。如图31)所示,微型集气瓶瓶口向上,就是向上排气法收集气体,反之,如图32)所示,微型集气瓶瓶口向下,就是向下排气法收集气体。

 

当用排水法收集气体时,装置如图4所示。首先在微型气体发生器中制取少量气体,排除装置内的空气。再把微型集气瓶放进盛有适量水的水槽中,用胶皮管将微型气体发生器和微型集气瓶连接起来,继续滴加液体试剂产生气体。当微型集气瓶内充满气体时,用水止夹夹紧胶皮管,立即将胶皮管和微型气体发生器分开,再把微型集气瓶的瓶口对着倒放在水槽中的橡皮塞轻轻向下一压,使橡皮塞塞紧瓶口,将微型集气瓶从水槽中取出。

 

6 试验气体的性质  

 

气体的性质实验可以在微型气体实验器的直管内完成,也可以在微型集气瓶内完成,主要包括以下几个方面:

 

61气―液反应

 

气体和溶液表面接触,被溶液吸收而发生反应,产生变色或者生成沉淀等实验现象。在微型气体实验仪的装置内实现气-液反应的方法有以下几种:

 

方法1用塑料多用滴管在微型气体实验器直管部分设置的小凹坑内滴入1-2滴液体试剂,制得的气体在直管内直接和液体试剂反应;

 

方法2在微型气体实验仪直管部分放进剪成细条状的滤纸(或试纸),用塑料多用滴管在滤纸条上滴上液体试剂,制得的气体在直管内直接和液体试剂反应;之后,再继续进行有关实验,如:SO2使湿润的品红试纸褪色后,用酒精灯给直管内的品红试纸稍微加热,品红试纸又恢复红色;Cl2使滴有NaBr溶液的滤纸条变色后,再给滤纸上滴上KI溶液,滤纸又变色;等等。

 

方法3用向上排空气法将气体如Cl2SO2等收集在微型集气瓶中,在塑料多用滴管内吸入少量液体试剂,用手捏住胶头部分不松开,使细径部分充满液体试剂,将细径伸入微型集气瓶中,稍微松开手,使少量气体被吸进细径内和液体试剂发生反应。然后将细径内的液体试剂挤出。

 

方法4:用手捏住塑料多用滴管的胶头部分不松开(塑料多用滴管内吸有少量液体试剂,不要将试剂挤出),将细径伸入收集有气体微型集气瓶中,松开手,将气体吸进塑料多用滴管的胶头部分,气体和液体试剂在胶头内充分反应。

 

62气―固反应

 

1还原性气体在加热条件下还原金属氧化物

 

将少量固体药品放在微型气体实验器直管内壁两个小凹坑之间的位置上,制取气体并检验纯度后,用酒精灯火焰在有固体的部位加热,观察现象。如:用氢气、一氧化碳、氨气等还原氧化铜。

 

2金属单质、非金属单质的燃烧 

 

1:将一小块金属钠放在微型气体实验仪的直管部分(为了防止反应时炸裂,要把钠放在玻璃纤维上),制取少量氯气,给钠加热,观察钠在氯气中燃烧的现象。

 

方法2试验铜丝在Cl2中的燃烧。在微型制气装置内制取Cl2,用向上排气法将Cl2收集在微型集气瓶中,用酒精灯火焰将细铜丝烧热,然后立即伸入充满Cl2的微型集气瓶内,观察细铜丝在Cl2中燃烧的实验现象。

 

63 气―气反应

 

1可燃性气体的燃烧 

 

在导气管口连上一支医用针头(为了安全将针头磨平),利用微型制气装置制取气体, 检验气体纯度后点燃气体,在火焰上罩一支小烧杯,检验燃烧产物。如:氢气、硫化氢等气体在空气中的燃烧。

 

2两种气体之间的反应

 

在微型混合气体发生器中可以制备两种气体。这两种气体可以直接在装置内反应,如硫化氢和二氧化硫的反应等;也可以是在一定的条件下发生反应,如氮气和氢气在加热和有催化剂的条件下反应合成氨等等。

 

7 气体的吸收 

 

试验气体的性质时,如果装置内的气体减少,会产生倒吸现象,预防倒吸的装置如图5所示。

 

用常规仪器实验时,虽然尾气吸收装置可以吸收排出装置外的尾气,但是无法吸收装置内的气体,气体利用率低且吸收很不彻底,不能完全消除尾气污染。当用微型气体实验仪器进行实验时,在实验结束后,取下塑料多用滴管,用洗耳球对着支管向装置内反复多次吹气,使多余的气体全部被吸收,可以完全有效地防止尾气污染环境。

 

五、装置改进的意义

 

微型实验是实现化学实验绿色化的重要途径和手段,集中体现了绿色化学的思想和理念。利用该套装置可以完成初高中化学中氧气、氢气、二氧化碳、一氧化碳、氯气、氯化氢、硫化氢、二氧化硫、氮气、氨气、一氧化氮、二氧化氮、乙炔等十几种气体的制备和性质实验,能够进行气体的制备、收集、检验以及试验气体的性质等实验基本操作。该套微型气体实验仪还可以应用于其它与气体有关的实验,如浓硫酸跟蔗糖的脱水作用、铜和浓硫酸的反应以及产物的检验,等等,应用范围十分广泛。

 

微型气体实验仪器具有结构简单,仪器容量小,药品用量少,操作简便,实验过程快,现象明显,实验成功率高,节省实验时间,安全性高,学生动手操作机会多,气体利用率高且无尾气污染,适用范围广等特点。该套仪器的种类少,核心部件功能多,不仅减少了实验操作步骤,而且降低了制造成本,实现了新课程标准对化学实验教学的新要求,具有推广应用价值。利用该套仪器进行实验教学,不仅所有学生可以人手一套仪器进行实验操作,可以培养学生的动手实验能力和创新精神,而且没有任何尾气污染,安全环保,有利于增强师生环境保护意识。

    
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