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第14章 化学实验中实验装置的改进设计(1)

液体的稀释及分瓶装置

在准备实验时常对浓硫酸或挥发性有毒的液体进行稀释和分瓶,为防止溅到身上和发生中毒现象,天津静海县二中王喜贵、余孟莹老师设计和自制了一套装置,介绍如下:

自制液体稀释装置

(1)所需仪器

①刻度瓶(可以用500毫升的细口瓶代替,但标刻度时要经多次校准)。

②洗耳球三个(其中固定在液体稀释装置上的一个可以把尖端切去5毫米左右)。

③冷却装置〔外壳可用一个方型塑料水槽底部打一个孔,冷凝器的出液端(套一胶塞)从孔内伸出时,恰好用胶塞把孔塞紧,冷凝部分可用玻璃弯管代替,但进液口要制成漏斗状,以便水和被稀释的溶液流入〕。

④胶塞。

⑤玻璃导管。

⑥乳胶管。

⑦滴管(用于图2的洗耳球下和A、B两处,A、B两处根据需要可截去一部分)。

⑧带活塞的导管。

⑨木箱。

⑩塑料水壶(盛蒸馏水用,放在木箱上方用乳胶管和带活塞的导管与a瓶相接)。

(3)使用说明①按照所需稀流的浓度和体积,计算出应需用水和酸的体积。

②向冷却装置里注入冷水,同时将稀溶液接收瓶(d瓶)放置在冷却装置出口处下方。

③扭动盛水容器上的活塞,按计算结果向刻度瓶(a瓶)中注入一定体积的水。挤压图2上的洗耳球向刻度瓶(b瓶)内注入一定体积的浓液(c瓶是盛溶液的原装瓶,连通c瓶向(b)瓶注液的玻璃导管可用一粗一细两根。从b瓶竖直出来的一根粗一些,把细的一根插在粗的一根里面一部分,外面再用乳胶管套上防止漏气,这样细的部分有一定的活动量,更换c瓶比较方便)。

④用洗耳球尖端挨紧图2的A、B处,挤压洗耳球,溶液和水就会在冷凝装置中混合(最后a瓶b瓶及导管中会剩有少量液体,标定刻度时应考虑进去)。a瓶内水的流出速度可用出水管口的大小确定,b瓶内溶液的流出速度可用手指贴在B处像用移液管一样,根据手指贴的松紧程度来控制,也可以把B处换用带活塞的导管来控制。

⑤用d瓶接收混合好的稀液。

(1)装置图:

洗耳球尖端切去5毫米左右(2)使用说明:

把图2中盛有稀溶液的d瓶取出,把图4的橡皮塞塞紧d瓶瓶口,挤压洗耳球,溶液就会从导管流出分装在小试剂瓶中。

如果是分装浓盐酸、浓氨水等液体,可用购买来的原瓶浓液去掉瓶盖,配上图4式样的塞子即可分装浓液。

以上两种装置经我们试用,操作安全,而且效率高。

一种多用途的实验装置

实验用具,锥形瓶(或烧瓶)、胶头滴管、双孔橡皮塞、小气球(系在导管上)。

安徽寿县教研室陶曙老师设计的实验装置:

实验内容:

气体溶解的实验的改进

必修本中对NH3、HCl等气体的溶解性验证都用喷泉实验,此实验要求高,操作不简便,且常因漏气等原因使实验失败。若改用图1装置,即能验证气体的溶解性,且使实验操作简便,还能培养学生的逆向思维能力。

操作方法:先收集一瓶NH3(或HCl)气体,滴管吸满酚酞试液(或石蕊试液),如图1所示安装密封后,挤压胶头,稍振荡。此时可观察到酚酞试液(或石蕊试液)变红,瓶内的小气球渐渐鼓起(因NH3(HCl)溶解后,瓶内气体压强减小,空气被压入气球将气球“吹”鼓)。

CO2、SO2等气体与碱溶液的反应的实验

在九年义务教育初三化学课本(入教社)中,讲碱的通性时,对CO2、SO2等酸性氧化物与碱的反应没有安排实验,为了加强直观教学,可用图1装置进行实验。

操作方法:同上相似,只需将瓶内气体改成CO2或SO2胶头滴管吸满NaOH溶液即可。(因CO2+2NaOH=Na2SO3+H2O。瓶内气体压强减小,空气被压入气球将小气球“吹”鼓)。

质量守恒定律实验的改进

教材中该定律的演示实验存在操作不简便,现象不明显等缺点,若改用图2装置,实验现象明显,操作也很简便。

操作方法:先在瓶内放入约2克CaCO3粉末,滴管吸满稀盐酸,按图2装置密封后,放置托盘天平上。调节使之平衡,拿下装置挤压胶头,此时有大量气体产生,小气球渐渐“吹”鼓(现象很明显)。反应停止后,再放置托盘天平上,天平仍保持平衡,达到了实验目的。(CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑)。

理想的储气装置——氧气袋

医用氧气袋是一种供急救用的医疗器材,结构简单,实际上就是一只橡皮制的气囊。不充气时呈扁平形,只残留极少的空气,充气后外形象一只枕头,充气时净压可达045公斤/厘米2,常压下约可储20升气体。杭州七中邱布恩老师介绍用它来代替水压式储气瓶储放氧气或其它气体,使用简便,效果良好,给实验员和教师带来不少方便。

跟水压式储气瓶比较氧气袋有如下特点:

(1)充气和供气时不要用水,它在不充气时是瘪的,囊内只留有极少的空气,所以在充气时只要把气囊的橡皮管接上气源,利用气源的压强就可以把气体灌入囊内,灌足后用橡皮管夹夹住橡皮管,气体不会外逸,可长期保存。使用时只要松开管夹或轻轻挤压气囊就能得到稳定的气流,可直接使用也可以导入集气瓶里备用,简便易行。水压式储气瓶在充气或供气时要用大量的水殊多不便。

(2)氧气袋是橡胶制品又是急救器材,它的机械强度大,耐冲击,气密性高,携带方便,经久耐用。

水压式储气瓶是由玻璃仪器连接而成,使用时稍一不慎就会碎裂或漏气,影响使用,特别在储存可燃性气体时,一旦混入空气就有可能发生意外,携带或使用该装置时,总有一种不安全感。氧气袋的气密性高,气体“只出不进”,又耐冲击,因此在使用时安全可靠,我校在使用时从未发生意外。

(3)能储存多种气体,我们先后储存过O2、H2、CO、N2、CH4以及N2和H2的混合气体,也可储存易溶于水的气体(如CO2)。可用于演示实验也,可用于学生实验和开展使用这些气体的课外活动。但不能储存对橡皮有腐蚀作用的气体(如Cl2)(4)医疗器械商店有现货供应,售价不高,其大小规格能适应中学化学实验的需要,且不经改装就能直接使用。

氧气袋作为一种简便的储气装置,曾经在以下实验中使用,可供择优选用。

储氧和使用氧气的实验

初中《氧气的性质和用途》的教学中,一节课要用4-5瓶氧气做演示实验,所用的氧气都得在课前制备好,平行班级多的话,工作量就相当大,每位化学教师和实验员对此都是有切身体会的。用氧气袋就能解决这个矛盾,我们用两只氧气袋到附近的工厂或医院去灌装氧气,然后再用排气集气法分装在集气瓶中,或者在教室里临用临取十分方便,省钱省事,工作量大大减轻。

有了现成的气源还可以改变某些实验的操作方法。例如燃硫实验,可按(图一)把燃着的硫置于集气瓶中,然后把导管接上氧气袋缓缓通入氧气,硫会烧得更旺,发出明亮的蓝紫色火焰。停氧则燃烧变慢,可反复几次,实验效果很好。高一化学课中,还可以用燃烧所得SO2试验其有关的性质,如(图一)把SO2导入一品红溶液中,使一品红褪色,导入石灰水中产生白色沉淀。

把所得的SO2继续进行接触氧化也是很方便的,如(图二)接上一支装有催化剂(新制的Cr2O3或钒触媒)的硬质玻管,加热,再轻轻挤压氧气袋使SO2和O2的混合气体导入接触管,片刻后即可看到盛水的试管有大量的酸雾冒出,往试管中滴加01M的氯化钡溶液,可观察到白色沉淀。

用氧气袋里的氧气做水煤气的实验也简便易行。如(图三)在已装有小粒子木炭的硬质玻管里投入一小块已烧成红热的木炭,随即塞上具塞导管,再轻压氧气袋通入氧气,此时由于氧气通过热水必然会带入少量水蒸汽,玻管内的木炭已具备产生水煤气的反应条件,导管口即可点燃生成的水煤气。如若反应太激烈的话,可停氧改通空气。导出水煤气的玻管一些细铜丝的目的是起阻爆作用。

此外在高三有机化学《乙炔》的教学中可以利用氧气袋里氧气做氧炔焰的演示实验。

上述这些实验中如果所用的氧气是用氯酸钾和二氧化锰共热,或过氧化钠加水等方法临时发生的,由于气流时急时缓很难调节,另一方面教师要在同一时间内照顾各个反应点难免有点紧张,甚至顾此失彼。用氧气袋就能操作自如。成功率较高,教学时间也容易控制。

储存一氧化碳和有关实验

初中和高二年级都有用一氧化碳还原金属氧化物的实验,以往我们所用的CO都是在课堂里临时制取的,先安装好CO的发生装置,然后再用导管跟反应管连接起来,各连接部位有无漏气,位置的高低都得细心检查和调整,这样一个小小的实验就变得相当复杂,教学时间难免不易掌握。

用氧气袋作为储存CO的装置,课前把净化干燥的CO充入气囊中,上课时如(图四)反应管的a端接气囊的橡皮管,b端导入石灰水中,实验时先挤压气囊驱尽整个装置内部的空气,以免加热玻管时产生意外,然后再加热装有氧化铜(或氧化铁)的玻管,同时在c端点燃未反应的CO,待管内反应物的颜色发生显着变化,石灰水发生混蚀后,即可撤火,并让管内的生成物在CO的气流中缓冷。由于整个装置比较简单,操作也十分方便,实验时间缩短,教师就能从容不迫的掌握课堂教学的主动权。留在囊内的剩余气体下一个班级仍能继续使用,一袋CO能使用三次到四次。

合成氨实验

氮、氢合成氨的实验比较麻烦的是要同时使用两套气体发生装置,特别是发生氮气的装置,气流不稳定,它与氢气的体积比也不易控制。用氧气袋做储气装置使本实验变得简单易行。

首先在气囊中充入适量的氮气,然后再充入3倍体积的氢气,使两者在气囊中充分涨和作为合成反应的原料气。演示时可按(图五)把混和气体从(a)端导入装有催化剂的硬质玻管(b),驱尽管内的空气,然后加热催化剂,续通混和气。片刻后滴有酚酞试液的试管(c)中的水就会变成浅红色,并能闻到氨的刺激性气味。

化学实验装置改进

启普发生器吸取废酸装置

启普发生器经常从容器下口排废酸,容器下口因经常磨损而易漏酸。若从容器上口排废酸很费事。若按图1装置排废酸十分简便。北京十一中谢遵生、叶树琛老师介绍排酸方法:

(1)插入导管,盖紧上方单孔橡胶塞,并使导管中接触启普发生器底部。

(2)关闭玻璃旋塞,当废酸和锌粒稍稍反应、把废酸压入导管,流到废酸贮瓶中,立即打开玻璃旋塞。

(3)贮酸瓶一定要放在比启普发生器低的地方。

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