固体与多种液体连续反应制备气体的演示装置设计

叶永谦　张贤金　吴新建　叶燕珠

摘要：针对启普发生器类装置无法实现一种固体与多种液体反应或者无法在反应前后对固体进行洗涤的问题，利用带n形弯管的改进型恒压漏斗、三角漏斗等仪器设计出可实现固体与多种液体连续反应制备气体的演示装置。对如何使用该演示装置进行了说明，同时以铝与冷水反应为例作进一步分析。该演示装置可以实现对固体的洗涤，还可以对气体进行收集、检验和实现尾气处理，操作简便、现象明显、绿色环保。

关键词：固体；多种液体；连续反应；制备气体；演示装置设计

文章编号：1005-6629（2016）1-0074-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

实验室采用固液相反应不加热制气体的实验装置很多，一般是启普发生器或相关简易装置。但是启普发生器这类装置的局限就是固体只能和一种液体反应，无法实现一种固体与多种液体连续反应或者反应前后对固体的洗涤。如铝与冷水反应需要对铝条进行多次洗涤，就无法在该类装置中进行。在该实验设计中，使用筒形分液漏斗配合三角漏斗、橡皮导气管、止水夹、烧杯等作为演示装置（见图1）。其中筒形分液漏斗（见图2）因装置下端设计有玻璃活塞，可以通过控制该活塞达到多次换液的目的。但是在实际操作中，由于橡皮导管老化问题，导致一段时间后均需更换，且止水夹对气流的控制效果不理想。为了解决以上问题，通过对恒压漏斗进行改装，配合其他仪器，可以设计出操作简便、现象明显、绿色环保的装置，用于演示固体与多种液体连续反应不加热制备气体并对气体进行收集、检验和实现尾气处理。

1.实验仪器

实验仪器：带n形弯管的改进型恒压漏斗，三角漏斗，烧杯，铁架台，铁夹，单孔橡皮塞。

其中带n形弯管的恒压漏斗是整套装置的关键仪器，在普通恒压漏斗（见图3）的基础上进行四处改装：一是将原来水平伸出的支管改为n形弯管，目的是为了保证液体可以充满瓶体，使排液法收集到的气体更纯净；二是在支管处多安装了一个玻璃活塞，用于控制气体的流速；三是下端外管不使用磨砂玻璃，直接用普通玻璃管，内管长度大于外管，防止可能的沉积物堵住外管（见图4）；四是将漏斗容量定为100毫升，既保证演示效果又节约药品。

2.实验装置图

在图5所示实验装置中，改进后的恒压漏斗用于盛放块状固体，三角漏斗用于加入液体反应物，反应产生的难溶性气体收集在恒压漏斗中。玻璃活塞1用于控制液体从内玻璃管多次流出，达到固体与多种液体连续反应或洗涤的作用。玻璃活塞2作为尾气吸收装置的控制开关，用于将产生的气体反复收集后通过外玻璃管通入烧杯中。通过以上装置，可以实现固体与多种液体反应并收集、检验、吸收难溶性气体，演示效果好。

3.使用说明

3.1气体的收集

将块状难溶性固体反应物放在带n形弯管的恒压漏斗中，往三角漏斗中加入液体反应物并充满瓶体。反应生成的气体将液体压入三角漏斗中，气体收集在n形弯管的恒压漏斗上部。通过三角漏斗中液面的上升可以直接观察到有气体的生成。

3.2可燃性气体的验证

若收集到的气体具有可燃性，可以在烧杯中加入溶有洗涤剂的水至没过外玻璃管下管口，打开玻璃活塞2后，三角漏斗中液面下降，将气体压出，并在烧杯中溶有洗涤剂的水面上形成气泡。用燃烧的木条火焰靠近气泡，可以观察到气泡燃烧起来并伴有爆鸣声。因首次排出的气体中混有导管中的空气，爆呜声显得清脆。再次关闭玻璃活塞2，待三角漏斗中液面上升到一定高度后，重复以上操作，由于此时排出的气体较为纯净，爆呜声显得沉闷。使用以上方法比直接燃烧氢气现象明显且能确保安全，直接燃烧氢气前要先验纯，否则可能爆炸，燃烧时也只有视觉的体验。而使用以上方法后，不验纯也不会出现安全事故，只是爆鸣声音更响亮而已，同时有视觉上的燃烧和听觉上的爆鸣声的体验，学生印象更为深刻。

3.3可燃性气体的尾气处理

打开玻璃活塞1，让漏斗中液体全部流入烧杯中，关闭该活塞。再打开玻璃活塞2，往三角漏斗中缓慢加入蒸馏水，将瓶体中的气体全部赶入烧杯中在液面上形成气泡，再用燃烧的木条火焰将气泡全部燃烧掉。

3.4有毒气体的尾气处理

如收集到的气体有毒，必须进行吸收处理，可在烧杯中装吸收液至没过外玻璃管下管口，打开玻璃活塞2控制气体流速，使气体缓慢进入烧杯中的吸收液，确保完全吸收。

3.5固体的洗涤或液体的稀释

如固体反应物需用溶液进行前期处理（如必须洗涤后再与其他液体反应），可通过两个玻璃活塞进行控制。如液体反应物反应一段时间后必须加水稀释再演示，可以先打开玻璃活塞1让浓溶液流出一部分，关闭该活塞后再往三角漏斗中加蒸馏水进行稀释。

4.使用实例

演示铝与冷水反应生成氢气，并实现氢气的收集、检验和尾气处理（见图6）。

4.1检验气密性

按图6将仪器安装好后，关闭玻璃活塞1、2，往三角漏斗中加入一定量水，若三角漏斗内外存在液面高度差且不变，说明气密性良好。

4.2铝条的处理

往烧杯中加入溶有洗涤剂的饱和硫化钠（因部分氧化为单质硫呈黄色）至没过外玻璃管下管口，关闭玻璃活塞1，打开玻璃活塞2，往带n形弯管的恒压漏斗中加入铝片，装上三角漏斗，往三角漏斗中加入5%氯化汞溶液充满瓶体，关闭玻璃活塞2。

4.3氯化汞溶液的处理

当观察到铝条与氯化汞溶液剧烈反应时，立即打开玻璃活塞1，使溶液全部流入硫化钠溶液中形成硫化汞沉淀。由于饱和硫化钠中有单质硫存在，可以与流出的单质汞反应生成硫化汞。

4.4铝条的洗涤

待漏斗中溶液全部流出后，往漏斗中加入蒸馏水洗涤铝条，反复三次。

4.5铝与水反应及氢气的收集

铝条洗涤后，关闭玻璃活塞1，往三角漏斗中加入蒸馏水至充满瓶体，关闭玻璃活塞2。铝与蒸馏水反应，表面有气泡冒出，溶液变白色浑浊，产生的无色气体将溶液压入三角漏斗中。

4.6检验氢气

打开玻璃活塞2，三角漏斗中液面下降，将氢气压出，并在烧杯液面上形成气泡。用燃烧着木条火焰靠近气泡，气泡燃烧起来并伴有清脆爆呜声。再次关闭玻璃活塞2，待三角漏斗中液面上升到一定高度后，重复以上操作，由于所得氢气较为纯净，爆鸣声显得沉闷。

4.7尾气处理

方法与使用说明相同。

5.装置优点

使用本装置对固体与多种液体连续反应不加热制备气体进行演示，具有以下优点。

5.1填补空白

目前实验室尚无此类装置，填补了演示装置的一项空白，解决了启普发生器类装置及筒形分液漏斗连接橡皮导管存在的不足。

5.2现象明显

通过三角漏斗中液面的上升直观感受难溶性气体的生成，通过可燃性气体形成的气泡的燃烧和爆呜声，对学生形成视觉和听觉上的冲击。

5.3操作简便

只需简单控制玻璃活塞，即可实现气体的产生、收集、检验、尾气处理和固体的洗涤、液体的稀释等操作。整个实验一气呵成，演示时间一般不超过五分钟，适合在课堂上演示。

5.4绿色环保

带n形弯管的恒压漏斗容积设计为100毫升，既保证演示效果又节约药品，下端外玻璃管浸入烧杯中的溶液可用于有毒气体的有效吸收。