双节管气体发生器的设计及应用

叶永谦

问题的提出

启普发生器是中学化学常用的制气装置，它通过控制固体与液体的接触及分离实现反应的开始和停止，设计巧妙，使用方便。但同时也存在试剂消耗量大、排空时间长、浪费多、配件用途少、不适宜加热或剧烈反应等不足。对于该仪器的改进较为成功的是藕节式气体发生装置的设计（图1），它克服了启普发生器无法适用粉末状固体与液体反应，无法对反应进行加热，无法对固体反应物进行洗涤等不足。

藕节式气体发生装置的核心仪器是藕节式发生器，在实际使用中，该发生器也存在着不足之处：由于耳形弯管与玻璃支管呈90。夹角，使用和存放时较不方便，耳形弯管容易破碎，且一旦沾有固体，无法对其进行洗涤。

藕节式气体发生器再改进过程

第1代改进：将耳形弯管改为长支管为了解决耳形弯管的问题，将耳形弯管改为长支管，类似镰刀形，并在长支管口连接橡皮管用于导出气体。

第2代改进：将一体式改为分离式在实际使用中，镰刀形气体发生器的长支管仍然存在容易断裂的问题，因此将一体式的长支管改为在双孔橡皮塞中装直角导气管代替耳形弯管，并将三角漏斗改为球形漏斗，用于防止液体过多挥发。特别是制备氢气过程中常使用锌与稀盐酸反应，稀盐酸易挥发，被排入三角漏斗中时容易造成环境污染。因下管节的液体一般很少参与反应，为减少药品浪费，将藕节式气体发生器的容积从100毫升减少为70毫升。

第3代改进：将橡皮塞改成磨口玻璃塞第2代改进后的仪器在使用中出现了橡皮塞漏水问题，为此，将橡皮塞改为磨口玻璃塞，并将容积最终设定为75毫升。

经过3代改进，解决了藕节式气体发生器的不足。同时，将一体式装置改成组合式装置，可以针对不同的气体制备要求使用不同的组合。因该装置的核心仪器是双节管，故将改进后的装置称为“双节管气体发生装置”。该装置由双节管气体发生器（含带刻度的双节管、带导气管的磨口球形漏斗，见图2）及硅橡胶加热套装、塑料漏斗、塑料导管铁架台、烧杯等组成（图3）。其中，带刻度的双节管作为气体发生装置，固体反应物放在上节管。液体从带导气管的磨口长颈漏斗口加入，反应产生的气体通过塑料导管导出。倒扣的塑料漏斗和硅橡胶加热套装为选配仪器，视反应需要加装。如制备的气体有毒需尾气处理，则将气体通过塑料导管插入倒扣塑料漏斗中，再用烧杯中的液体吸收，倒扣的漏斗可确保吸收完全且有毒气体不会外逸。

结果与结论

设计了双节管气体发生器，可制备绝大部分常见气体

本项目针对启普发生器及改进装置藕节式气体发生裝置的不足，经过不断改进与实验，设计了双节管气体发生器，可用于制备的气体基本涵盖中学所需掌握的所有气体。这些气体分为3种类型：①不加热无毒型：如氢气、二氧化碳、氧气、乙炔等，以上几种气体制备的特点是不用加热，气体无毒，因此加热套装、倒扣塑料漏斗等均无需使用，只需双节管、带玻璃导管的磨口长颈漏斗、铁架台即可完成这些气体的制备和检验。②不加热有毒型：二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、硫化氢等气体的制备无需加热，因此不必使用加热套装。但是这些气体都有毒，因此需要倒扣的塑料漏斗，将气体通过塑料导管穿过倒扣塑料漏斗导入烧杯中的溶液进行尾气吸收。③加热有毒型：氯气、氯化氢、乙烯、氨气、一氧化碳等几种气体的制备均需加热，因此需要加热套装。同时这些气体大多有毒（乙烯除外），必须使用倒扣塑料漏斗进行尾气处理。

设计了滴定管测速仪，可精确测量气体生成速率并定量研究外界因素对反应速率的影响

本项目将双节管与碱式滴定管等配套使用，设计成滴定管测速仪，可用于精确测量气体的生成速率，并定量研究浓度、温度、催化剂等对反应速率的影响，操作简单，现象直观。

通过使用双节管装配的滴定管测速仪，结合硅橡胶加热套装，定量研究不同温度条件下锌与稀硫酸的反应速率变化情况，得出温度每升高10K，锌与稀硫酸反应速率增大1.27倍的结论。

创新点

设计巧妙、应用广泛双节管气体发生器通过组合法解决了藕节式气体发生器的不足，通过与加热套装、倒扣的塑料漏斗等组合可以制备和检验高中化学要求掌握的全部13种常见气体，且可以实现对这些气体的收集、检验和尾气吸收;通过将双节管与碱式滴定管、三角漏斗、加热套装等组合成滴定管测速仪，可测量固液生成难溶性气体的反应速率，精确度高。

操作简便、现象明显使用双节管气体发生器制备气体，操作简便。使用肥皂水形成气泡，通过燃烧进行检验，火焰和爆鸣声分别形成视觉和听觉冲击。在反应速率测定中使用甲基橙显色，将气体的产生速率巧妙地通过红色液面上升直观地展示出来，现象明显，印象深刻。

节约成本、安全环保双节管气体发生器批量生产每套仅为100元左右，且容积为75毫升，相对于启普发生器，明显节约了生产成本和药品剂量。双节管气体发生装置将藕节式气体发生装置的三角漏斗改进为带玻璃导管的磨口球形漏斗，有效减少了有毒气体从漏斗中外逸。配套倒扣的塑料漏斗，用于对有毒气体尾气进行充分吸收，氢气等形成的肥皂泡不用验纯即可燃烧，不存在安全隐患。

创新理念、培育素养新时期的教育理念更强调化学学科核心素养培育，将双节管气体发生器及滴定管测速仪的设计在省级公开课中传授，有利于培养学生核心素养中的科学探究与创新意识;使用滴定管测速仪从定量角度研究影响化学反应速率的因素，特别是温度对反应速率的影响定量研究，用数据说话，用证据推理，有利于培养学生核心素养中的证据推理与模型认知;设计小容量双节管、球形漏斗、倒扣漏斗等节能环保措施，有利于培养学生核心素养中的科学精神与社会责任。