江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221002)

彭春艷 李德前

有色氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)新設(shè)計(jì)

江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221002)

彭春艷 李德前

在中學(xué)物理、化學(xué)、科學(xué)等實(shí)驗(yàn)中，常借助于有色氣體(如二氧化氮)的擴(kuò)散現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明“構(gòu)成物質(zhì)的分子都在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)”，有關(guān)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖1、2所示。

圖1 人教版氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 浙教版氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置

教科書(shū)上設(shè)計(jì)的該實(shí)驗(yàn)存在一些不足之處，筆者受同行專家的啟發(fā)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 原實(shí)驗(yàn)的不足

本實(shí)驗(yàn)存在的不足主要是：①單獨(dú)制取二氧化氮?dú)怏w比較麻煩，操作起來(lái)難度更大；②在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，劇毒的二氧化氮?dú)怏w容易外逸污染大氣(尤其是在抽掉玻璃板的時(shí)刻)，并且教室里通常沒(méi)有安裝通風(fēng)設(shè)備，危害師生健康。

2 對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

筆者將“二氧化氮?dú)怏w的收集裝置”與“二氧化氮?dú)怏w的擴(kuò)散裝置”合二為一，再與“二氧化氮?dú)怏w的發(fā)生裝置”連接起來(lái)，從而組合為功能集成的一體化實(shí)驗(yàn)裝置。

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

50 mL的錐形瓶、250 mL 的集氣瓶(或球形干燥管、U形三通管等)、配套的有孔橡皮塞、玻璃導(dǎo)管、乳膠管、彈簧夾、2.5 mm×250 mm的紫銅(或黃銅)、濃硝酸、氫氧化鈉溶液、棉花等。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

裝入藥品前的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置之一(裝入藥品前)

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

在室內(nèi)溫度約12 ℃、本地氣壓約1 atm的條件下，進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)。

(1)取1根直徑約2.5 mm、長(zhǎng)約25 cm的紫銅絲，并將其下端砸成扁平狀(以增大與硝酸反應(yīng)的接觸面)；然后將紫銅絲插入與錐形瓶配套的橡皮塞中，并確保紫銅絲在橡皮塞中能自由的上下移動(dòng)(可在紫銅絲的中部涂抹少許凡士林)。

(2)如圖3所示連好實(shí)驗(yàn)裝置，并用記號(hào)筆在集氣瓶容積的1/2處劃出容積分界線。檢查裝置的氣密性的方法如下：用一小段橡皮管將注射器吸入口與細(xì)導(dǎo)管管口連接起來(lái)，再外拉注射器活塞一小段距離，若松開(kāi)手后注射器活塞能回到原處，則裝置不漏氣。

(3)若裝置不漏氣，先拔掉錐形瓶口上的橡皮塞，向錐形瓶里緩慢注入適量的濃硝酸，把浸有氫氧化鈉溶液的棉花團(tuán)覆蓋在細(xì)導(dǎo)管口上，如圖4所示。

圖4 氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置(裝入藥品后)

(4)稍稍用力按下紫銅絲，使其末端浸入濃硝酸中，銅立即與濃硝酸反應(yīng)，放出紅棕色的二氧化氮?dú)怏w。主要反應(yīng)是：Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，紅棕色的氣體逐漸充滿錐形瓶，然后沿著長(zhǎng)導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶中(以向上排空氣法收集)。當(dāng)紅棕色氣體充滿集氣瓶的下半部時(shí)，將紫銅絲提起來(lái)(反應(yīng)立即停止)，并將彈簧夾夾在乳膠管上。

(5)此時(shí)可以觀察到，集氣瓶下半部分密度大于空氣的二氧化氮?dú)怏w逐漸上升，擴(kuò)散到集氣瓶上半部分的空氣中(見(jiàn)圖5)。同時(shí)，集氣瓶下半部氣體的顏色逐漸變淺，上半部氣體由無(wú)色逐漸變?yōu)榈募t棕色。大約6 min左右，整個(gè)集氣瓶中的氣體顏色一致，均為稍淡一些的紅棕色。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，二氧化氮?dú)怏w能與空氣相互擴(kuò)散，進(jìn)而證明二氧化氮分子、氧分子均在不停地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)之中。

圖5 二氧化氮?dú)怏w在大試管里逐漸向上擴(kuò)散

(6)氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)束，松開(kāi)彈簧夾；然后借助注射器(或膠頭滴管)，沿著細(xì)導(dǎo)管向集氣瓶里注入足量的氫氧化鈉溶液，輕輕振蕩，以吸收、清除二氧化氮?dú)怏w。主要反應(yīng)是：2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O。

(7)整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后拆開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置，注意拆分成兩部分：其中一部分是二氧化氮?dú)怏w的發(fā)生裝置(包含乳膠管，并把彈簧夾夾在乳膠管上以防濃硝酸揮發(fā))；另一部分是二氧化氮?dú)怏w的收集與擴(kuò)散裝置，這部分裝置要及時(shí)沖洗、晾干。

(8)若使用圖6所示的改進(jìn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也能得到與圖3裝置相同的結(jié)論(操作程序不再贅述)。

圖6 氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置之二

(9)若使用圖7改進(jìn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同樣可以得到與圖3裝置相同的結(jié)論(操作程序不再贅述)。另外，在二氧化氮?dú)怏w的擴(kuò)散過(guò)程中，如果用電吹風(fēng)對(duì)著U形管其中的一個(gè)直管吹熱風(fēng)，則該管內(nèi)二氧化氮?dú)怏w擴(kuò)散的速率明顯大于另一個(gè)直管內(nèi)二氧化氮?dú)怏w擴(kuò)散的速率。這可以說(shuō)明溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)的速率加快。

圖7 氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置之三

2.4 幾點(diǎn)說(shuō)明

(1)二氧化氮?dú)怏w的發(fā)生裝置，不要使用容積較大的儀器，以減少二氧化氮?dú)怏w在發(fā)生裝置中的殘留，從而節(jié)省藥品、縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，拆下的發(fā)生裝置不需要清洗，下一次實(shí)驗(yàn)時(shí)可以直接使用(只要銅和濃硝酸足量，該發(fā)生裝置就能反復(fù)使用)。

(2)本實(shí)驗(yàn)對(duì)二氧化氮?dú)怏w的純度沒(méi)有過(guò)高要求，因此不需要再添加氣體的凈化和干燥裝置。

(3)如果沒(méi)有紫銅，使用黃銅也可以，因?yàn)辄S銅中的金屬鋅與濃硝酸反應(yīng)也能產(chǎn)生二氧化氮?dú)怏w。有關(guān)反應(yīng)是：Zn+4HNO3(濃)=Zn(NO3)2+2NO2↑+2H2O。

3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)用品簡(jiǎn)約化，節(jié)省藥品、方便操作。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程綠色化，既保護(hù)了環(huán)境，又培養(yǎng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

(3)實(shí)驗(yàn)原理綜合化，既促進(jìn)了學(xué)生靈活運(yùn)用物理、化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，又提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

(4)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀化，有利于學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

(5)發(fā)生裝置可控化，拓展了實(shí)驗(yàn)室氣體制備的知識(shí)，開(kāi)闊了學(xué)生的視野，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

(6)改進(jìn)裝置多樣化，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。

(7)實(shí)驗(yàn)裝置集成化，既有利于教師連續(xù)授課，也方便學(xué)生動(dòng)手探究，提高了課堂教學(xué)的效率。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2017-08-02