葉永謙

啟普發(fā)生器是中學(xué)化學(xué)常用的制氣裝置，它通過(guò)控制固體與液體的接觸及分離實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的開(kāi)始和停止，設(shè)計(jì)巧妙，使用方便。但啟普發(fā)生器也存在試劑消耗量大、排空時(shí)間長(zhǎng)、浪費(fèi)多、配件用途小、不適宜加熱或反應(yīng)劇烈等不足。為了解決以上不足，我將固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體的演示裝置與啟普發(fā)生器固液分離設(shè)計(jì)精髓相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置。

設(shè)計(jì)思路

解決容積過(guò)大問(wèn)題

由于啟普發(fā)生器有250、500、1000、2000毫升等規(guī)格，在課堂演示或分組實(shí)驗(yàn)中往往要浪費(fèi)大量的藥品。為了節(jié)省藥品，可將其葫蘆型底座改為100毫升藕節(jié)式，保留其固液分離設(shè)計(jì)理念；再將上部球形漏斗改為三角漏斗，使改裝后的儀器既節(jié)省藥品，又是實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)儀器，不至于使學(xué)生難以理解和接受。

解決固體洗滌問(wèn)題

啟普發(fā)生器底座設(shè)計(jì)的初衷應(yīng)是可以直接放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，從而導(dǎo)致反應(yīng)液無(wú)法從底部排液，因此無(wú)法對(duì)反應(yīng)過(guò)的固體進(jìn)行洗滌或者換用其他反應(yīng)液進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。為了解決這個(gè)不足，我借鑒分液漏斗的設(shè)計(jì)思路，將底座改為半球形并加裝控制液體流出的玻璃活塞。

解決無(wú)法加熱問(wèn)題

由于啟普發(fā)生器的葫蘆式結(jié)構(gòu)及底部是平面的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)其進(jìn)行加熱。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我針對(duì)藕節(jié)式主體結(jié)構(gòu)尋找加熱裝置，要求該裝置必須能夠?qū)ωQ直的玻璃管進(jìn)行加熱。經(jīng)過(guò)尋找，我發(fā)現(xiàn)硅橡膠加熱套裝可以解決這個(gè)問(wèn)題。

藕節(jié)式氣體發(fā)生器的組成和功能

在以上設(shè)計(jì)思路啟發(fā)下，經(jīng)過(guò)6代修改、實(shí)踐和再調(diào)整，我最終設(shè)計(jì)出第6代發(fā)生裝置，由于發(fā)生器形狀類似于藕節(jié)，整套裝置命名為藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置。

藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置由藕節(jié)式氣體發(fā)生器、加熱套裝、三角漏斗、倒扣的塑料漏斗、燒杯、鐵架臺(tái)等幾部分組成，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1，實(shí)物圖如圖2。其中，藕節(jié)式氣體發(fā)生器上節(jié)管為發(fā)生裝置和集氣裝置，下節(jié)管外包裹有硅橡膠加熱套。硅橡膠加熱套連接數(shù)顯溫控儀，用于控制加熱溫度。倒扣的塑料漏斗及燒杯部分屬于尾氣吸收裝置，也可用于部分性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。硅橡膠加熱裝置及倒扣的塑料漏斗屬于選配部分，視具體反應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)套裝。

以上裝置中，藕節(jié)式氣體發(fā)生器是整套儀器的核心部分，其示意圖見(jiàn)圖3。該發(fā)生器中部是藕節(jié)式雙節(jié)管，秉承啟普發(fā)生器固液分離設(shè)計(jì)精髓。上節(jié)管用于盛放塊狀固體反應(yīng)物，反應(yīng)開(kāi)始后氣體收集在上節(jié)管，因此上節(jié)管既做發(fā)生裝置又做集氣裝置。下節(jié)管作為貯液裝置，氣體產(chǎn)生后，上節(jié)管液體被壓入下節(jié)管，下節(jié)管液體則被壓入三角漏斗。通過(guò)控制玻璃活塞1，產(chǎn)生的氣體可以順著耳形彎管進(jìn)入導(dǎo)氣外管，最后在燒杯中進(jìn)行性質(zhì)實(shí)驗(yàn)或者尾氣處理。也可以關(guān)閉玻璃活塞1，打開(kāi)玻璃活塞2，直接將氣體排出做性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。玻璃活塞2所在的支管與耳形導(dǎo)管所在的平面呈90°夾角，通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度可以只正面呈現(xiàn)支管或者耳形導(dǎo)管二者之一，防止干擾觀察效果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)控制玻璃活塞3實(shí)現(xiàn)對(duì)固體反應(yīng)物的洗滌，或者讓固體反應(yīng)物與一種液體反應(yīng)后將該液體排空繼續(xù)與另一種液體反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)玻璃活塞3，液體通過(guò)排液內(nèi)管進(jìn)入燒杯進(jìn)行廢液處理。

該裝置借鑒了啟普發(fā)生器固液分離設(shè)計(jì)理念，使用脫脂棉包裹粉末狀固體可以實(shí)現(xiàn)粉末狀固體反應(yīng)時(shí)與液體脫離；使用硅橡膠加熱套裝可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)進(jìn)行加熱；結(jié)合分液漏斗下管液體流出設(shè)計(jì)思路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)固體反應(yīng)物進(jìn)行洗滌、一種固體與多種液體反應(yīng)等新功能。設(shè)計(jì)了倒扣的塑料漏斗等處理廢液廢氣，使用植物油覆蓋法避免有毒氣體散發(fā)，確保裝置演示時(shí)安全無(wú)污染?？梢匝菔玖蚧瘹洹⒀鯕?、氨氣、氯氣、一氧化氮、二氧化氮等氣體的制備、收集、檢驗(yàn)、尾氣處理等過(guò)程，展示了該裝置設(shè)計(jì)巧妙、使用方便、適用廣泛、綠色環(huán)保的特點(diǎn)。

創(chuàng)新點(diǎn)

固液脫離方式的創(chuàng)新

藕節(jié)式設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新：按照固液分離時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同進(jìn)行分類，藕節(jié)式氣體發(fā)生器屬于液離式改進(jìn)類型。但與常見(jiàn)的液離式改進(jìn)不同，該發(fā)生器傳承了啟普發(fā)生器葫蘆式節(jié)管分離固體和液體的設(shè)計(jì)精髓，且方便制作和使用。

粉末狀固體的處理方式上的創(chuàng)新：對(duì)于粉末狀固體，只需用棉花或者小紗袋將其包住放在上節(jié)管，即可實(shí)現(xiàn)固液脫離，使該儀器的使用范圍明顯拓寬。

綠色環(huán)保方面的創(chuàng)新

綠色環(huán)保功能創(chuàng)新：藕節(jié)式氣體發(fā)生器容積為100毫升，普通啟普發(fā)生器有250、500、1000、2000毫升等規(guī)格，藕節(jié)式氣體發(fā)生器可以節(jié)約至少一半藥品。更重要的是，藕節(jié)式氣體發(fā)生器還具有避免氣體污染的功能。反應(yīng)發(fā)生后，氣體溶解在上節(jié)管中，液體達(dá)到飽和即能將下節(jié)管液體壓入三角漏斗。由于下節(jié)管液體基本不含或者少含有氣體，進(jìn)入三角漏斗后盡管壓強(qiáng)減小，也不會(huì)有氣體逸出，可以避免空氣污染。

廢液廢氣處理的創(chuàng)新：與固體與多種液體連續(xù)反應(yīng)制備氣體的演示裝置相同，本發(fā)生裝置同樣設(shè)計(jì)了倒扣的塑料漏斗，可以將有害氣體全部控制在燒杯中慢慢吸收。發(fā)生器下端導(dǎo)氣外管口徑大于導(dǎo)液內(nèi)管，也能讓氣體與燒杯中液體更充分接觸。導(dǎo)液內(nèi)管長(zhǎng)于導(dǎo)氣外管，可以避免反應(yīng)液進(jìn)入燒杯后可能生成的沉淀堵塞導(dǎo)氣外管，導(dǎo)致氣體無(wú)法順利導(dǎo)出造成安全隱患。

加熱方式的創(chuàng)新

在對(duì)藕節(jié)式氣體發(fā)生器加熱中，硅橡膠加熱套包裹在下節(jié)管，不影響上節(jié)管實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。且加熱時(shí)溫度先升高的是下節(jié)管液體，根據(jù)對(duì)流原理，上節(jié)管液體溫度也能迅速上升，加熱速度較快，節(jié)約時(shí)間，適合在課堂演示實(shí)驗(yàn)中使用。

該項(xiàng)目獲得第32屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

該項(xiàng)目原理科學(xué)，設(shè)計(jì)巧妙。經(jīng)過(guò)數(shù)代修改，可以對(duì)多種氣體進(jìn)行制備，體現(xiàn)出使用范圍廣泛、綠色環(huán)保的特點(diǎn)。作品制作規(guī)范，教學(xué)效果明顯，有示范推廣價(jià)值。希望該項(xiàng)目進(jìn)一步改善和提高工藝。