曹桂禎 龔孟增 許奕欣

摘要： 為防污染裝置量身定做了更適用的氣體發(fā)生和液體排出專用儀器，制作了吸收能力更強(qiáng)的尾氣處理裝置，引入噴淋裝置提升了消除殘留氣體的效果。介紹了防污染裝置的使用方法和注意事項(xiàng)，改進(jìn)了該裝置在銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的操作，使實(shí)驗(yàn)更安全、現(xiàn)象更明顯。

關(guān)鍵詞： 有害氣體； 防污染裝置； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)化

文章編號(hào)： 1005-6629（2023）03-0076-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問(wèn)題的提出

本刊2022年第10期“有害氣體實(shí)驗(yàn)通用防污染裝置的設(shè)計(jì)”一文［1］（下稱“原文”），提出了用“釜底抽薪”的方法從氣體發(fā)生裝置中排出液體，通過(guò)固液分離、冷卻、稀釋、中和等方法來(lái)終止反應(yīng)，用鼓氣球排出裝置內(nèi)殘留有害氣體的設(shè)計(jì)方案（見圖1所示）。原文雖有涉及有害氣體的發(fā)生與終止、排出與吸收裝置，但對(duì)裝置的制作只停留在將現(xiàn)有儀器（包括可直接網(wǎng)購(gòu)的儀器）進(jìn)行組合，沒(méi)有為該裝置量身定做專用儀器，導(dǎo)致使用起來(lái)仍有諸多不足。此外，原文對(duì)該裝置的使用方法、注意事項(xiàng)等也缺乏詳細(xì)介紹。為此，本文對(duì)該防污染裝置的制作、操作等細(xì)節(jié)問(wèn)題作了如下進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

2? 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)優(yōu)化

2.1? 氣體發(fā)生與液體排出裝置的優(yōu)化

（1） 原裝置的不足：①加料瓶的瓶底低于下端支管（底加厚會(huì)造成加熱慢），必須傾倒才能完全排出液體，由于該裝置連著多個(gè)儀器，操作起來(lái)不方便；②使用該裝置時(shí)，聚四氟乙烯活塞（圖1中活塞K）與液體接觸，熱的液體會(huì)使聚四氟乙烯活塞膨脹，影響活塞的轉(zhuǎn)動(dòng)；③加料瓶的底面積較大且是平底，實(shí)驗(yàn)時(shí)得加入較多的試劑，試劑量大又會(huì)延長(zhǎng)加熱所需時(shí)間，不便于課堂快速演示。

（2） 優(yōu)化裝置的制作：圖2-a為筆者定制的專用儀器（下稱“特制試管”），圖2-b為該特制試管的規(guī)格圖。

（3） 特制試管的優(yōu)點(diǎn)：①內(nèi)徑小且圓底能節(jié)約藥品，高硼硅玻璃材質(zhì)耐高溫可直接加熱；②反應(yīng)過(guò)程中活塞沒(méi)有接觸液體，加熱時(shí)活塞膨脹不明顯，不影響活塞的轉(zhuǎn)動(dòng)；③下支管末端制作成向下的彎管，方便與耐腐蝕的聚四氟乙烯塑料管（可網(wǎng)購(gòu)）相連；④下支管選擇相對(duì)較大的玻璃管，以便與四氟乙烯活塞匹配和防止折斷；⑤上支管傾斜向上，可避免噴淋而下的液體流出。

（4） 特制試管的排液原理：如圖2-c所示，打開特制試管下支管活塞，用止水夾夾住上支管，用氣筒往試管內(nèi)打入空氣，即可將試管內(nèi)液體壓出。此外，特制試管底高于聚四氟乙烯管的末端，虹吸作用也有利于試管內(nèi)液體排出。筆者將特制試管應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中，排液效果良好。

2.2? 有害氣體尾氣吸收裝置的優(yōu)化

（1） 原裝置的不足：原尾氣吸收裝置只將導(dǎo)管插入液面下，氣液接觸面較小，易造成有害氣體無(wú)法完全吸收。

（2） 尾氣吸收優(yōu)化裝置的制作：如圖3所示，①找一個(gè)大小適中（能增大氣液接觸面，瓶體又能浸入吸收液中）、韌性較好（鉆孔和塞緊瓶塞時(shí)不易破裂）的塑料瓶；②用錐子在塑料瓶壁上均勻鉆出小孔；③往瓶中加入碎瓷片（吸附氣體和增加重量，用一段時(shí)間后更換）；④導(dǎo)氣管下端伸至瓶底并塞緊瓶塞，上端通過(guò)單向閥與排出尾氣的裝置相連；⑤將塑料瓶放入燒杯中，加吸收液至瓶頸。

（3） 尾氣吸收優(yōu)化裝置的特點(diǎn)：碎瓷片能吸附氣體，“多孔瓶”（相當(dāng)于多孔球泡）增大了氣液接觸面積，塑料瓶壁減緩了尾氣的排出速率，尾氣從接近瓶底的導(dǎo)管口冒出，增大了其到達(dá)液面的距離，延長(zhǎng)了氣液接觸時(shí)間，從而提升了尾氣吸收能力。

（4） 吸收效果的判斷：有害氣體產(chǎn)生過(guò)程中，若尾氣吸收裝置沒(méi)有氣泡冒出，說(shuō)明尾氣已被“默默吸收”，反之則未被完全吸收。不過(guò)，在用空氣排出裝置內(nèi)殘留氣體時(shí)，由于空氣不能被吸收，吸收液中有氣泡冒出是正常的，此時(shí)有害氣體是否被完全吸收，可根據(jù)冒出的氣體有無(wú)氣味等方法來(lái)判斷。

2.3? 消除殘留有害氣體裝置的優(yōu)化

（1） 原裝置的不足：用往加料瓶中打入空氣來(lái)排出殘留氣體，由于壓入的空氣會(huì)與殘留氣體混合在一起，空氣主要起稀釋作用，需要壓入大量空氣才能基本消除殘留氣體。

（2） 優(yōu)化裝置的制作：①網(wǎng)購(gòu)一個(gè)外徑?。ㄗ畲筇幮∮?5mm，以便安裝在橡膠塞上）、接管端?。s4mm，便于與導(dǎo)氣管相連）、噴孔較?。s0.62mm）、只需低壓（工作壓力1.5～3kg，滿足手動(dòng)所能提供的壓力）和流量可調(diào)（可調(diào)成噴霧狀態(tài)，便與殘留氣體充分接觸）的塑料（金屬材質(zhì)的易被腐蝕）噴頭；②把噴頭安裝在特制試管的橡膠塞上，涂上密封膠以防漏氣，噴頭只能稍露出橡膠塞，以便噴出的液體充分覆蓋管內(nèi)殘留氣體；③將自制氣筒的打氣端與噴頭相連，抽氣端插入待噴液體或露置于空氣中。

（3） 優(yōu)化裝置的特點(diǎn)：圖4-a為自制氣筒［2］，圖4-b為噴頭，圖4-c為噴淋排氣裝置。有了自制氣筒

與噴頭的配合使用，打氣、噴水、噴溶液可根據(jù)需要隨時(shí)切換，不僅能提高消除殘留氣體的效果，還能滿足實(shí)驗(yàn)的其他需求。噴淋過(guò)的液體可循環(huán)使用幾次，充分發(fā)揮其吸收作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，可往特制試管內(nèi)噴入清水進(jìn)行清洗，以備下個(gè)班級(jí)使用。

3? 實(shí)驗(yàn)操作的優(yōu)化

3.1? 優(yōu)化裝置的常規(guī)操作

圖5為優(yōu)化后的防污染裝置，使用該裝置的主要步驟有：

（1） 檢查裝置的氣密性：關(guān)閉K1，打開K2和止水夾，用自制氣筒往裝置內(nèi)打氣，若尾氣吸收液中有大量氣泡冒出，則說(shuō)明裝置氣密性良好。

（2） 加入試劑啟動(dòng)反應(yīng)：在有關(guān)儀器中加入試劑，啟動(dòng)反應(yīng)（如將濃鹽酸加到二氧化錳中，加熱）。

（3） 終止有害氣體產(chǎn)生：當(dāng)反應(yīng)不需要?dú)怏w時(shí)，打開活塞K1，關(guān)閉止水夾，用自制氣筒打入空氣，將特制試管中的液體排到燒杯中（如將硫酸和亞硫酸鈉的混合液壓入到NaOH溶液中），及時(shí)關(guān)閉K1。

（4） 消除殘留有害氣體：關(guān)閉K2，打開止水夾，用自制氣筒往特制試管中噴入適量吸收殘留氣體的液體（如NaOH溶液）；打開K2，用自制氣筒往裝置內(nèi)打入空氣。

3.2? 銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化操作

（1） 原操作的不足：原文中把未反應(yīng)的硫酸排入水中，溶解放出大量的熱，水會(huì)局部過(guò)熱而暴沸，影響實(shí)驗(yàn)安全。且由于反應(yīng)生成的硫酸銅大部分滯留在加料瓶?jī)?nèi)，與未反應(yīng)的硫酸一起排到水中的較少，加上黑色副產(chǎn)物的干擾，往往不容易觀察到溶液的藍(lán)色。

（2） 優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象如圖6所示。

① 檢查裝置氣密性，加好試劑；

② 加熱后，反應(yīng)迅速進(jìn)行，很快就能觀察到品紅溶液褪色，特制試管內(nèi)產(chǎn)生白霧；

③ 往特制試管中打入空氣使試管內(nèi)的白霧散去，可看到試管底部沉積粉末狀黑色固體，溶液無(wú)明顯顏色；

④ 打開K1，關(guān)閉特制試管的上支管止水夾，打開K2，打入空氣，將特制試管中的大部分粉末狀固體和液體一起排到空燒杯中；

⑤ 關(guān)閉K1，打開特制試管的上支管止水夾，關(guān)閉K2，往特制試管內(nèi)噴入少量水，無(wú)迸濺現(xiàn)象，所得溶液的藍(lán)色不明顯；

⑥ 往特制試管中噴入氫氧化鈉溶液，有淡藍(lán)色絮狀沉淀生成（此操作“一舉兩得”，既能說(shuō)明反應(yīng)生成硫酸銅，又能除去大部分二氧化硫）；

⑦ 往特制試管中打入空氣，排出裝置內(nèi)殘留氣體。

（3） 文獻(xiàn)支撐：2000版的人教版教材［3］支持筆者的上述做法，該教材是這樣介紹銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作的“……把試管里的液體倒入廢液缸，在盛有固體剩余物質(zhì)的試管中加入少量水。觀察水溶液的顏色”。也有不少文獻(xiàn)［4， 5］介紹了銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化、改進(jìn)。

3.3? 注意事項(xiàng)

（1） 要控制好反應(yīng)物中酸的用量，用于終止反應(yīng)、吸收尾氣和消除殘留氣體的堿要足量。

（2） 尾氣排出速率過(guò)快會(huì)造成無(wú)法完全吸收，因此要控制產(chǎn)氣速率和排氣速率。例如，往亞硫酸鈉中加入硫酸制SO2時(shí)，滴加硫酸的速率要適中；用氣筒打氣排出裝置內(nèi)殘留氣體時(shí)，推拉氣筒不宜過(guò)快。

（3） 消除殘留氣體時(shí)，宜先噴堿液再打入空氣。理由是，反應(yīng)液剛排出時(shí)，特制試管內(nèi)殘留氣體的濃度最大，此時(shí)噴液能“聚而殲之”消除大部分殘留氣體，提高消除效率。

（4） 特制試管的下支管比較長(zhǎng)，容易斷裂，要輕拿輕放，轉(zhuǎn)動(dòng)活塞時(shí)要用另一只手保護(hù)支管。

（5） 與尾氣處理裝置相連的單向閥要選用不帶彈簧、氟橡膠材質(zhì)的，以防被腐蝕。

參考文獻(xiàn)：

［1］曹桂禎， 饒慧伶， 許奕欣. 有害氣體實(shí)驗(yàn)通用防污染裝置的設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， 44（10）：71～74.

［2］曹桂禎， 葉秋香. 全景式噴泉裝置的再優(yōu)化［J］. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2022， 39（10）：54～55.

［3］人民教育出版社化學(xué)室. 全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書·（試驗(yàn)修訂本·必修）化學(xué)第一冊(cè)［M］. 北京：人民教育出版社， 2000：135.

［4］李文杰. 濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］. 化學(xué)教學(xué). 2019，（7）：63～65.

［5］張紅衛(wèi). 濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］. 化學(xué)教學(xué). 2020，（1）：67～69.