一体化封闭式“一器多用”气体实验的创新设计

摘要

基于新课程标准及其解读，并参考不同版本教材与相关文献，针对元素及其化合物知识模块，设计了一套绿色环保、一体化封闭式的“一器多用”型气体实验装置，可用于气体的制备、性质检验与尾气吸收。该装置具有操作简单便捷、药品用量少、实验现象明显等优点，有助于学生学习、理解、拓展、应用气体性质，构建完整的知识体系，真正提高其“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”化学学科核心素养。

Graphical abstract

关键词

封闭式 / 制备和检验 / 一体化设计 / 一器多用

某些气体的实验室制备及性质探究实验，是元素及其化合物章节的重要内容。对比各种版本教材及检索相关文献发现，涉及气体制备、性质研究和尾气处理的内容主要有卤素、硫氮氧化物和氢化物等，具体有氯气、二氧化硫、硫化氢、氮氧化合物等^［1］。国内3种版本教材并未对实验室制备氯气、二氧化硫、硫化氢和氮的氧化物等气体的实验进行系统阐释和性质的验证。所以，在做这些实验时常遇到以下问题：①没有对制备气体时混入的杂质气体除杂；②实验制备气体时未采取尾气处置措施，有可能存在倒吸现象；③未对气体的所有性质进行一体化验证，学生难以形成系统的知识体系，不利于学生的分组实验、课堂教学和学生素养的建构；④缺失创新和实践能力的培养，没有发挥元素及其化合物主题部分的学习价值；⑤统一成形的“一器多用”装置没有达到预期的实验效果。

硫的化合物一章涉及的实验较多，主要是二氧化硫性质的实验探究，但实验较为分散；关于硫化氢气体的制备与相关性质的探究，教材中只有相关内容的介绍，并没有相关的实验；硫化氢与二氧化硫的反应实验是比较经典的实验，但硫化氢和二氧化硫都是无色、有刺激性气味且有毒性的气体，所以教材并未安排此类实验，况且尾气处理不当，会影响教学环境，进而影响到师生的健康^［2］。为使该实验更符合绿色化学理念，笔者对气体制备的实验装置进行必要的改进与创新，既能展现出制备气体更多的性质，又能体现实验室制备气体的封闭性和一体化，具有操作简单、现象明显、无污染等优点。

1 研究现状

梳理教材中氯气、二氧化硫、硫化氢和氮的氧化物等气体的制备、性质检验和尾气吸收实验，在此基础上对比相关文献发现，其制备原理和性质检验都是分离、独立进行的，不少学者根据教材实验存在的问题对各种气体的制备与性质实验进行改进，并取得了较好效果。例如：洪燕茹等^［3］的《氯气性质实验的一体化绿色设计》，使用长柄U形管，将氯气的制备与性质检验及尾气吸收集于一个装置内，能够一体化完成氯气氧化性、酸性、漂白性的检验；谭鑫等^［4］的《二氧化硫的制备与性质实验装置的新设计》，实现了装置的一体化、生活化、绿色化和普适性；李耀军等^［5］的《硫化氢与二氧化硫反应实验一体化设计》，利用注射器和医用输液管对实验进行微型一体化设计与改进，取得了较好的实验效果；张纹等^［6］的《注射器用于化学实验的改进》，选取生活中易得的简易装置和材料，对氯气的制备及性质实验、铜与稀硝酸反应、氮氧化合物性质与转化实验进行改进和探索，提高了氯气、氮氧化合物性质实验的效果。基于以上成果，笔者进行了如下改进。

2 实验仪器和药品

试管、药用小瓶、5 mL和10 mL注射器、气球、玻璃管、橡胶塞、铁架台、气体制备和检验的药品与试剂、尾气吸收溶液（NaOH）等。

3 实验装置设计

气体实验通常包括气体的制备、性质检验和尾气吸收3个部分。气体的制备须选择固液不加热型反应装置，根据反应液是否具有挥发性、所生成气体的特性，以及后续检验与除杂要求，可将反应装置分为制备气体需要除杂和无需除杂两种类型的实验装置。笔者创新设计并制作的一体化气体制备、检验和尾气吸收装置如图1所示。

4 实验装置制作方法

（1） 用具有弹性的细绳串联或者两两并联4个检验瓶，并将反应器串联在最上端。

（2） 图1-a的反应器需要密封，通过带有滴壶的一段输液器连接在反应器的瓶塞上，用于除去混合气体中的杂质气体。例如，在实验室制备氯气时，用于除去氯气中挥发出的HCl气体。图1-b是不存在杂质气体或者无须气体除杂的实验装置。

（3） 将整套实验装置置于大试管中，并用带有气球的橡胶塞密封。

（4） 外接注射器并添加反应液，以进行尾气处理。

实验在全封闭体系中进行，采用气体制备、检验和尾气处理一体化装置，能用于学生分组实验，组装容易、操作便捷、安全环保、现象明显，易于学生理解和领悟。

5 实验步骤

（1） 组装制备、检验和尾气吸收一体化实验装置。

（2） 将固体反应物和检验试剂置于装置中各瓶内，用带有气球的橡胶塞密封反应装置，并固定于铁架台上。

（3） 通过注射器向固体反应物中加入反应液制备目标气体，认真观察反应过程中的实验现象，并做好记录。

（4） 待反应结束，确定检验结果后，再用注射器向整套装置中注入一定量的尾气吸收溶液，摇动混合，便于充分吸收尾气。

（5） 将整套装置从铁架台上取下来，再反复摇动，便于装置中的尾气能完全被吸收液吸收。

（6） 拆卸装置，倒掉废液，清洗仪器。

6 创新实验优点

（1） 该套装置用于无须加热的固液反应气体制备，实现了气体制备、检验和尾气吸收的一体化，无气体泄漏现象，便于观察，而且整套装置具有普适性和灵活性的特点。

（2） 该一体化实验装置不仅能够进行气体的一系列性质检验，而且能使实验现象可视化。

（3） 装置器材来源于生活，可人手一套，均可独立动手完成实验操作；也可用于学生分组实验，引领学生在探究学习过程中体验科学探究和创新的价值和意义。

（4） 实验在封闭体系中进行，实现了有害气体的零排放，符合绿色环保理念；增加了气球，起到良好的缓冲作用，提高了实验的安全系数，增强了学生的安全意识，加强了学生保护环境和安全责任意识。

7 结语

该创新设计的一体化封闭式气体制备、性质检验和尾气吸收装置，具有操作简单、现象明显的优点，可用于学生个人独做或分组实验，有助于学生体验自主与合作的成就感，提升钻研意识和观察能力，增强动手实践能力和分析探究能力。该套实验装置适用于所有固液不加热型气体的制备、性质检验和尾气吸收，完全能达到“一器多用”的设计目标并满足实验的多种需求。

参考文献

[1] 孙世云.一器多用的气体制备及性质检验创新装置［J］.教育与装备研究，2020，36（11）：46-48.

[2] 拓巧艳，戴宏.二氧化硫和硫化氢制备及性质一体化实验设计［J］.化学工程与装备，2022（02）：276-278.

[3] 洪燕茹，李俊珏，蔡开聪.氯气性质实验的一体化绿色设计［J］.化学教育（中英文），2024，45（03）：106-108.

[4] 谭鑫，李佳玉.二氧化硫的制备与性质实验装置的新设计［J］.实验教学与仪器，2024，41（05）：56-57.

[5] 李耀军，王君山.硫化氢与二氧化硫反应实验一体化设计［C］//中学教育科研.2019（1）.兰州：甘肃省兰州一中绿地实验学校，2019：18-19.

[6] 张纹，王曹兴，郑雨欣，等.注射器用于化学实验的改进［J］.化学教学，2024（05）：75-78.