简易微型气体发生器

摘要

针对传统启普发生器及其衍生改进装置普遍存在的结构复杂、制作难度大、成本高等痛点，基于启普发生器的工作原理，遵循设计的一般原则，利用水性笔芯、洗手液壶、注射器筒等生活废弃物，设计制作一款结构简单、取材便捷、成本低廉且易于推广的气体发生器。该设计将化学实验仪器的创新改进，与通用技术课程中的“设计过程”“设计原则”及“评价优化”等内容深度融合，不仅有助于培养学生化学核心素养，还能同步提升其“技术意识”“创新设计”等通用技术核心素养。

Graphical abstract

关键词

简易 / 微型 / 气体发生器 / 启普发生器 / 注射器 / 废弃水性笔芯 / 输液器

目前，关于启普发生器的设计与改进已积累了丰硕的研究成果。以“启普发生器”和“气体发生器”为关键词，在中国知网及国家数字图书馆检索到相关文献84篇^［1-2］。经梳理发现，现有文献中报道的改进或自制装置，虽冠以“简易”之名，但在结构设计或制作工艺上仍显繁复，未能真正实现“简易化”。鉴于此，笔者秉持绿色化学与生活化教学理念，利用日常废弃物品与常用工具，基于启普发生器工作原理，设计制作了一款结构精简、制作便捷的微型气体发生器。该装置在真正意义上实现了“简易化”与“微型化”的统一。

1 实验装置

实验装置如图1所示。

2 制作材料

注射器1支、输液器1个、开关2个、废弃水性笔芯1支（粗细自选）、透明洗手液壶1个、502胶水。

3 制作方法

3.1 内部构件的制作

如图2所示，利用打孔器在橡胶塞上钻取两孔（孔径分别与水性笔芯及输液管外径匹配），作为反应室与储液室的隔板。截取一支废弃水性笔芯，去除笔尖，封闭末端作为手持柄（便于后续更换固体药品）；距封闭端约1/2处烫（或刻）一小孔；截取一段长约10 cm带开关a的输液管作为排气管。将上述构件组装于橡胶塞隔板两侧：确保笔芯管中部小孔位于隔板上方（储液室），开口端朝下穿过隔板进入下方（反应室），并使用胶水密封连接处，确保气密性良好。另取塑料瓶盖，修剪至与注射器内径吻合。在中心位置钻一圆孔（孔径略大于笔芯管外径），并在周围钻取若干细小通孔作为透水孔，制成多孔固体承载板。至此，反应器内部构件制作完成。

3.2 外部构件的制作

如图3所示，在注射器乳头处均匀涂胶，将一段长约10 cm带开关b的输液管套紧于乳头上，作为排液管。

3.3 支架的制作

取空透明塑料洗手液壶制作支架。在距瓶底2~3 cm处的瓶身侧壁开设一操作孔（孔径以能伸入2~3根手指为宜），以便于控制阀门开关。若选用较大规格的注射器，且其外径大于瓶口内径，则需切除瓶嘴及部分瓶颈，直至瓶口内径与注射器筒外径紧密匹配。瓶身下部保留作为废液收集容器，上部作为装置支撑框架。

3.4 装置的组装

（1） 内部构件定位。如图4所示，在多孔固体承载板边缘均匀涂胶，利用镊子将其夹持送入注射器筒内，并粘接固定于距筒口约1 cm处。随后，将组装好的外部构件插入支架上口，用胶水密封固定。

（2） 装配与通道构造。打开排气管或排液管开关，将内部构件（笔芯管、隔板等）置入外部构件。捏住笔芯管封闭端垂直下推，使其开口端穿过固体承载板中心孔并伸出约0.5 cm。此时，固体承载板与橡胶隔板将筒腔分隔为上下两层：上层为储液室，下层为固-液反应室。笔芯管中部侧孔与下端开口共同构成液路通道，实现两室的连通与阻断。

4 使用方法

（1） 用手指捏住手柄向外拉，取出内部构件，在固-液反应室中装入过量的Zn（或CaCO₃、MnO₂、FeS）等块状或颗粒状固体药品，将内部构件恢复原位，检查气密性，确保装置气密性良好后，关闭两个开关，向上层液体药品储藏室中注入适量稀HCl（或稀H₂SO₄、H₂O₂溶液）等液体药品。

（2） 打开排气管开关a，液体药品在自身重力作用下进入固-液反应室，与块状或颗粒状固体接触，反应立即发生，产生的气体由排气管排出，即可进行H₂（CO₂、O₂、H₂S等气体）的制取及性质实验。

（3） 实验过程中若暂时不需要气体或实验结束，只需关闭排气管开关a。随着反应的进行，产生的气体无法排出，固-液反应室内的压强增大，从而将液体药品压回液体药品储存室。当固液两种药品在多孔固体承载板处分离时，反应就会停止。打开排气管开关a，稀HCl（或稀H₂SO₄或H₂O₂溶液）等在自身重力作用下又流入反应室，又和Zn（或CaCO₃、MnO₂、FeS等）接触，反应又立即发生。重复打开和关闭排气管开关a的操作，即可实现“随启随停”的设计目的。只要加入足够量的固体药品，在实验过程中可以随时打开排液管开关b更换液体药品，操作简单。

5 装置的特点

该气体发生器具有结构简单、取材便捷、制作简易、小巧轻便等优势。装置主体采用性能稳定的塑料材质，使用安全且成本极低，具备极强的推广价值。

该装置不仅可作为课外科技社团的创作项目，在实践过程中有效培养学生的创新意识与动手能力；亦可融入通用技术课程教学，助力学生提升技术意识、创新设计、图样表达及物化能力等核心素养。这种跨学科的应用模式，打破了学科壁垒，促进了知识的融会贯通与学以致用，充分彰显了跨学科融合教学的独特优势。

参考文献

[1] 王发应.具有干燥功能的简易微型气体发生器［J］.化学教育，2017，38（03）：62-64.

[2] 马可龙，韩独石，刘燕.微型简易启普发生器的制作及其应用［J］.教学仪器与实验，2010，26（10）：35-36.

基金资助

气密性检查与调试。将一支注射器连接至排气管口，打开开关a,关闭开关b,向储液室注水。若气密性良好，大气压支撑水柱悬停，水不会自行下落

拉动活塞，水经笔芯管侧孔及管腔流入反应室

推动活塞，水则原路返回。打开开关b,废液经排液管排入收集器