有色氣體擴散實驗新設(shè)計

江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221002)

彭春艷 李德前

有色氣體擴散實驗新設(shè)計

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)等實驗中，常借助于有色氣體(如二氧化氮)的擴散現(xiàn)象來說明“構(gòu)成物質(zhì)的分子都在不停地做無規(guī)則運動”，有關(guān)實驗的裝置如圖1、2所示。

圖1 人教版氣體擴散實驗裝置

圖2 浙教版氣體擴散實驗裝置

教科書上設(shè)計的該實驗存在一些不足之處，筆者受同行專家的啟發(fā)，對該實驗進行了改進設(shè)計。

1 原實驗的不足

本實驗存在的不足主要是：①單獨制取二氧化氮氣體比較麻煩，操作起來難度更大；②在整個實驗過程中，劇毒的二氧化氮氣體容易外逸污染大氣(尤其是在抽掉玻璃板的時刻)，并且教室里通常沒有安裝通風(fēng)設(shè)備，危害師生健康。

2 對實驗的改進

筆者將“二氧化氮氣體的收集裝置”與“二氧化氮氣體的擴散裝置”合二為一，再與“二氧化氮氣體的發(fā)生裝置”連接起來，從而組合為功能集成的一體化實驗裝置。

2.1 實驗用品

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 實驗裝置

裝入藥品前的改進實驗裝置如圖3所示。

圖3 氣體擴散實驗的改進裝置之一(裝入藥品前)

2.3 實驗操作

在室內(nèi)溫度約12 ℃、本地氣壓約1 atm的條件下，進行下列實驗。

(1)取1根直徑約2.5 mm、長約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(可在紫銅絲的中部涂抹少許凡士林)。

(2)如圖3所示連好實驗裝置，并用記號筆在集氣瓶容積的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導(dǎo)管管口連接起來，再外拉注射器活塞一小段距離，若松開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覆蓋在細導(dǎo)管口上，如圖4所示。

圖4 氣體擴散實驗的改進裝置(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氣體。主要反應(yīng)是：Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O。隨著反應(yīng)的進行，紅棕色的氣體逐漸充滿錐形瓶，然后沿著長導(dǎo)管進入集氣瓶中(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，將紫銅絲提起來(反應(yīng)立即停止)，并將彈簧夾夾在乳膠管上。

(5)此時可以觀察到，集氣瓶下半部分密度大于空氣的二氧化氮氣體逐漸上升，擴散到集氣瓶上半部分的空氣中(見圖5)。同時，集氣瓶下半部氣體的顏色逐漸變淺，上半部氣體由無色逐漸變?yōu)榈募t棕色。大約6 min左右，整個集氣瓶中的氣體顏色一致，均為稍淡一些的紅棕色。上述實驗現(xiàn)象說明，二氧化氮氣體能與空氣相互擴散，進而證明二氧化氮分子、氧分子均在不停地?zé)o規(guī)則運動之中。

圖5 二氧化氮氣體在大試管里逐漸向上擴散

(6)氣體擴散實驗結(jié)束，松開彈簧夾；然后借助注射器(或膠頭滴管)，沿著細導(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、清除二氧化氮氣體。主要反應(yīng)是：2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O。

(7)整個實驗結(jié)束后拆開實驗裝置，注意拆分成兩部分：其中一部分是二氧化氮氣體的發(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氣體的收集與擴散裝置，這部分裝置要及時沖洗、晾干。

(8)若使用圖6所示的改進裝置進行實驗，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 氣體擴散實驗改進裝置之二

(9)若使用圖7改進裝置進行實驗，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，在二氧化氮氣體的擴散過程中，如果用電吹風(fēng)對著U形管其中的一個直管吹熱風(fēng)，則該管內(nèi)二氧化氮氣體擴散的速率明顯大于另一個直管內(nèi)二氧化氮氣體擴散的速率。這可以說明溫度升高，分子運動的速率加快。

圖7 氣體擴散實驗改進裝置之三

2.4 幾點說明

(1)二氧化氮氣體的發(fā)生裝置，不要使用容積較大的儀器，以減少二氧化氮氣體在發(fā)生裝置中的殘留，從而節(jié)省藥品、縮短實驗時間。實驗結(jié)束后，拆下的發(fā)生裝置不需要清洗，下一次實驗時可以直接使用(只要銅和濃硝酸足量，該發(fā)生裝置就能反復(fù)使用)。

(2)本實驗對二氧化氮氣體的純度沒有過高要求，因此不需要再添加氣體的凈化和干燥裝置。

(3)如果沒有紫銅，使用黃銅也可以，因為黃銅中的金屬鋅與濃硝酸反應(yīng)也能產(chǎn)生二氧化氮氣體。有關(guān)反應(yīng)是：Zn+4HNO3(濃)=Zn(NO3)2+2NO2↑+2H2O。

3 改進實驗的優(yōu)點

(1)實驗用品簡約化，節(jié)省藥品、方便操作。

(2)實驗過程綠色化，既保護了環(huán)境，又培養(yǎng)了學(xué)生的環(huán)保意識。

(3)實驗原理綜合化，既促進了學(xué)生靈活運用物理、化學(xué)等多學(xué)科知識解決實際問題的能力，又提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

(4)實驗現(xiàn)象直觀化，有利于學(xué)生分析實驗現(xiàn)象，推導(dǎo)實驗結(jié)論，提高了實驗教學(xué)的效果。

(5)發(fā)生裝置可控化，拓展了實驗室氣體制備的知識，開闊了學(xué)生的視野，提高了學(xué)生的實驗設(shè)計能力。

(6)改進裝置多樣化，增強了實驗的趣味性，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)實驗裝置集成化，既有利于教師連續(xù)授課，也方便學(xué)生動手探究，提高了課堂教學(xué)的效率。

實驗改進

2017-08-02