藕節(jié)式氣體發(fā)生器的設(shè)計及應(yīng)用

葉永謙

啟普發(fā)生器是中學(xué)化學(xué)常用的制氣裝置，它通過控制固體與液體的接觸及分離實現(xiàn)反應(yīng)的開始和停止，設(shè)計巧妙，使用方便。但啟普發(fā)生器也存在試劑消耗量大、排空時間長、浪費多、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)計精髓相結(jié)合，設(shè)計出了藕節(jié)式氣體發(fā)生裝置。

設(shè)計思路

解決容積過大問題

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驗中往往要浪費大量的藥品。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，又是實驗室常見儀器，不至于使學(xué)生難以理解和接受。

解決固體洗滌問題

啟普發(fā)生器底座設(shè)計的初衷應(yīng)是可以直接放在實驗臺上，從而導(dǎo)致反應(yīng)液無法從底部排液，因此無法對反應(yīng)過的固體進行洗滌或者換用其他反應(yīng)液進行多次實驗。為了解決這個不足，我借鑒分液漏斗的設(shè)計思路，將底座改為半球形并加裝控制液體流出的玻璃活塞。

解決無法加熱問題

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，導(dǎo)致無法對其進行加熱。為了解決這個問題，我針對藕節(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直的玻璃管進行加熱。經(jīng)過尋找，我發(fā)現(xiàn)硅橡膠加熱套裝可以解決這個問題。

藕節(jié)式氣體發(fā)生器的組成和功能

在以上設(shè)計思路啟發(fā)下，經(jīng)過6代修改、實踐和再調(diào)整，我最終設(shè)計出第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、鐵架臺等幾部分組成，實驗裝置示意圖如圖1，實物圖如圖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)實驗。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)計精髓。上節(jié)管用于盛放塊狀固體反應(yīng)物，反應(yīng)開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。通過控制玻璃活塞1，產(chǎn)生的氣體可以順著耳形彎管進入導(dǎo)氣外管，最后在燒杯中進行性質(zhì)實驗或者尾氣處理。也可以關(guān)閉玻璃活塞1，打開玻璃活塞2，直接將氣體排出做性質(zhì)實驗。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。實驗過程中，可以通過控制玻璃活塞3實現(xiàn)對固體反應(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，打開玻璃活塞3，液體通過排液內(nèi)管進入燒杯進行廢液處理。

該裝置借鑒了啟普發(fā)生器固液分離設(shè)計理念，使用脫脂棉包裹粉末狀固體可以實現(xiàn)粉末狀固體反應(yīng)時與液體脫離；使用硅橡膠加熱套裝可以實現(xiàn)對反應(yīng)進行加熱；結(jié)合分液漏斗下管液體流出設(shè)計思路可以實現(xiàn)對固體反應(yīng)物進行洗滌、一種固體與多種液體反應(yīng)等新功能。設(shè)計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)，確保裝置演示時安全無污染?？梢匝菔玖蚧瘹?、氧氣、氨氣、氯氣、一氧化氮、二氧化氮等氣體的制備、收集、檢驗、尾氣處理等過程，展示了該裝置設(shè)計巧妙、使用方便、適用廣泛、綠色環(huán)保的特點。

創(chuàng)新點

固液脫離方式的創(chuàng)新

藕節(jié)式設(shè)計上的創(chuàng)新：按照固液分離時的相對運動狀態(tài)不同進行分類，藕節(jié)式氣體發(fā)生器屬于液離式改進類型。但與常見的液離式改進不同，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，進入三角漏斗后盡管壓強減小，也不會有氣體逸出，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)管長于導(dǎo)氣外管，可以避免反應(yīng)液進入燒杯后可能生成的沉淀堵塞導(dǎo)氣外管，導(dǎo)致氣體無法順利導(dǎo)出造成安全隱患。

加熱方式的創(chuàng)新

在對藕節(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)管實驗現(xiàn)象的觀察。且加熱時溫度先升高的是下節(jié)管液體，根據(jù)對流原理，上節(jié)管液體溫度也能迅速上升，加熱速度較快，節(jié)約時間，適合在課堂演示實驗中使用。

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

該項目原理科學(xué)，設(shè)計巧妙。經(jīng)過數(shù)代修改，可以對多種氣體進行制備，體現(xiàn)出使用范圍廣泛、綠色環(huán)保的特點。作品制作規(guī)范，教學(xué)效果明顯，有示范推廣價值。希望該項目進一步改善和提高工藝。