氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)

江蘇省徐州市第八中學(xué)(221000) 王紹凱

江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221000) 李德前

在中學(xué)物理、化學(xué)、科學(xué)等實(shí)驗(yàn)課上以及課外科技活動(dòng)中，常借助紅棕色二氧化氮?dú)怏w的擴(kuò)散來探究或驗(yàn)證分子的熱運(yùn)動(dòng)(有關(guān)裝置見圖1、圖2)。該實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的現(xiàn)象比較明顯，操作也比較簡(jiǎn)便，但藥品的用量較大、沒有體現(xiàn)尾氣處理等，這也是該實(shí)驗(yàn)的不足之處。筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，參考有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化與創(chuàng)新，取得了顯著的教學(xué)成效。

1 實(shí)驗(yàn)原理

無色無味的一氧化氮?dú)怏w接觸到氧氣立即變?yōu)榧t棕色的二氧化氮?dú)怏w，通過觀察紅棕色氣體的出現(xiàn)及其擴(kuò)散，可以充分證明一氧化氮分子、氧分子、二氧化氮分子等都在無規(guī)則運(yùn)動(dòng)之中。

2 實(shí)驗(yàn)用品

100 mL錐形瓶，60 mL集氣瓶(實(shí)際容積約80 mL)，配套的橡皮塞，配套的磨砂玻璃片,銅絲，稀硝酸，氧氣(或空氣)，飽和的氫氧化鈉溶液等。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置見圖3。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 制取一氧化氮?dú)怏w

(1)取1個(gè)100 mL的錐形瓶，在瓶中裝滿稀硝酸；將帶有直角導(dǎo)管和粗銅絲的雙孔橡皮塞塞到錐形瓶的瓶口上，此時(shí)會(huì)有少量的酸液被壓入直角導(dǎo)管里(從而排除導(dǎo)管里的空氣)。

(2)取1個(gè)60 mL集氣瓶，在瓶中裝滿剛冷卻的涼開水；將帶有2根直角導(dǎo)管的雙孔橡皮塞塞到集氣瓶的瓶口上，此時(shí)會(huì)有少量的水被壓入直角導(dǎo)管里(從而排除導(dǎo)管里的空氣)。

(3)借助導(dǎo)氣管、乳膠管、橡皮塞等，將氣體發(fā)生裝置與收集裝置連接起來，并確保裝置氣密性良好。

(5)當(dāng)集氣瓶中的水被全部排出時(shí)，說明瓶中已充滿一氧化氮?dú)怏w，此時(shí)立即將粗銅絲提起來，拉回到橡皮塞內(nèi)(反應(yīng)即刻停止)；然后拔掉集氣瓶口上的橡皮塞，同時(shí)快速將玻璃片的毛面蓋在集氣瓶口上。

4.2 進(jìn)行氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)

(1)再取1個(gè)60 mL集氣瓶(充滿空氣)，在瓶中倒入5～7 mL飽和的氫氧化鈉溶液。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。

5 實(shí)驗(yàn)說明

(1)在組裝制取一氧化氮?dú)怏w的實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，錐形瓶、集氣瓶里一定要充滿液體，這樣在瓶口塞入橡皮塞時(shí)，就能將橡皮塞所占空間里的那部分液體壓入直角玻璃管里，確保制氣裝置處于無氧狀態(tài)，因此制得純凈的一氧化氮?dú)怏w。

(2)在處理實(shí)驗(yàn)尾氣時(shí)，一氧化氮?dú)怏w是不能被氫氧化鈉溶液吸收的，而二氧化氮?dú)怏w能被氫氧化鈉溶液吸收，因此要確保一氧化氮?dú)怏w完全轉(zhuǎn)化為二氧化氮?dú)怏w，這種情況下氧氣就必須足量。在振蕩氫氧化鈉溶液吸收尾氣時(shí)，2個(gè)集氣瓶口對(duì)口組成的實(shí)驗(yàn)體系內(nèi)壓強(qiáng)會(huì)減小，振蕩幾次后，2個(gè)瓶口之間可以稍微錯(cuò)開(出現(xiàn)縫隙即可)，使更多的空氣進(jìn)入集氣瓶?jī)?nèi)，從而確保氧氣足量。

(3)吸收二氧化氮?dú)怏w后的實(shí)驗(yàn)廢液(含有硝酸鈉和亞硝酸鈉)，不要隨意傾倒，可以作為氮肥回收利用。

6 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)本實(shí)驗(yàn)中的氣體發(fā)生裝置能隨時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生和停止，方便多個(gè)班級(jí)學(xué)生的連續(xù)實(shí)驗(yàn)。另外，用封閉式排水裝置收集一氧化氮?dú)怏w，有利于學(xué)生觀察一氧化氮是無色氣體，同時(shí)復(fù)習(xí)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室收集氣體的方法。

(2)本實(shí)驗(yàn)使用一氧化氮和空氣而不直接采用二氧化氮?dú)怏w，可以節(jié)約硝酸試劑(制取相同體積的一氧化氮和二氧化氮，前者的硝酸用量是后者的一半)；實(shí)驗(yàn)過程中有色氣體、無色氣體向四周自發(fā)擴(kuò)散，不僅排除了重力場(chǎng)的干擾，也使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象多變、實(shí)驗(yàn)結(jié)論可靠，有利于學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)氣體擴(kuò)散現(xiàn)象，并培養(yǎng)學(xué)生的理性思維、綜合能力、創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)。

(3)本實(shí)驗(yàn)涉及的是實(shí)驗(yàn)室常用的實(shí)驗(yàn)用品，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀有趣、與眾不同，能激發(fā)學(xué)生好奇心；實(shí)驗(yàn)過程體現(xiàn)了綠色環(huán)保理念，有利于培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感；實(shí)驗(yàn)廢液的回收利用，體現(xiàn)了資源再生理念，培養(yǎng)了學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展思想。