有害气体实验通用防污染装置的设计

曹桂祯 饶慧伶 许奕欣

摘要： 分析现有的氯气制取与性质实验装置、浓硫酸与铜反应实验装置的优缺点。提出有害气体实验通用的防污染装置的设计思路，并将该设计思路运用到氯气的实验室制法、浓硫酸与铜的反应、亚硫酸钠与硫酸反应制二氧化硫等有害气体的实验中，及时终止有害气体的继续产生，确保未反应完的（或残留的）有害气体能够完全被吸收等，从而实现中学化学中某些有害气体实验的安全性和可操作性。

关键词： 有害气体； 通用装置； 防污染； 尾气吸收装置

文章编号： 10056629（2022）10007104

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 提出问题

气体实验装置，通常包含制气装置、除杂装置、干燥装置、收集装置、性质（检验）装置和尾气吸收装置等。有害气体实验是化学实验中经常遇到的问题，由于没能有效解决好有害气体的污染问题，很多相关实验都无法在课堂上演示，这在一定程度上影响了教学效果。要让有害气体实验在普通教室里都能正常演示，必须重点解决好两个问题：一是如何及时终止有害气体的继续产生；二是如何确保有害气体能够完全被吸收。即必须重点控制好污染物的“产生”（制气环节）和“消除”（吸收环节）。

2 现有研究分析

查阅文献可知，很多老师提出了有害气体的制备与性质实验的一体化装置。较新的文献有郭巧云等设计的氯气制备与性质一体化实验新装置（图1）［1］、阎润鸿等提出的氯气制备和检验一体化实验新设计（图2）［2］，这两套装置都能制取氯气并高效地进行氯气的系列性质实验，但同时存在两点不足：一是无法及时终止氯气的继续产生；二是没能消除装置内残留的氯气。李文杰改进了浓硫酸与铜反应的实验装置（图3）［3］，该装置虽然解决了反应后残留气体的污染问题，实验效率也比较高，但也有两点不足：一是双通管中蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉未能完全吸收掉二氧化硫；二是洗耳球只能间歇地往装置内充入空气排出残留气体，排气效率不高。张红卫设计了如图4［4］所示的浓硫酸与铜反应的实验装置，该装置虽然解决了有害气体污染以及硫酸铜溶于水显蓝色的问题，不足之处主要是蘸有品红溶液

的滤纸条容易脱落使检验失败。

3 通用装置

在广大化学教师的不断研究改进下，有害气体防污染实验装置的设计日臻完善。能不能在已有研究的基础上，设计出一种通用的、无环境污染的有害气体实验装置，且整体功能达到甚至超越已有的设计呢？笔者认为，不同的实验尽管有“与众不同”的个性，但总能找到它们之间“似曾相识”的共性，而相似的问题可以用相似的办法解决。通过深入研究，笔者设计了如图5所示实验装置，该装置可作为有害气体实验防污染的“通用装置”。下面具体分析该“通用装置”是如何实现防污染的？首先，制气部分使用了一个叫“加料瓶”的仪器，该仪器的最大特点是下端有一个出口，可通过打开活塞将瓶内液体放出终止有害气体的继续产生（定制加料瓶时，可要求厂家选用硬质玻璃并加厚加料瓶的瓶底，使瓶底的上边沿略高于出口的下边沿，以便打开活塞K时加料瓶内液体能完全排出）；其次，运用单向阀来防止液体倒吸，与加料瓶左管相连的单向阀在装置内压强低于外界大气压时，空气可通过该单向阀进入装置内，使装置内压强基本不变，装置右端的单向阀则直接阻止了液体的倒吸；最后，反应结束时，将可持续打气的鼓气球（或打气筒）与加料瓶左管相连，通过往装置内鼓入空气，将有害气体稀释并排到装置外吸收处理。该“通用装置”的防污染作用，主要通过排气装置A、气体发生与终止装置B和尾气处理装置D三部分有效配合来实现。因此，本文在叙述该通用装置的具体应用时重点关注这三部分。

4 具体应用

4.1 二氧化锰与浓盐酸的反应

实验室制取氯气最突出的问题就是污染：一是浓盐酸挥发造成的污染，二是实验过程中产生的氯气和反应后残留的氯气逸散造成的污染。用图6装置可有效解决上述问题，具体方法如下：在盛有浓盐酸的分液漏斗上端连上一个单向阀，使空气能够进入而盐酸不会挥发出去，这样既能确保滴加的浓盐酸顺利流下，又

不会造成盐酸挥发污染；为防止二氧化锰粉末堵塞加料瓶的下管，在加料瓶的下管出口处塞上一小块石棉绒；打开分液漏斗活塞，往加料瓶中加入浓盐酸，加热（附石棉网，加料瓶由高硼硅玻璃制成，可加热）……；当所有实验结束时，熄灭酒精灯；打开活塞K，使加料瓶中的混合液排入到盛有水的烧杯B中（流入烧杯中的浓盐酸被稀释且温度降低，即使有少量二氧化锰一起排出也不会继续反应产生气体）；最后，及时关闭活塞K，用鼓气球将残留在装置内的氯气排出并吸收。

4.2 铜与浓硫酸的反应

铜与浓硫酸反应的性质实验，有两个问题需要解决：一是二氧化硫的污染问题；二是反应产物硫酸铜溶于水显蓝色问题。利用图7所示装置进行实验，可同时解决上述两个问题：将粗铜线插入浓硫酸中，用酒精灯加热（附石棉网）；反应产生的气体使品红溶液褪色，说明生成了二氧化硫；熄灭酒精灯，将粗铜线向上拉起使之脱离浓硫酸，终止反应；将鼓气球与装置最左端的导气管相连，挤压鼓气球，将装置内残留的二氧化硫气体排出并吸收。待加料瓶内物质冷却，打开活塞K，使反应后的混合液流入烧杯B的水中，观察到B中溶液为蓝色，说明反应生成了硫酸铜。该实验还可以这样做：将铜片或铜线直接放入加料瓶中，加入浓硫酸，加热……；实验结束时，停止加热，打开活塞K，使加料瓶中的混合液排入水中终止反应；及时关闭活塞K，用鼓气球将残留在装置内的二氧化硫气体排出并吸收。

4.3 亚硫酸鈉与硫酸的反应

亚硫酸钠与硫酸的反应属于可溶性固体与液体在常温下（硫酸变稀后仍能进行）的反应，这是一般采用终止反应手段以减少污染的实验中较难解决的问题，但使用上述通用的制气装置，这些问题仍能得到很好

解决，具体解决办法如下（见图8）：打开分液漏斗活塞，往加料瓶中加入70%的硫酸溶液，反应产生气体……；当检验实验都结束时，打开加料瓶下端活塞K，使加料瓶内的混合液排入盛有NaOH溶液的烧杯B中，硫酸被NaOH溶液优先中和，终止了二氧化硫的产生；及时关闭活塞K，用鼓气球将装置内残留的二氧化硫排出并吸收。实验室制氯气时，若用可溶性的KMnO4、 KClO3代替MnO2与盐酸反应，由于在常温下盐酸较稀时仍能反应，同样也可通过将反应物排入到碱溶液中来终止反应。

除了上述三个会产生有害气体的反应外，铜与硝酸的反应、炭与浓硫酸（浓硝酸）的反应、无水乙醇在浓硫酸作用下制乙烯的反应（由于会产生二氧化硫，也应归入有害气体实验）等，也都可用该通用装置。只是部分仪器、试剂等需作一些相应的调整，例如乙烯实验室制法中的气体发生装置需增配温度计，且加料瓶中要放入碎瓷片。

5 结语

终止有害气体产生的方法，主要有固液分离法（固体离开液体或液体离开固体）、消除反应物法和改变条件法（如降温）。本文设计的通用防污染装置，最大的亮点在于使用了一个下端有出口的“加料瓶”，可通过“釜底抽薪”的方式来达到终止反应的目的。

参考文献：

［1］郭巧云， 赵永婷， 陈红亮. 氯气制备与性质实验的一体化创新设计［J］. 实验教学与仪器， 2021，（1）： 43～44.

［2］阎润鸿， 冯高峰. 氯气制备和性质检验一体化实验的新设计［J］. 化学教学， 2021，（11）： 68～71.

［3］李文杰. 浓硫酸与铜反应实验的改进［J］. 化学教学，2019，（7）： 63～65.

［4］张红卫. 浓硫酸与铜反应实验的改进［J］. 化学教学，2020，（1）： 67～69.