化學實驗裝置氣密性檢查策略初探(一)

化學實驗裝置氣密性檢查策略初探(一)

【摘要】 化學實驗中的裝置氣密性檢查問題是對學生綜合運用能力的考查。本文通過典型例題分析了學生解答這類題目時經常出現的問題，并歸納總結了裝置氣密性檢查的幾點策略。

【關鍵詞】 化學裝置氣密性、檢查策略、實驗教學

 在高中教育逐漸趨向于實用化、綜合化的今天，高考也將綜合應用作為能力考核的最高要求。這里的綜合應用不僅包括學科能力的綜合應用、實驗技能的綜合應用，也包括各學課知識的綜合應用。中學化學實驗中的裝置氣密性檢查問題就涉及了物理和化學學科知識，具有很強的學科交叉性。一般說來，無論采用哪種裝置制取氣體，在成套裝置組裝完畢、裝入藥品之前，都必須檢查裝置的氣密性，以確保實驗的順利進行及實驗安全。以下就化學裝置氣密性的檢查方法作一總結。
一、化學裝置氣密性檢查的策略分析
 裝置氣密性檢查，是對學生綜合運用能力的考查，要求學生有如何形成密閉體系并運用物理知識檢查密閉體系氣密性的能力。但在實際檢測中發現，學生若遇到一個新的裝置或者新題型，常常不知所措，導致失分嚴重。這是學生對所學知識綜合運用的能力不強，或者說是解題思路不得其門而入的表現。因此，授予學生解決問題的策略，勝于給學生講解幾十道題目。
 裝置氣密性檢查首先要明確其內涵，即氣密性是裝置的一個性質。從語義上可理解為不漏氣，即該裝置應是一個密閉體系。那么，學生應該解決得問題就是：如何形成密閉的體系，然后如何檢查，憑什么可以認為或判斷裝置的氣密性是良好的，最后怎么用文字表達出來。
 1、如何形成密閉體系
 一個裝置擺出來，不一定是密閉的，可能有幾個出入口。要形成密閉體系，就要將所有的出入口封堵住。一般出入口有：活塞、長頸漏斗下端、軟管�？赏ㄟ^多種方式如液封、關閉活塞、使用彈簧夾、使用膠塞甚至用手堵住，使裝置形成一個密閉體系。
 2、如何檢查氣密性
 對于密閉氣體體系，可聯想克拉伯龍方程。當體系減少氣體體積、增大壓強、升高溫度時，其他參數就會跟著改變。當參數的改變以某種明顯的現象展現出來時，我們就可以以此判斷該裝置的氣密性是否良好。以上的實現途徑一般是：將體系內氣體排出一部分，使氣體體積減少；對體系內氣體進行施壓，可增大體系內氣體壓強；升高體系內氣體溫度可以通過手捂或者酒精燈微熱升溫（以裝置的大小、當時的氣溫、儀器是否適宜加熱來區分升溫的方法）。仔細分析，以上途徑雖然不同，但最終都使裝置內氣體的壓強發生了改變，與外界的大氣壓形成壓強差。形成壓強差是裝置氣密性檢查的重要理論依據。
 3、裝置氣密性良好的外在體現
 從上面已知，要檢查裝置的氣密性，必須形成壓強差。那么壓強差會從哪些方面體現出來呢？在克拉伯龍方程中，體積參數改變比較明顯，容易定性定量衡量出壓強的變化。特別是在氣液交界處，變化尤為明顯。當密閉體系內氣體壓強增大，則交界處有氣泡逸出；當壓強減小，則交界處的導管會出現一段液柱，而且不會消失；若內外均有液體，也可以形成液面高度差，即壓強差的體現。學生要注意觀察氣液交界處的變化，并以此做出裝置氣密性好壞的判斷。
 4、如何用文字表達出來
 文字表達要清楚完整。我們可以這樣引導學生：裝置氣密性—→不漏氣（密閉體系）—→（如何）形成密閉體系—→（如何）產生壓強差—→觀察氣液交界處的變化（獲得依據）—→做出判斷。尤其是現象的描述要準確，例如很多學生只描述：“導管口有氣泡逸出”就完了，這是不夠的，還要有“松開手后，液體會被倒吸進導管，形成一段液柱，且在一段時間內不消失”。
 通過以上步驟，裝置氣密性檢查的思路在學生的頭腦中已經基本清晰，可以通過典型題目的練習將這一思路內化到自己的知識網絡中，進而掌握解決這類問題的策略。
 二、化學裝置氣密性檢查的常用方法
 1、空氣熱脹冷縮法。這是教材上介紹的常用的一種方法，操作簡便行，但有四個缺點：①如果儀器玻璃較厚、裝置較大，或者手掌溫度與空氣溫度相差不大時，都不會產生氣泡，更不能形成水柱；②每檢查一次用時間偏長；③導氣管的尾端被水浸濕，不適宜做避免水參與的實驗（如制氨氣、制氯化氫等）；④若裝置內已經裝入了試劑就不能再行檢查。
 2、水封法。適用于檢查啟普發生器或類似于啟普發生器的裝置。首先關閉排氣導管，從頂部漏斗口注水，當漏斗下端被水封閉后再注水，水面不下降，表明裝置氣密性好；如果水面下降，表明裝置氣密性差。此法有兩個缺點：①裝置內部被水浸濕；②如果已裝入了固體試劑則不能再行檢查。
 以上氣密性檢查方法均有其適用范圍，應指導學生加強審題能力，把關鍵字詞看清讀懂，根據題目具體條件選擇適當的檢查方法。
 三、化學裝置氣密性檢查例題分析 
 例1、某同學利用以下裝置制備收集NO。如何檢查裝置氣密性？
 解析：此裝置比較簡單，只有一個出口，可以用水封，然后利用手心加熱形成壓強差。
 操作：將導管出口浸入水中，用手握住試管，有氣泡從管口逸出，松手后，導管倒吸一段水柱，且較長一段時間不回落，表明該裝置氣密性良好。
 例2、SO2 是大氣污染物之一，為粗略地測定周圍環境中SO2的含量，某學生課外活動小組設計了如右圖所示的實驗裝置，請檢查該裝置的氣密性。
 已知：先在試管中裝入適量的水，保證玻璃導管的下端浸沒在水中。
 解析：根據右圖所示和已知條件，該裝置已經密封，氣液交界處在玻璃導管內，其變化情況可能有兩種，一種情況是使試管內氣壓增大，玻璃導管內液面上升，若玻璃導管內液面和試管內液面高度差不變，則證明裝置氣密性良好。第二種情況是使試管內氣壓減小，大氣壓將空氣壓入試管內，浸沒在水中的玻璃導管口有氣泡冒出。根據題意，由于裝置中存在一個單向閥，不可能增加裝置內氣體物質的量，所以第一種方案不可取，因此選擇第二種。由圖可知減小試管內氣壓的辦法是將注射器慢慢向外拉，通過減小試管內氣體的物質的量的方法來減小氣壓。
 操作：將注射器慢慢向外拉，若浸在水中的導管口有氣泡冒出，則說明裝置的氣密性良好。
 例3、為了在實驗室利用工業原料制備少量氨氣，有人設計了如下裝置（圖中夾持裝置均已略去）。如何檢查裝置A的氣密性？
 解析：裝置A有三個出入口：長頸漏斗、活塞a、活塞c�？梢詫⒒钊鸻、c關閉，而長頸漏斗可以用水封。要形成壓強差可以對試管進行加熱，也可以采取往長頸漏斗中加水來對體系內氣體施壓。通過分析可知，后一種無需加熱，相對而言實施起來比較簡單。
 操作：關閉活塞a、c，往長頸漏斗中加入一定量的水，將長頸漏斗封住，若長頸漏斗中的液面高于試管內的液面，且在較長的一段時間內不消失，說明裝置A的氣密性是良好的。
 例4、氯磺酸是無色液體，密度1.79 g·cm-3，沸點約152℃，氯磺酸有強腐蝕性，遇濕空氣發出強烈的白色煙霧，它屬于危險品。制取氯磺酸的典型反應是在常溫下進行的，在實驗室里制取氯磺酸可用如下圖的儀器裝置(圖中夾持、固定儀器和酒精燈等已略去)。
 在檢查裝置氣密性時發現漏氣，需要分段檢查以確定漏氣部位。在不拆卸裝置的前提下，檢查A是否漏氣的操作步驟是：_____________________。
 解析：不拆卸裝置，只檢查裝置A，則必須將裝置A到裝置B的通道截斷。故應關閉止水夾K2。要形成壓強差，則應該在分液漏斗中加入水，但是又不能讓軟管接到分液漏斗的上口，否則液面上下聯通，壓強始終相同，水會自由留下。如果將軟管從分液漏斗上口卸下，則多出的這個出口也必須封住，才能形成密閉體系。
 操作：關閉K1、K2，從分液漏斗上拔下軟管，往分液漏斗中加入適量水，用止水夾將軟管夾緊，再打開K1，若觀察到分液漏斗中的液面與燒瓶內液面保持一定高度差，且在較長時間內不消失，則說明裝置A氣密性良好。
 四、化學裝置氣密性檢查教學中的幾點體會
 1、化學裝置氣密性檢查一定要在實驗前完成，不是密閉體系的要設法進行封堵形成密閉體系。封堵方法有：液封、關閉活塞、使用彈簧夾、使用膠塞。
 2、化學裝置氣密性的檢查原理是形成壓強差。有體系內外壓強差的存在，才會觀察到產生水柱或有氣泡逸出等現象。要獲得壓強差， 常用的方法有兩種，即空氣熱脹冷縮法和水封法，可根據具體情況加以選擇。
 3、高中化學目標體系是“知識與技能”、“過程與方法”及“情感態度與價值觀”的互相融合，通過化學試驗為主的多種探究活動，使學生體驗科學研究的過程，激發學生學習化學的興趣，強化科學探究的意識，促進學習方式的轉變， 培養學生的創新精神和實踐能力，努力提高學生的綜合素質。作為化學實驗教學內容之一，裝置氣密性檢查的教學應予以重視。

 【參考文獻】
1、《實驗化學》 劉約權、李貴深 高考教育出版社
2、《實驗化學原理與方法》 張濟新、鄒文樵 化學工業出版社
3、《基礎化學試驗》 徐家寧、張鎖秦、張寒琦 高等教育出版社

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