有色气体扩散实验新设计

江苏省徐州市西苑中学(221002)

彭春艳 李德前

有色气体扩散实验新设计

江苏省徐州市西苑中学(221002)

彭春艳 李德前

在中学物理、化学、科学等实验中，常借助于有色气体(如二氧化氮)的扩散现象来说明“构成物质的分子都在不停地做无规则运动”，有关实验的装置如图1、2所示。

图1 人教版气体扩散实验装置

图2 浙教版气体扩散实验装置

教科书上设计的该实验存在一些不足之处，笔者受同行专家的启发，对该实验进行了改进设计。

1 原实验的不足

本实验存在的不足主要是：①单独制取二氧化氮气体比较麻烦，操作起来难度更大；②在整个实验过程中，剧毒的二氧化氮气体容易外逸污染大气(尤其是在抽掉玻璃板的时刻)，并且教室里通常没有安装通风设备，危害师生健康。

2 对实验的改进

笔者将“二氧化氮气体的收集装置”与“二氧化氮气体的扩散装置”合二为一，再与“二氧化氮气体的发生装置”连接起来，从而组合为功能集成的一体化实验装置。

2.1 实验用品

50 mL的锥形瓶、250 mL 的集气瓶(或球形干燥管、U形三通管等)、配套的有孔橡皮塞、玻璃导管、乳胶管、弹簧夹、2.5 mm×250 mm的紫铜(或黄铜)、浓硝酸、氢氧化钠溶液、棉花等。

2.2 实验装置

装入药品前的改进实验装置如图3所示。

图3 气体扩散实验的改进装置之一(装入药品前)

2.3 实验操作

在室内温度约12 ℃、本地气压约1 atm的条件下，进行下列实验。

(1)取1根直径约2.5 mm、长约25 cm的紫铜丝，并将其下端砸成扁平状(以增大与硝酸反应的接触面)；然后将紫铜丝插入与锥形瓶配套的橡皮塞中，并确保紫铜丝在橡皮塞中能自由的上下移动(可在紫铜丝的中部涂抹少许凡士林)。

(2)如图3所示连好实验装置，并用记号笔在集气瓶容积的1/2处划出容积分界线。检查装置的气密性的方法如下：用一小段橡皮管将注射器吸入口与细导管管口连接起来，再外拉注射器活塞一小段距离，若松开手后注射器活塞能回到原处，则装置不漏气。

(3)若装置不漏气，先拔掉锥形瓶口上的橡皮塞，向锥形瓶里缓慢注入适量的浓硝酸，把浸有氢氧化钠溶液的棉花团覆盖在细导管口上，如图4所示。

图4 气体扩散实验的改进装置(装入药品后)

(4)稍稍用力按下紫铜丝，使其末端浸入浓硝酸中，铜立即与浓硝酸反应，放出红棕色的二氧化氮气体。主要反应是：Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O。随着反应的进行，红棕色的气体逐渐充满锥形瓶，然后沿着长导管进入集气瓶中(以向上排空气法收集)。当红棕色气体充满集气瓶的下半部时，将紫铜丝提起来(反应立即停止)，并将弹簧夹夹在乳胶管上。

(5)此时可以观察到，集气瓶下半部分密度大于空气的二氧化氮气体逐渐上升，扩散到集气瓶上半部分的空气中(见图5)。同时，集气瓶下半部气体的颜色逐渐变浅，上半部气体由无色逐渐变为淡淡的红棕色。大约6 min左右，整个集气瓶中的气体颜色一致，均为稍淡一些的红棕色。上述实验现象说明，二氧化氮气体能与空气相互扩散，进而证明二氧化氮分子、氧分子均在不停地无规则运动之中。

图5 二氧化氮气体在大试管里逐渐向上扩散

(6)气体扩散实验结束，松开弹簧夹；然后借助注射器(或胶头滴管)，沿着细导管向集气瓶里注入足量的氢氧化钠溶液，轻轻振荡，以吸收、清除二氧化氮气体。主要反应是：2NO2+2NaOH=NaNO2+NaNO3+H2O。

(7)整个实验结束后拆开实验装置，注意拆分成两部分：其中一部分是二氧化氮气体的发生装置(包含乳胶管，并把弹簧夹夹在乳胶管上以防浓硝酸挥发)；另一部分是二氧化氮气体的收集与扩散装置，这部分装置要及时冲洗、晾干。

(8)若使用图6所示的改进装置进行实验，也能得到与图3装置相同的结论(操作程序不再赘述)。

图6 气体扩散实验改进装置之二

(9)若使用图7改进装置进行实验，同样可以得到与图3装置相同的结论(操作程序不再赘述)。另外，在二氧化氮气体的扩散过程中，如果用电吹风对着U形管其中的一个直管吹热风，则该管内二氧化氮气体扩散的速率明显大于另一个直管内二氧化氮气体扩散的速率。这可以说明温度升高，分子运动的速率加快。

图7 气体扩散实验改进装置之三

2.4 几点说明

(1)二氧化氮气体的发生装置，不要使用容积较大的仪器，以减少二氧化氮气体在发生装置中的残留，从而节省药品、缩短实验时间。实验结束后，拆下的发生装置不需要清洗，下一次实验时可以直接使用(只要铜和浓硝酸足量，该发生装置就能反复使用)。

(2)本实验对二氧化氮气体的纯度没有过高要求，因此不需要再添加气体的净化和干燥装置。

(3)如果没有紫铜，使用黄铜也可以，因为黄铜中的金属锌与浓硝酸反应也能产生二氧化氮气体。有关反应是：Zn+4HNO3(浓)=Zn(NO3)2+2NO2↑+2H2O。

3 改进实验的优点

(1)实验用品简约化，节省药品、方便操作。

(2)实验过程绿色化，既保护了环境，又培养了学生的环保意识。

(3)实验原理综合化，既促进了学生灵活运用物理、化学等多学科知识解决实际问题的能力，又提升了学生的科学素养。

(4)实验现象直观化，有利于学生分析实验现象，推导实验结论，提高了实验教学的效果。

(5)发生装置可控化，拓展了实验室气体制备的知识，开阔了学生的视野，提高了学生的实验设计能力。

(6)改进装置多样化，增强了实验的趣味性，培养了学生的发散思维，激发了学生的创新精神。

(7)实验装置集成化，既有利于教师连续授课，也方便学生动手探究，提高了课堂教学的效率。

实验改进

2017-08-02