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化學(xué)實驗裝置氣密性檢查策略初探(一)
【摘要】 化學(xué)實驗中的裝置氣密性檢查問題是對學(xué)生綜合運用能力的考查。本文通過典型例題分析了學(xué)生解答這類題目時經(jīng)常出現(xiàn)的問題,并歸納總結(jié)了裝置氣密性檢查的幾點策略。
【關(guān)鍵詞】 化學(xué)裝置氣密性、檢查策略、實驗教學(xué)
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(yīng)用作為能力考核的最高要求。這里的綜合應(yīng)用不僅包括學(xué)科能力的綜合應(yīng)用、實驗技能的綜合應(yīng)用,也包括各學(xué)課知識的綜合應(yīng)用。中學(xué)化學(xué)實驗中的裝置氣密性檢查問題就涉及了物理和化學(xué)學(xué)科知識,具有很強的學(xué)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(xué)裝置氣密性的檢查方法作一總結(jié)。
一、化學(xué)裝置氣密性檢查的策略分析
裝置氣密性檢查,是對學(xué)生綜合運用能力的考查,要求學(xué)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(fā)現(xiàn),學(xué)生若遇到一個新的裝置或者新題型,常常不知所措,導(dǎo)致失分嚴(yán)重。這是學(xué)生對所學(xué)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(xiàn)。因此,授予學(xué)生解決問題的策略,勝于給學(xué)生講解幾十道題目。
裝置氣密性檢查首先要明確其內(nèi)涵,即氣密性是裝置的一個性質(zhì)。從語義上可理解為不漏氣,即該裝置應(yīng)是一個密閉體系。那么,學(xué)生應(yīng)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(rèn)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(guān)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(lián)想克拉伯龍方程。當(dāng)體系減少氣體體積、增大壓強、升高溫度時,其他參數(shù)就會跟著改變。當(dāng)參數(shù)的改變以某種明顯的現(xiàn)象展現(xiàn)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(xiàn)途徑一般是:將體系內(nèi)氣體排出一部分,使氣體體積減少;對體系內(nèi)氣體進行施壓,可增大體系內(nèi)氣體壓強;升高體系內(nèi)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(dāng)時的氣溫、儀器是否適宜加熱來區(qū)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(nèi)氣體的壓強發(fā)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(jù)。
3、裝置氣密性良好的外在體現(xiàn)
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(xiàn)出來呢?在克拉伯龍方程中,體積參數(shù)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(dāng)密閉體系內(nèi)氣體壓強增大,則交界處有氣泡逸出;當(dāng)壓強減小,則交界處的導(dǎo)管會出現(xiàn)一段液柱,而且不會消失;若內(nèi)外均有液體,也可以形成液面高度差,即壓強差的體現(xiàn)。學(xué)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(dǎo)學(xué)生:裝置氣密性—→不漏氣(密閉體系)—→(如何)形成密閉體系—→(如何)產(chǎn)生壓強差—→觀察氣液交界處的變化(獲得依據(jù))—→做出判斷。尤其是現(xiàn)象的描述要準(zhǔn)確,例如很多學(xué)生只描述:“導(dǎo)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(dǎo)管,形成一段液柱,且在一段時間內(nèi)不消失”。
通過以上步驟,裝置氣密性檢查的思路在學(xué)生的頭腦中已經(jīng)基本清晰,可以通過典型題目的練習(xí)將這一思路內(nèi)化到自己的知識網(wǎng)絡(luò)中,進而掌握解決這類問題的策略。
二、化學(xué)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(chǎn)生氣泡,更不能形成水柱;②每檢查一次用時間偏長;③導(dǎo)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(nèi)已經(jīng)裝入了試劑就不能再行檢查。
2、水封法。適用于檢查啟普發(fā)生器或類似于啟普發(fā)生器的裝置。首先關(guān)閉排氣導(dǎo)管,從頂部漏斗口注水,當(dāng)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(nèi)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(yīng)指導(dǎo)學(xué)生加強審題能力,把關(guān)鍵字詞看清讀懂,根據(jù)題目具體條件選擇適當(dāng)?shù)臋z查方法。
三、化學(xué)裝置氣密性檢查例題分析
例1、某同學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(huán)境中SO2的含量,某學(xué)生課外活動小組設(shè)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(dǎo)管的下端浸沒在水中。
解析:根據(jù)右圖所示和已知條件,該裝置已經(jīng)密封,氣液交界處在玻璃導(dǎo)管內(nèi),其變化情況可能有兩種,一種情況是使試管內(nèi)氣壓增大,玻璃導(dǎo)管內(nèi)液面上升,若玻璃導(dǎo)管內(nèi)液面和試管內(nèi)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(nèi)氣壓減小,大氣壓將空氣壓入試管內(nèi),浸沒在水中的玻璃導(dǎo)管口有氣泡冒出。根據(jù)題意,由于裝置中存在一個單向閥,不可能增加裝置內(nèi)氣體物質(zhì)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(nèi)氣壓的辦法是將注射器慢慢向外拉,通過減小試管內(nèi)氣體的物質(zhì)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(dǎo)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(yè)原料制備少量氨氣,有人設(shè)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(guān)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(nèi)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(guān)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(nèi)的液面,且在較長的一段時間內(nèi)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(fā)出強烈的白色煙霧,它屬于危險品。制取氯磺酸的典型反應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(yīng)關(guān)閉止水夾K2。要形成壓強差,則應(yīng)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(lián)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(guān)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(nèi)液面保持一定高度差,且在較長時間內(nèi)不消失,則說明裝置A氣密性良好。
四、化學(xué)裝置氣密性檢查教學(xué)中的幾點體會
1、化學(xué)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(shè)法進行封堵形成密閉體系。封堵方法有:液封、關(guān)閉活塞、使用彈簧夾、使用膠塞。
2、化學(xué)裝置氣密性的檢查原理是形成壓強差。有體系內(nèi)外壓強差的存在,才會觀察到產(chǎn)生水柱或有氣泡逸出等現(xiàn)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(jù)具體情況加以選擇。
3、高中化學(xué)目標(biāo)體系是“知識與技能”、“過程與方法”及“情感態(tài)度與價值觀”的互相融合,通過化學(xué)試驗為主的多種探究活動,使學(xué)生體驗科學(xué)研究的過程,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,強化科學(xué)探究的意識,促進學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變, 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力,努力提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。作為化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容之一,裝置氣密性檢查的教學(xué)應(yīng)予以重視。
【參考文獻】
1、《實驗化學(xué)》 劉約權(quán)、李貴深 高考教育出版社
2、《實驗化學(xué)原理與方法》 張濟新、鄒文樵 化學(xué)工業(yè)出版社
3、《基礎(chǔ)化學(xué)試驗》 徐家寧、張鎖秦、張寒琦 高等教育出版社
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