葉永謙　葉燕珠　張賢金　嚴(yán)業(yè)安

摘要： 針對(duì)模擬工業(yè)制備鹽酸的演示實(shí)驗(yàn)裝置的不足之處，基于STEAM理念從實(shí)驗(yàn)儀器、操作步驟、控制條件等進(jìn)行再設(shè)計(jì)。利用新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，以氯化鈉為原料，實(shí)現(xiàn)氫氣和氯氣的制備、氯化氫的合成和檢驗(yàn)、氫氣的驗(yàn)純和尾氣處理等多種功能。新的實(shí)驗(yàn)兼有儀器簡約、操作便捷、現(xiàn)象可視、過程環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞： 模擬鹽酸工業(yè)制法; STEAM理念; 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2020）03-0076-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

在教材電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增添氯化氫合成爐模擬裝置，可以成功演示鹽酸的生產(chǎn)過程[1]。就像工程機(jī)械一樣，每一件演示裝置其設(shè)計(jì)總是在實(shí)踐中不斷完善的。該裝置在具體課堂演示過程中，也出現(xiàn)了需要再完善之處： 比如因整套裝置較為復(fù)雜，存在簡約性不夠的問題（見圖1）;因操作步驟較為繁雜，存在課堂演示費(fèi)時(shí)較長的問題;因氣體燃燒時(shí)間較短或者不夠順暢，存在可視化程度不夠高的問題。

圖1? 原工業(yè)制備鹽酸演示裝置示意圖

科學(xué)的創(chuàng)新往往源于形象思維而終于邏輯思維，藝術(shù)家的形象思維一般屬于不同事物的大跨度聯(lián)想，對(duì)藝術(shù)家的形象思維成果進(jìn)行嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)或嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)驗(yàn)證，則屬于科學(xué)家的邏輯思維，STEAM教育理念實(shí)現(xiàn)了這兩種思維的整合對(duì)接?；赟TEAM理念的設(shè)計(jì)必須滿足裝置簡約化、現(xiàn)象可視化、過程環(huán)?；?、體驗(yàn)藝術(shù)化的要求[2]，最終達(dá)到讓學(xué)生在課堂演示實(shí)驗(yàn)中既“看得懂”“看得清”又“放心看”“喜歡看”的目的。為此，從實(shí)驗(yàn)儀器的再設(shè)計(jì)和操作步驟的再優(yōu)化入手，對(duì)工業(yè)制備鹽酸演示裝置進(jìn)行再設(shè)計(jì)。

1? 從科學(xué)、技術(shù)與工程入手，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器

1.1? 杯形容器下加裝支管，解決鹽酸的收集過程無法演示的問題

在原演示裝置中，氯化氫生成后產(chǎn)生的白霧罩在倒扣的三角漏斗內(nèi)，直接在杯形容器中加滴有洗潔精和酚酞的氫氧化鈉溶液，通過白霧的生成和酚酞的褪色證明有氯化氫生成，但無法收集氯化氫溶于水后得到的鹽酸。為了解決這個(gè)問題，在杯形容器下加裝帶有玻璃活塞的支管（見圖2），用于將氯化氫溶于水后制得的鹽酸導(dǎo)出到燒杯中收集，也方便在杯形容器中換用各種液體。

圖2? 在杯形容器下加裝支管示意圖

1.2? 改進(jìn)電解容器，解決儀器復(fù)雜問題及安全隱患問題

原演示裝置的復(fù)雜性在于U形管較大，而且無法獨(dú)立支撐，必須制作專用的底座才能固定住。為了解決這個(gè)問題，將大號(hào)U形管改為筒形平底三口燒瓶，其中兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)接口用來插入連接管，中間接口用橡皮塞塞?。ㄒ妶D3）。為了能夠插入長的碳棒及三角漏斗下管，連接管下口設(shè)計(jì)為外磨24/29標(biāo)準(zhǔn)接口與三口燒瓶對(duì)接;上口設(shè)計(jì)為內(nèi)磨40/38。大口徑是為了方便使用大號(hào)橡皮塞，留有足夠位置插入碳棒、三角漏斗下管及導(dǎo)氣管。長度設(shè)計(jì)為20cm，目的是將碳棒限制在連接管內(nèi)，有效杜絕氫氣與氯氣混合爆炸的隱患。選用三口燒瓶而不用雙口燒瓶，還基于萬一出現(xiàn)因氣壓較大時(shí)，三口燒瓶的中口塞著的橡皮塞可以及時(shí)跳出減小壓力，確保實(shí)驗(yàn)安全（見圖3）。

圖3? 用筒形平底三口燒瓶加連接管代替大號(hào)U形管示意圖

2? 從科學(xué)和藝術(shù)入手，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作過程

2.1? 巧妙利用產(chǎn)物氫氧化鈉溶液，解決氯化氫的驗(yàn)證和多余氯氣的處理問題

在原演示裝置中，氯化氫的驗(yàn)證是使用pH試紙貼在廣口瓶內(nèi)觀察其顏色的變化，現(xiàn)象雖有但距離較遠(yuǎn)的學(xué)生無法觀察到;處理多余氯氣的方法是在陽極管外加支管將氯氣導(dǎo)入裝有氫氧化鈉溶液的燒杯中，裝置較為復(fù)雜。從藝術(shù)的角度再設(shè)計(jì)，可以巧妙地利用陰極區(qū)三角漏斗中的產(chǎn)物氫氧化鈉溶液。往三角漏斗中的溶液滴加酚酞后變紅，用針筒取用20毫升紅色溶液注入杯形容器中，再往杯形容器上套上廣口瓶，將裝置生成的氯化氫氣體或氯氣限制在該溶液中。搖動(dòng)廣口瓶，即可通過觀察溶液紅色的消失檢驗(yàn)氯化氫的生成和處理多余的氯氣。在實(shí)際操作中，可以往杯形容器中再滴入少許洗潔精，廣口瓶搖動(dòng)時(shí)可能有少量氣體逸出，洗潔精形成的肥皂泡剛好可以將這些氣體吸收處理。整個(gè)設(shè)計(jì)使操作更加簡捷，裝置更加簡單，通過溶液顏色的變化使反應(yīng)現(xiàn)象更加明顯，展示了化學(xué)的藝術(shù)之美。

2.2? 巧用洗潔精形成氫氣氣泡，解決氫氣的驗(yàn)純和尾氣處理問題

在原演示裝置中，是通過收集氫氣做爆鳴實(shí)驗(yàn)對(duì)氫氣進(jìn)行驗(yàn)純，但現(xiàn)象不夠明顯;演示結(jié)束后，多余的氫氣導(dǎo)入肥皂水中形成肥皂泡點(diǎn)燃除去。借鑒上述氯氣的尾氣處理方法，可以取用三角漏斗中的紅色溶液20毫升，滴入少許洗潔精。往燃燒管外套上一個(gè)小廣口瓶，打開氫氣導(dǎo)管玻璃活塞，將陰極區(qū)產(chǎn)生的氣體通入肥皂水中形成氣泡。點(diǎn)燃?xì)馀?，如出現(xiàn)清脆的爆鳴聲，說明氫氣不純。反復(fù)二至三次后，當(dāng)氣泡燃燒時(shí)出現(xiàn)輕微而低沉的“噗”的一聲時(shí)，說明氫氣是純凈的。反應(yīng)結(jié)束后，使用相同的方法，將氫氣尾氣排到上述肥皂水中形成氣泡，再進(jìn)行燃燒處理。再設(shè)計(jì)后的氫氣驗(yàn)純和尾氣處理方法相同，現(xiàn)象更加明顯，操作更加安全，燃燒后美麗的火焰更是為學(xué)生帶來美的體驗(yàn)。

3? 從科學(xué)和數(shù)學(xué)入手，再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)控制條件

3.1? 計(jì)算電流強(qiáng)度，解決電解速度慢及熱的飽和食鹽水配制時(shí)間問題

為了提高演示實(shí)驗(yàn)的效果，設(shè)計(jì)時(shí)必須關(guān)注現(xiàn)象的清晰度和操作的簡練性[3]，方便教師在幾分鐘內(nèi)將實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、儀器藥品、操作步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等講解清楚。原演示裝置因電解速度慢、需現(xiàn)場配制熱的飽和食鹽水，導(dǎo)致課堂演示時(shí)間較長。為了解決這個(gè)問題，運(yùn)用物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)，從電解的電流強(qiáng)度計(jì)算入手，尋找更合理的實(shí)驗(yàn)條件。假設(shè)在5分鐘的電解時(shí)間內(nèi)，必須制得112毫升（換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況）的氫氣，則直流電源必須在該時(shí)間內(nèi)提供至少960庫侖的電量。加上電解過程中部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，平均電流必須達(dá)到3.2安培。經(jīng)過計(jì)算后，將學(xué)生電源換為60V直流電源，即便使用常溫下的飽和食鹽水，電解速率也得到明顯提高，解決了課堂時(shí)間不足的問題。當(dāng)然，使用該電源要注意安全問題，因此在改進(jìn)中使用絕緣套套住石墨電極裸露在外的部分，確保實(shí)驗(yàn)安全。

3.2? 測算氣泡冒出速率，解決氫氣燃燒不夠順暢問題

原演示裝置還存在一個(gè)“如何測算氫氣進(jìn)入燃燒管的速率，確保氫氣順暢燃燒”的問題。因?yàn)闅錃膺M(jìn)管速率如果太小，無法順利燃燒;如果太快，燃燒時(shí)間又太短，現(xiàn)象不夠明顯。解決這個(gè)問題的方法只有通過實(shí)踐的摸索尋找合適的流速。經(jīng)過不斷探索，終于找到判斷氫氣流速的方法，即計(jì)算氫氣從小廣口瓶中冒出氣泡的速率。當(dāng)氫氣從小廣口瓶中冒出氣泡8秒內(nèi)可均勻達(dá)到20個(gè)氣泡時(shí)，氫氣即可順暢燃燒，即氫氣可持續(xù)燃燒的流速應(yīng)為氣泡2.5個(gè)/秒。測算的時(shí)機(jī)可以選擇在氫氣驗(yàn)純時(shí)，通過控制連接氫氣的玻璃活塞和止水夾完成。

4? 再設(shè)計(jì)裝置的操作步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

經(jīng)過以上基于STEAM理念的再設(shè)計(jì)（見圖4），新的演示裝置更加簡單、操作更加方便、現(xiàn)象更加清晰、過程更加環(huán)保、體驗(yàn)更加深刻，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)的科學(xué)之美、藝術(shù)之美的有效融合。具體步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下。

圖4? 新的基于STEAM理念設(shè)計(jì)的演示裝置示意圖

4.1? 氣密性檢驗(yàn)

按圖4裝置裝配好儀器后，關(guān)閉活塞，往三角漏斗中加入蒸餾水。一段時(shí)間后，蒸餾水無法流下且三角漏斗內(nèi)外存在液面高度差且保持不變，說明裝置氣密性良好。

4.2? 飽和食鹽水的配制和注入

配制1500mL飽和食鹽水待用。兩個(gè)電極先插入連接管但橡皮塞不塞緊，打開活塞，往三角漏斗中注入飽和食鹽水至液面離兩個(gè)連接管的上管口各1cm處。塞緊兩個(gè)橡皮塞，通過往三角漏斗中加入少量飽和食鹽水調(diào)節(jié)液面至充滿兩個(gè)連接管。

4.3? 飽和食鹽水的電解

接通可調(diào)壓直流電源，電壓控制為60V，開始電解，兩極均有明顯的氣泡冒出。電解一段時(shí)間后，左管收集到大量氫氣，右管收集到的氯氣較少，產(chǎn)生的氣體將溶液壓入三角漏斗中。

4.4? 氫氣的驗(yàn)純及流速的測算

收集到大量氫氣后，往三角漏斗中滴加幾滴酚酞溶液，三角漏斗中溶液變?yōu)榧t色，證明該溶液中含有氫氧化鈉。使用注射器吸取該紅色溶液20mL注入合成爐的杯形容器中，再滴入幾滴洗潔精后攪拌均勻。電解過程中，三角漏斗中氫氧化鈉濃度不斷升高，導(dǎo)致酚酞分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[4]，粉紅色會(huì)褪去。此時(shí)應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，關(guān)注酚酞變紅及褪色的原因。通過對(duì)課堂生成的新問題進(jìn)行實(shí)證研究，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和認(rèn)識(shí)量變引起質(zhì)變的科學(xué)素養(yǎng)。

杯形容器注入氫氧化鈉溶液后，往燃燒外管上扣上一個(gè)小廣口瓶，打開活塞1，使一定量的氫氣進(jìn)入廣口瓶在瓶外的液面上形成氫氣肥皂泡。點(diǎn)火，無明顯現(xiàn)象，因排出的首先是廣口瓶中的空氣。再排出氣泡，并計(jì)算氣泡冒出速度是否達(dá)到2.5個(gè)/秒。點(diǎn)火，有尖銳的爆鳴聲，說明所收集氫氣不純，原因在于導(dǎo)管中有空氣存在。重復(fù)以上步驟，直到聽到沉悶的“噗”的一聲，說明氫氣已經(jīng)純凈，可以安全燃燒。

4.5? 氯化氫氣體的合成及檢驗(yàn)（選用步驟）

如果實(shí)驗(yàn)的目的是更清楚地觀察和檢驗(yàn)氯化氫的生成，可選用本步驟。氫氣驗(yàn)純后，取出套在燃燒管外的小廣口瓶。打開活塞1，點(diǎn)燃?xì)錃?，氫氣在外管口安靜地燃燒。再打開活塞2，氯氣進(jìn)入內(nèi)管助燃，火焰呈蒼白色（見圖5）。使用蒸餾水潤濕過的集氣瓶，罩在火焰上方并使瓶口沒入液體中。此時(shí)有大量白霧出現(xiàn)，火焰熄滅，關(guān)閉活塞1、2。搖動(dòng)集氣瓶，使白霧與滴有酚酞的氫氧化鈉溶液接觸。一段時(shí)間后，瓶中白霧基本消失，紅色褪去，說明有鹽酸生成。搖動(dòng)過程中可能有少量氯化氫氣體逸出，滴入的洗潔精可以有效地將這些逸出的氣體粘住，防止污染空氣。

圖5? 引發(fā)氫氣在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

4.6? 氯化氫氣體的合成及鹽酸的收集（選用步驟）

如果要演示收集氯化氫溶于水制得的鹽酸，可選用本步驟。氫氣驗(yàn)純后，取出套在燃燒管外的小廣口瓶。打開活塞3，用燒杯接住流出液體。再使用蒸餾水洗滌杯形容器，關(guān)閉活塞3。往杯形容器中加入20毫升蒸餾水，用于吸收合成后的氯化氫氣體制備鹽酸。打開活塞1，點(diǎn)燃?xì)錃?，氫氣在外管口安靜地燃燒。再打開活塞2，氯氣與氫氣接觸后燃燒起來，火焰呈蒼白色。

將蒸餾水潤濕過的集氣瓶倒扣在火焰上方并使瓶口沒入液體中，有大量白霧出現(xiàn)，關(guān)閉活塞1、 2，火焰熄滅。搖動(dòng)廣口瓶，使白霧與蒸餾水充分接觸，一段時(shí)間后，廣口瓶中白霧基本消失。打開活塞3，即可用燒杯承接吸收氯化氫氣體后的鹽酸溶液（見圖6）。

圖6? 檢驗(yàn)氯化氫并收集鹽酸實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

4.7? 尾氣的處理

演示結(jié)束后，還有多余的氫氣和氯氣殘留在連接管中。因氯氣的處理需要再加入氫氧化鈉溶液，所以先處理氯氣。取下集氣瓶，打開活塞3流出杯形容器中的液體注入廢液缸。再用注射器吸取三角漏斗中的液體20mL注入合成爐的杯形容器中，滴入酚酞呈紅色，再滴入幾滴洗潔精后攪拌均勻，扣上廣口瓶。打開活塞2，往三角漏斗中加入蒸餾水增大壓強(qiáng)，使右管中的氯氣全部進(jìn)入杯形容器中。搖動(dòng)集氣瓶，直至瓶中紅色逐漸褪去。氯氣處理后，關(guān)閉活塞2，打開活塞1，往三角漏斗中加入蒸餾水增大壓強(qiáng)，使左管中的氫氣全部進(jìn)入杯形容器中形成氫氣肥皂泡，點(diǎn)燃肥皂泡將氫氣除去，實(shí)驗(yàn)完成。

在化學(xué)教育中引進(jìn)STEAM理念，通過讓學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題，嘗試將所學(xué)知識(shí)及技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)新探究活動(dòng)，有助于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展[5]。本實(shí)驗(yàn)的再設(shè)計(jì)正是基于STEAM理念，不但從科學(xué)的角度做到讓學(xué)生看得懂設(shè)計(jì)原理、從技術(shù)和工程的角度讓學(xué)生看得清實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且從藝術(shù)的角度讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的感官享受、從數(shù)學(xué)的角度總結(jié)實(shí)驗(yàn)的條件控制和數(shù)據(jù)的分析，將有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和人文素養(yǎng)的提高。

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