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化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置氣密性檢查策略初探(一)
【摘要】 化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的裝置氣密性檢查問題是對學(xué)生綜合運(yùn)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(diǎn)策略。
【關(guān)鍵詞】 化學(xué)裝置氣密性、檢查策略、實(shí)驗(yàn)教學(xué)
在高中教育逐漸趨向于實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行及實(shí)驗(yàn)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(yùn)用能力的考查，要求學(xué)生有如何形成密閉體系并運(yùn)用物理知識檢查密閉體系氣密性的能力。但在實(shí)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(yùn)用的能力不強(qiáng)，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(dá)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(qiáng)、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(shí)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(jìn)行施壓，可增大體系內(nèi)氣體壓強(qiáng)；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(xì)分析，以上途徑雖然不同，但最終都使裝置內(nèi)氣體的壓強(qiáng)發(fā)生了改變，與外界的大氣壓形成壓強(qiáng)差。形成壓強(qiáng)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(qiáng)差。那么壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)增大，則交界處有氣泡逸出；當(dāng)壓強(qiáng)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(qiáng)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(dá)出來
文字表達(dá)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)：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(shí)驗(yàn)（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(diǎn)：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(qiáng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。可以將活塞a、c關(guān)閉，而長頸漏斗可以用水封。要形成壓強(qiáng)差可以對試管進(jìn)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(shí)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(diǎn)約152℃，氯磺酸有強(qiáng)腐蝕性，遇濕空氣發(fā)出強(qiáng)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(jìn)行的，在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)體會
1、化學(xué)裝置氣密性檢查一定要在實(shí)驗(yàn)前完成，不是密閉體系的要設(shè)法進(jìn)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(qiáng)差。有體系內(nèi)外壓強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)為主的多種探究活動，使學(xué)生體驗(yàn)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(qiáng)化科學(xué)探究的意識，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變， 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，努力提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)】
1、《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》 劉約權(quán)、李貴深 高考教育出版社
2、《實(shí)驗(yàn)化學(xué)原理與方法》 張濟(jì)新、鄒文樵 化學(xué)工業(yè)出版社
3、《基礎(chǔ)化學(xué)試驗(yàn)》 徐家寧、張鎖秦、張寒琦 高等教育出版社
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