化学实验装置气密性检查策略初探(一)

化学实验装置气密性检查策略初探(一)

【摘要】 化学实验中的装置气密性检查问题是对学生综合运用能力的考查。本文通过典型例题分析了学生解答这类题目时经常出现的问题，并归纳总结了装置气密性检查的几点策略。

【关键词】 化学装置气密性、检查策略、实验教学

 在高中教育逐渐趋向于实用化、综合化的今天，高考也将综合应用作为能力考核的最高要求。这里的综合应用不仅包括学科能力的综合应用、实验技能的综合应用，也包括各学课知识的综合应用。中学化学实验中的装置气密性检查问题就涉及了物理和化学学科知识，具有很强的学科交叉性。一般说来，无论采用哪种装置制取气体，在成套装置组装完毕、装入药品之前，都必须检查装置的气密性，以确保实验的顺利进行及实验安全。以下就化学装置气密性的检查方法作一总结。
一、化学装置气密性检查的策略分析
 装置气密性检查，是对学生综合运用能力的考查，要求学生有如何形成密闭体系并运用物理知识检查密闭体系气密性的能力。但在实际检测中发现，学生若遇到一个新的装置或者新题型，常常不知所措，导致失分严重。这是学生对所学知识综合运用的能力不强，或者说是解题思路不得其门而入的表现。因此，授予学生解决问题的策略，胜于给学生讲解几十道题目。
 装置气密性检查首先要明确其内涵，即气密性是装置的一个性质。从语义上可理解为不漏气，即该装置应是一个密闭体系。那么，学生应该解决得问题就是：如何形成密闭的体系，然后如何检查，凭什么可以认为或判断装置的气密性是良好的，最后怎么用文字表达出来。
 1、如何形成密闭体系
 一个装置摆出来，不一定是密闭的，可能有几个出入口。要形成密闭体系，就要将所有的出入口封堵住。一般出入口有：活塞、长颈漏斗下端、软管。可通过多种方式如液封、关闭活塞、使用弹簧夹、使用胶塞甚至用手堵住，使装置形成一个密闭体系。
 2、如何检查气密性
 对于密闭气体体系，可联想克拉伯龙方程。当体系减少气体体积、增大压强、升高温度时，其他参数就会跟着改变。当参数的改变以某种明显的现象展现出来时，我们就可以以此判断该装置的气密性是否良好。以上的实现途径一般是：将体系内气体排出一部分，使气体体积减少；对体系内气体进行施压，可增大体系内气体压强；升高体系内气体温度可以通过手捂或者酒精灯微热升温（以装置的大小、当时的气温、仪器是否适宜加热来区分升温的方法）。仔细分析，以上途径虽然不同，但最终都使装置内气体的压强发生了改变，与外界的大气压形成压强差。形成压强差是装置气密性检查的重要理论依据。
 3、装置气密性良好的外在体现
 从上面已知，要检查装置的气密性，必须形成压强差。那么压强差会从哪些方面体现出来呢？在克拉伯龙方程中，体积参数改变比较明显，容易定性定量衡量出压强的变化。特别是在气液交界处，变化尤为明显。当密闭体系内气体压强增大，则交界处有气泡逸出；当压强减小，则交界处的导管会出现一段液柱，而且不会消失；若内外均有液体，也可以形成液面高度差，即压强差的体现。学生要注意观察气液交界处的变化，并以此做出装置气密性好坏的判断。
 4、如何用文字表达出来
 文字表达要清楚完整。我们可以这样引导学生：装置气密性—→不漏气（密闭体系）—→（如何）形成密闭体系—→（如何）产生压强差—→观察气液交界处的变化（获得依据）—→做出判断。尤其是现象的描述要准确，例如很多学生只描述：“导管口有气泡逸出”就完了，这是不够的，还要有“松开手后，液体会被倒吸进导管，形成一段液柱，且在一段时间内不消失”。
 通过以上步骤，装置气密性检查的思路在学生的头脑中已经基本清晰，可以通过典型题目的练习将这一思路内化到自己的知识网络中，进而掌握解决这类问题的策略。
 二、化学装置气密性检查的常用方法
 1、空气热胀冷缩法。这是教材上介绍的常用的一种方法，操作简便行，但有四个缺点：①如果仪器玻璃较厚、装置较大，或者手掌温度与空气温度相差不大时，都不会产生气泡，更不能形成水柱；②每检查一次用时间偏长；③导气管的尾端被水浸湿，不适宜做避免水参与的实验（如制氨气、制氯化氢等）；④若装置内已经装入了试剂就不能再行检查。
 2、水封法。适用于检查启普发生器或类似于启普发生器的装置。首先关闭排气导管，从顶部漏斗口注水，当漏斗下端被水封闭后再注水，水面不下降，表明装置气密性好；如果水面下降，表明装置气密性差。此法有两个缺点：①装置内部被水浸湿；②如果已装入了固体试剂则不能再行检查。
 以上气密性检查方法均有其适用范围，应指导学生加强审题能力，把关键字词看清读懂，根据题目具体条件选择适当的检查方法。
 三、化学装置气密性检查例题分析 
 例1、某同学利用以下装置制备收集NO。如何检查装置气密性？
 解析：此装置比较简单，只有一个出口，可以用水封，然后利用手心加热形成压强差。
 操作：将导管出口浸入水中，用手握住试管，有气泡从管口逸出，松手后，导管倒吸一段水柱，且较长一段时间不回落，表明该装置气密性良好。
 例2、SO2 是大气污染物之一，为粗略地测定周围环境中SO2的含量，某学生课外活动小组设计了如右图所示的实验装置，请检查该装置的气密性。
 已知：先在试管中装入适量的水，保证玻璃导管的下端浸没在水中。
 解析：根据右图所示和已知条件，该装置已经密封，气液交界处在玻璃导管内，其变化情况可能有两种，一种情况是使试管内气压增大，玻璃导管内液面上升，若玻璃导管内液面和试管内液面高度差不变，则证明装置气密性良好。第二种情况是使试管内气压减小，大气压将空气压入试管内，浸没在水中的玻璃导管口有气泡冒出。根据题意，由于装置中存在一个单向阀，不可能增加装置内气体物质的量，所以第一种方案不可取，因此选择第二种。由图可知减小试管内气压的办法是将注射器慢慢向外拉，通过减小试管内气体的物质的量的方法来减小气压。
 操作：将注射器慢慢向外拉，若浸在水中的导管口有气泡冒出，则说明装置的气密性良好。
 例3、为了在实验室利用工业原料制备少量氨气，有人设计了如下装置（图中夹持装置均已略去）。如何检查装置A的气密性？
 解析：装置A有三个出入口：长颈漏斗、活塞a、活塞c。可以将活塞a、c关闭，而长颈漏斗可以用水封。要形成压强差可以对试管进行加热，也可以采取往长颈漏斗中加水来对体系内气体施压。通过分析可知，后一种无需加热，相对而言实施起来比较简单。
 操作：关闭活塞a、c，往长颈漏斗中加入一定量的水，将长颈漏斗封住，若长颈漏斗中的液面高于试管内的液面，且在较长的一段时间内不消失，说明装置A的气密性是良好的。
 例4、氯磺酸是无色液体，密度1.79 g·cm-3，沸点约152℃，氯磺酸有强腐蚀性，遇湿空气发出强烈的白色烟雾，它属于危险品。制取氯磺酸的典型反应是在常温下进行的，在实验室里制取氯磺酸可用如下图的仪器装置(图中夹持、固定仪器和酒精灯等已略去)。
 在检查装置气密性时发现漏气，需要分段检查以确定漏气部位。在不拆卸装置的前提下，检查A是否漏气的操作步骤是：_____________________。
 解析：不拆卸装置，只检查装置A，则必须将装置A到装置B的通道截断。故应关闭止水夹K2。要形成压强差，则应该在分液漏斗中加入水，但是又不能让软管接到分液漏斗的上口，否则液面上下联通，压强始终相同，水会自由留下。如果将软管从分液漏斗上口卸下，则多出的这个出口也必须封住，才能形成密闭体系。
 操作：关闭K1、K2，从分液漏斗上拔下软管，往分液漏斗中加入适量水，用止水夹将软管夹紧，再打开K1，若观察到分液漏斗中的液面与烧瓶内液面保持一定高度差，且在较长时间内不消失，则说明装置A气密性良好。
 四、化学装置气密性检查教学中的几点体会
 1、化学装置气密性检查一定要在实验前完成，不是密闭体系的要设法进行封堵形成密闭体系。封堵方法有：液封、关闭活塞、使用弹簧夹、使用胶塞。
 2、化学装置气密性的检查原理是形成压强差。有体系内外压强差的存在，才会观察到产生水柱或有气泡逸出等现象。要获得压强差， 常用的方法有两种，即空气热胀冷缩法和水封法，可根据具体情况加以选择。
 3、高中化学目标体系是“知识与技能”、“过程与方法”及“情感态度与价值观”的互相融合，通过化学试验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学生学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变， 培养学生的创新精神和实践能力，努力提高学生的综合素质。作为化学实验教学内容之一，装置气密性检查的教学应予以重视。

 【参考文献】
1、《实验化学》 刘约权、李贵深 高考教育出版社
2、《实验化学原理与方法》 张济新、邹文樵 化学工业出版社
3、《基础化学试验》 徐家宁、张锁秦、张寒琦 高等教育出版社

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