赵东洋
河南省三门峡市陕州中学
一、问题的提出
1774年拉瓦锡提出元素概念结束燃素论，道尔顿于1803年提出原子学说，使化学进入了这个持续至今的以原子论为主线的新时期。实际上，化学进入近代化学时期后，势如破竹的发展所依据的最基本的理论始终是原子-分子理论。
仔细考察自波义耳以来化学发展的历史就不难发现，近代化学的创建和发展，几乎总是与人们对气体的研究紧密相关。近代化学时期，人们逐渐掌握了制备、收集和度量气体的方法，进一步认识到气体的一些宏观性质和种类上的多样性，在对气体的性质深入研究取得成果之后，加以类比和推理，建立了气体的理论模型，再从微观的角度揭示宏观现象的本质，推动化学向更深层次发展[1].也许正是因为如此，气体的学习与研究贯穿整个化学基础教育的始终，从空气的成分研究开始，初中阶段学习了氧气、氢气、二氧化碳、一氧化碳四种气体，高中阶段继续学习了氯气、氯化氢、硫化氢、二氧化硫、氮气、氨气、一氧化氮、二氧化氮、甲烷、乙烯、乙炔等气体，包括单质、氧化物、氢化物和有机物等十几种物质，系统地研究了这些物质的分子结构、物理性质、化学性质、制法和用途，成为中学化学的重点内容。其中气体的制备和性质实验是中学化学实验教学的重点和难点，高考考试大纲要求：“掌握常见气体的实验室制法（包括所用试剂、仪器、反应原理和收集方法）”。
化学是一门实验科学的提法，是由化学学科的研究方法和学科的成熟程度所决定的，化学实验的重要性不言而喻。但是，当前实验教学的现状主要是[2]：（1）化学实验内容的选择和实验课的组织，有局限于大纲，局限于课堂，过分重视验证书本上的知识和基本操作的细节的特点。（2）学生对化学实验课的热情和兴趣迅速下降，难以持久，能力得不到全面的培养和发展。（3）现行教学中的化学实验内容相当陈旧，实验教学方法仍然有待改进。最新的调查显示[3]，在高中阶段有的学生从未进过实验室，“学生自己动手实验的机会太少了”，“每次实验的时间太短了”，“看书做实验，没什么挑战性”，学生不能“自由研究自己感兴趣的实验”。在当前推进新课程标准的形势下，突出化学实验的教育功能，改善学生实验状况，提高学生实验能力是急需解决的化学教育重要问题。化学实验开设不足，效果差，不能满足学生发展的需要，其原因是多方面的。除了实验装备条件差，投入不足之外，由于化学实验本身存在着仪器体积大、药品用量多、所需仪器种类多而零碎、装置繁琐、操作复杂，一些药品易燃、易爆、具有腐蚀性、毒性，制得的气体有的有刺激性气味或有毒性，实验后剩余物处理麻烦等特点，使气体的制备和性质实验具有工作量大，完成难度大，费时多，效果不明显，成功率低的不足之处。
实践证明，微型实验具有“仪器容量小，药品用量少，操作简便，实验过程快，现象明显，实验成功率高，节省实验时间，安全性高，学生动手操作机会多，污染低或无污染，趣味性高”等优点,可以较好的克服以上困难，有利于实验课的开设[4，5]。以教师演示实验为主的化学实验教学，已经不能适应新课程的要求。《全日制义务教育化学课程标准（实验稿）》指出“仪器配备应做到人手一套”，《普通高中化学课程标准（实验）》指出“配置必要的药品、仪器和设备，确保每个学生都能进行实验探究活动”。微型化学实验仪器恰好能够满足以上要求。在化学课堂上，进行微型实验教学，让每一个学生在自己的课桌上，人手一套微型实验仪器进行科学探究或研究性学习，更能有效促进学生自主地学习，学会自主地发现问题、设计实验、完成实验，学会用学过的知识来解决实际问题，甚至提出新问题、发现新规律，学会创新。在此基础上才能进行有效的合作学习，培养学生的创新精神和实践能力，提高科学素养。
总之，为了解决气体的制备和性质实验的难点问题，有必要设计一种微型实验仪器，能够简化实验操作，节约实验时间，有利于学生亲自动手实验并且能够消除实验过程的污染问题，为提高实验的开设率创造条件。
二、对气体的制取和性质实验的分析
中学阶段，学生一共接触到下述几种气体发生装置：（1）给固体加热制备气体（图1），（2）固体和液体反应制备气体，反应不需要加热，包括启普发生器（图2）和简易气体发生装置（图3），（3）固体和液体反应制备气体，反应需要加热（图4）。经过多次反复实验研究，我们发现这几种装置不同程度地存在着一定的缺陷，为我们的改进提供了思路和方向。
例如：利用简易气体发生装置制备气体时，所需的液体试剂一次通过长颈漏斗全部加入反应容器中，实验进程无法控制；长颈漏斗的下端一定要插入液面以下，液体的量必须足够多，造成浪费比较严重。利用启普发生器制备气体时，装置不能加热，装在发生器内的固体必须是颗粒较大或块状的，并且不能溶解于水，随着反应的进行，块状固体不断减小，落入容器下部后继续和液体试剂反应产生气体，使球形漏斗内液面上升，最后会溢出漏斗。制取氯气时，在实验过程中，随着氯气的量增多，烧瓶内的压强增大，出现分液漏斗内的浓盐酸不易滴下的情况。为了避免上述情况发生，有两种改进方法：一是在分液漏斗的下端加套一小试管，作为液封（如图5）；二是用橡皮管将分液漏斗和烧瓶内连接成连通装置，使分液漏斗内的压强和烧瓶内的压强相等，成为恒压装置（如图6），但是上述的改进却使装置更加复杂，增加了实验的难度。另外，实验过程中排出装置外的有毒气体可以吸收，但装置内剩余的气体不仅无法充分利用，而且不能吸收，造成空气的污染，等等。
以化学实验的微型化和绿色化为指导，我们提出的改进思路是：（1）尽量减少反应容器的体积。这样不仅可以减少药品的用量，节约试剂，而且可以在较短时间内排净装置内的空气，减少实验时间，提高实验效率，又可以充分利用制得的气体，避免不必要的浪费。（2）既能制备气体，又可以试验气体的性质，以减少气体的收集、检验等实验操作程序，消除在气体的收集、检验过程中气体的泄漏和污染。（3）选择常用的滴管作为加入液体试剂的仪器，作到方便操作，通过滴入液体试剂控制反应速度。（4）充分吸收剩余的尾气，彻底消除气体的制备和性质实验的污染。（5）可以进行连续操作。
基于以上认识，我们对气体的制备、收集和性质实验进行了系统改进，研制成功了微型气体发生装置，微型气体发生和性质实验仪器，微型混合气体发生装置和微型集气装置（统称微型气体实验仪器）。
三、微型气体实验仪器的制作
取一支干燥洁净的硬质或厚壁试管，用带有导管的橡皮塞塞紧试管口，在试管底部侧面用酒精喷灯火焰加热，待此处红热欲熔时向试管内缓缓吹气（防止吹破），管壁向外慢慢隆起，内壁形成凹坑。冷却成型后，再在酒精喷灯火焰上给试管底部凹坑相对的位置加热，待红热欲熔时向试管内吹气，直到试管上形成一个小圆孔，这时用一支长约3cm的玻璃管放在熔口处，冷却后玻璃管粘在试管壁上，制成一支底部有凹坑且带支管的试管。这就是一支微型气体发生装置（如图5）。用类似的方法制成微型气体发生和性质实验仪器，微型混合气体发生装置。其中支管和凹坑以及用胶皮管和支管连接的胶头滴管组成了气体发生装置，生成的气体可以直接收集在水平直管内，也可以收集在和气体发生装置连接的微型集气装置。气体的部分性质实验（包括气液反应、气固反应）可以在水平直管内直接进行，固体单质的剧烈燃烧实验可以在微型集气装置内进行，而气体之间的反应可以在微型混合气体发生装置内进行。
四、微型气体实验仪器的应用
4.1 检查装置的气密性
原来的方法：如图6所示，把导管的一端浸在水里，用手紧握试管，观察水中的导管口有没有气泡冒出。如果有气泡冒出，说明装置不漏气；如果没有气泡冒出，要仔细查找原因，如是否应塞紧或更换橡胶塞，直到不漏气后才能进行实验。如果装置比较复杂，例如实验室制备氯气就需要用酒精灯给烧瓶加热。
用微型气体实验仪器检查装置气密性时，可以采用以下两种很简便的方法，不需要加热即可取得明显实验效果。 方法一：如图7（1）所示，连接仪器装置，在支管上套上胶皮管，然后插入胶头滴管，用带有导管的橡皮塞塞紧管口，将导管的一端插入盛有适量水的烧杯中。用手挤压胶头，观察导管口是否有气泡产生。如果装置不漏气，导管口有气泡冒出；若松开手，导管中会形成一小段水柱，过一段时间，液面不下降。方法二：如图7（2）所示, 连接仪器装置，在导管上连接一支漏斗，通过漏斗口向装置内加入适量的水，一段时间后，漏斗内液面不下降；用手挤压胶头，液面向上移动，松开手，液面回到原来位置，说明装置不漏气。
4.2 连接组装仪器
利用微型气体发生和性质实验仪器制备气体，在组装仪器时，只需进行3步操作：?在仪器的凹坑里放进少量固体药品；‚ 胶头滴管内吸进所需液体试剂（吸取液体时，滴管下端只需稍微插入液面以下），用纸擦干滴管外壁所粘的液体，插入带有胶皮管的支管；? 用带导管的橡皮塞塞紧试管口，把这个装置固定在铁架台上。如图8（图中省略铁架台和尾气吸收装置）所示。
4.3 气体的制取
制取气体时，挤压胶头，滴入液体试剂，发生反应，产生气体。通过控制滴加液体试剂的量，可以控制化学反应的速度，并且不会出现液体难以滴下的情况。根据实验的需要，确定所需的液体试剂的多少。一般来讲，实验结束后，药品要基本全部被消耗完，防止浪费。
4.4 气体的净化和干燥
在试管中如图8所示位置塞进一团棉花，可以防止反应时飞溅出来的小液滴污染试剂。若需干燥气体，可在棉花团中铺一层固体干燥剂（如碱石灰、氯化钙等）。
4.5 气体的收集
如果在装置的水平直管内可以直接进行性质实验，就不需要再专门收集气体了，气体产生后直接收集在直管内。若需要在集气装置内实验，可用如图9、图10所示的向上排气法和向下排气法收集气体，也可以用排水法收集气体。
4.6 试验气体的性质
气体的性质实验可以在微型气体实验仪器的直管内完成，主要包括以下几个方面：
4.6.1 气―液反应
如图8所示，取一支带有凹坑的塑料板（可剪下一条药丸铝塑包装板代替），在凹坑内放一、二块小滤纸片，滴上所需试剂。将这支塑料板水平横放进直管内，用带有导管的橡皮塞塞紧直管口。实验时，产生的气体和滤纸上的试剂发生反应。如：制取氯气并试验氯气的性质（氯气和溴化钠溶液、碘化钾溶液等反应）。
4.6.2 气―固反应
①还原性气体在加热条件下还原金属氧化物
将少量固体药品（如氧化铜）放在直管内壁上，用滴管滴加1滴水，调成较稀的糊状物。然后用酒精灯火焰烘干，形成一薄层薄膜。制取气体并检验纯度后，用酒精灯火焰在有固体的部位加热，观察现象。如：用氢气、一氧化碳还原氧化铜。
②金属单质、非金属单质的燃烧
方法一、如图11所示，将一小块金属钠放在微型气体发生和性质实验仪器的直管部分（为了防止反应时炸裂，要把钠放在玻璃纤维上），制取少量氯气，给钠加热，观察钠在氯气中燃烧的现象。
方法二、在导管上连接一支微型集气装置，用向上排气法收集氧气（或氯气），在微型玻璃燃烧匙内加入少量固体药品，用酒精灯火焰加热，然后伸入充满氧气（或氯气）的微型集气装置内，观察在气体中燃烧的实验现象。实验结束后，用喷壶对着微型集气装置的瓶口喷水，吸收反应后产生的物质。如硫在氧气中的燃烧（图12）。
4.6.3 气―气反应
? 可燃性气体的燃烧
在导气管口用胶皮管连上一支医用针头（为了安全将针头磨平），制取气体，用小试管收集气体并检验纯度。点燃纯净的气体，在火焰上罩一支小烧杯，检验燃烧产物。如：制取并点燃氢气、硫化氢等气体。
② 氢气和氯气混合光照条件下爆炸
在两支微型制气装置内分别制取氢气和氯气，用一支三通管将两支装置连接起来，用排饱和食盐水的方法收集混合气体（或分别先后收集两种气体使其混合）。用橡皮塞塞瓶口，燃烧
的镁条照射，使氢气和氯气迅速化合而爆炸
4.7 多余尾气的吸收
用原来的装置实验时，虽然尾气吸收装置可以吸收排出装置外的尾气，但是无法吸收装置内的气体，尾气的吸收很不彻底，不能完全消除污染。当用微型气体实验仪器进行实验时，在实验结束后，取下胶头滴管，用洗耳球对着装置内吹气，使多余的气体（有毒或有刺激性气味）全部被吸收，可以完全有效地防止污染环境。