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第11章 关于一氧化碳实验的操作和改进(1)

一氧化碳化学性质实验的改进

一氧化碳化学性质的实验是初中化学实验中比较重要的内容之一,按现行教材中所述的实验方法,不但装置复杂,而且CO的污染不易控制。天津市蓟县桑梓中学滕化兴老师介绍采用下述方法进行实验,会使实验装置和操作大大简化,并且CO的污染得到有效的控制。

实验准备

预先用排澄清石灰水的方法收集两锥形瓶CO(瓶内直接留有少量澄清的石灰水),塞上橡皮塞。将铜箔卷成直径为15mm,长为30mm左右的圆柱形筒状(下称:筒状铜箔),固定在铜丝螺旋状一端,铜丝另一端插到橡皮塞上备用。

CO可燃性实验

振荡已集满CO的锥形瓶,澄清石灰水无变化,然后先划燃火柴,再迅速打开锥形瓶点燃CO,立刻可见CO在瓶口燃烧,火焰呈蓝色环状,自上而下持续近半分钟,燃烧完毕,感觉瓶壁发烫,振荡锥形瓶,可见澄清石灰水变浑浊。

CO还原性实验

将筒状铜箔放在酒精灯火焰上灼烧,使其光亮红色的表面生成黑色的氧化铜,过一会儿,打开锥形瓶,将表面变黑的铜箔冷却后插入锥形瓶中,塞紧瓶盖振荡,石灰水无变化,铜箔仍显黑色。是CuO与CO不反应吗?另取大小一样的筒状铜箔在酒精灯火焰上灼烧变黑后,趁热插入锥形瓶中,塞紧瓶盖振荡,石灰水变浑浊,同时黑色的CuO又立刻转变成光亮红色的铜。过一会儿待铜箔冷却后,点燃瓶内剩余的CO,以防止CO逸散,污染环境。

说明

CO还原CuO装置图

(1)通过CO的收集,以及CO还原CuO后余气的燃烧处理等措施,不但控制了毒气的逸散,而且加强了学生的环保意识,即:保护环境应从一点一滴的小事做起。

(2)通过实验学生目睹了CO与CO2化学性质的差异,特别是证明了CO不与Ca(OH)2反应的事实,补充了课本该实验的不足。

(3)CO还原CuO实验中,变黑的铜箔,一个冷却,一个趁热插入瓶中进行实验对比,加深了学生对化学反应条件重要性的认识,使学生通过实验能注意到化学方程式的准确书写。

(4)该实验操作简单,现象明显,实验时间约4min左右。

(5)筒状铜箔可反复使用。

一种一氧化碳制取和性质实验的联合装置

在实验室里制取一氧化碳的方法,一般用蚁酸(即甲酸)滴加到热浓硫酸中制取,也可以将草酸(即乙二酸)晶体和浓硫酸一起共热来制取。反应式是:

HCOOH浓硫酸△CO↑+H2OH2C2O4浓硫酸△CO↑+CO2↑+H2O在后一反应中,由于混合气体中含有CO2,需通过碱石灰或固体氢氧化钠吸收掉CO2,才可以制取得较纯的CO。

以上这两种方法对于初中同学来说是比较生疏的,因为他们对于有机物的知识很缺乏,所以课本中避开了CO的制法,而无法满足学生的求知要求。另一方面,有些农村中学的化学老师对一氧化碳的制取也不太熟悉,实验室中对蚁酸、草酸的储存也相当地不普遍。不少老师对一氧化碳的制取、性质实验,由于怕一氧化碳的毒性望而生畏,不敢做这一实验。富阳教师进修学校的朱银福老师曾在备课时表演过用电热法使CO2通过灼热的炭层制取CO,效果很好。另外还用了一种将氧气通入有火星的木炭层,使部分木炭灼热,在继续不断通入有限氧气过程中,产生一氧化碳的方法。后一种方法比较简单,而且与同学的生活实际有密切联系。

同学们对家里煤炉的煤层上方经常有蓝色火焰出现是非常熟悉的。这实际上是工业上的发生炉煤气。工业上使限量空气(这点很重要)通过灼热碳层可以得到体积比为1(CO)∶2(N2)的混合气体(其中还含有少量O2、H2、CH4、CO2等)。其反应原理表示如下:

C+O2CO2+热CO2+C2CO-热发生炉煤气的反应,总的来说是放热反应。只要控制好氧气的通量,就可以保持一氧化碳气持续不断地产生。

回兰溪教研胡延沂老师进行了改装。现将装置绘制如下,并将有关操作方法作一说明。

①对通入限量氧气,采用塑料气囊的方法。即用普通的食品袋,将袋口束紧,中间夹扎一套有椽皮管的玻璃导管(用棉线扎紧使之不漏气)。通进氧气前,先用手将袋内的空气压光,然后就可以将氧气通入。用高锰酸钾、氯酸钾(1∶1)的混合物加热制得,一般15克左右的混合物加热后制取一袋氧气是不成问题的。氧气收集完毕后,可在氧气囊前的导管留下橡皮导管15cm左右,用止液夹夹紧待用。用时只要接上导管,用手掌轻轻下压,即可将气囊内的氧气压出。用这个方法也可以收集氢气,并将它压入有色的氢气球中,制成氢气球,以及贮存其他气体。

图2这个方法所用的材料简单易得,售价便宜,极易制作,是很理想的简易“储气瓶”。

②采用石英管作为一氧化碳气发生管,因为制取一氧化碳时,木炭在浓度较高的氧气中燃烧已白热化,会使一般的玻管软化,起泡甚至穿孔,至使实验失败。采用石英管则可耐2000℃以上的高温,完全可以经受住炭燃烧所达到的1000℃左右的高温。

为防止木炭屑塞住出气管口,可先用耐高温的硅酸盐纤维轻轻塞在出气导管口处,防管口被塞。

具体操作是这样的,先在酒精灯上将一小粒黄豆大小的木炭加热至红热,迅速放在石英管内的木炭层上(以谷粒大小的炭粒为宜,并应尽量填实,石英管上部只留4~5cm空隙)。塞好导气管塞,接上氧气瓷导管,用手掌轻轻压入氧气,打开止液夹(1)。这一系列操作要熟练,有条不紊。当压入氧气后,一小粒红热的炭,就像红色的种子,发出耀眼的光,同时使周围的炭粒也迅速燃烧。不到一分钟,就可以在通过碱石灰后的导气管出口处点燃,可见淡蓝色的火焰,火焰约长3~5厘米,非常明显。

这里,点火管不可用细玻璃管,也不要用尖嘴管,因为气流出来不可能均匀,从细尖的导管出来断断续续,很容易熄灭,有时候还可能把尖嘴管烧熔,使出气管口堵塞。在图2中也表明了,这是一个比较粗的玻管,也可以用铜质或铁质的金属导管,内径可以在08厘米左右。

粗导管点燃气体可以得到较稳定的火焰。

点燃时,因连通的容器内部还有少量空气,可能产生爆炸,所以不要一通入氧气就点燃,待半分钟以后,导出管口有少量白烟冲出时,再点燃,这样,安全度就更大了。

氧气的流量以使炭燃烧发生白炽光即可,气流不宜过大。气流太小则炭只发生红热,一氧化碳量极少。

③还原氧化铜的装置中,要先打开止液夹(2),夹紧止液夹(1)。通一会儿CO后,在CuO处加热,从止液夹(2)处导出的气体,虽然是一氧化碳还原氧化铜后的气体,通过澄清石灰水后又吸收掉二氧化碳,但仍有过量的一氧化碳没有反应,所以仍旧可以点燃。当然,黑色氧化铜可以还原成为紫红色的铜。

这套装置,可以反复应用,一管木炭可供两个班演示所用,所消耗的是木炭(每次不到20克),还有就是实验室中常规制取氧气的药品——高锰酸钾和氯酸钾,其他如少量黑色的氧化铜,澄清的石灰水,这是做一氧化碳性质实验所必需的,实验装置中的瓷管可从泥三角上拆下。

微型快速明显的一氧化碳还原氧化铜实验

周顺荣、杨大才老师设计了用医用输液管控制CO气流速度,用玻璃导气管作反应器的实验方案。

实验准备

(1)仪器和试剂:

两个铁架台、两个250ml医用盐水瓶、一根医用输液管、一个医用9号针头、三根内径3mm的直角玻璃管、一根内径3mm长15cm左右的直玻璃管、10cm左右的乳胶管、一盏酒精灯、一个气球泡、一个双孔橡皮塞、一支大试管、一个弹簧夹。

2-3ml澄清石灰水、5g左右CuO、250mlCO(验纯后用排水法收集在250ml盐水瓶中)。

(2)制CuO薄膜取约5gCuO堆放在白纸上,将一根长12cm左右的干净的玻璃管垂直插入CuO堆中,在管内形成3-5mm的CuO柱,颠倒后向CuO上滴一滴水,待水耗尽再滴第二滴,……待糊状CuO下滑时,停止滴水,稍倾斜转动玻璃管,CuO滑到中下部时,上下对调,让CuO原路回滑(不下滑时用手指轻弹玻璃管)这样进行2-3次后,管内壁形成一薄层CuO(若有多余的CuO可稍用力甩去)。

最后平持玻璃管在灯焰上来回转动微热,至水分蒸干。

(3)组装仪器CO还原CuO

(1)调节输液速度为130滴/分左右,让CO排出管内空气(约5-10秒)。

(2)用酒精灯对准CuO处加热约15秒,可看到被加热处变红,继续加热到1分钟左右,直到光亮的铜镜形成,石灰水变浑(若不变浑,可移动酒精灯加热另一处CuO)。

(3)停止加热,减慢CO气流速度(调节输液速度为40滴/分左右)。冷却。

(4)冷到室温后停止通入CO。

改进后的实验,CO用量很少,250mlCO可做10次左右,反应器小,易受热、升温快,现象出现迅速,形成紫色光亮铜镜现象明显,CO气流速度控制自如,有害尾气不到原来的十分之一,整套装置便于课堂演示。若将反应器改用短试管(装置如图4)做实验,效果也很好。另外该装置还可做H2还原CuO的实验。

一氧化碳还原氧化铜和氧化铁的实验

初中化学课本有CO还原CuO的实验,高中化学课本有CO还原Fe2O3的实验,但实验装置麻烦,课前准备和课堂演示实验费时较长,实验时不够安全,未反应的CO直接排放在空气中,会污染环境、损害师生的健康。所以对该实验进行了四点改进:一是在试管中用甲酸和浓硫酸制取CO。二是用水浴加热甲酸和浓硫酸的混合物。三是用在酒精灯上加热螺旋状铜丝的方法制取CuO代替CuO粉末,用生锈的铁丝代替Fe2O3粉末。四是为减少环境污染将尾气点燃,实验结束后用冷水冷却甲酸与浓硫酸的混合物。改进后的实验操作方便、现象明显、安全可靠、减少污染,演示实验的时间比课本上的方法可节省一半。

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