防倒吸實驗裝置的改進與優化設計

史崠瑛 , 王 涵 , 陳新茹 , 霍佳琦 , 陳鵬帆 , 戶 敏

(鄭州輕工業大學 材料與化學工程學院 , 河南 鄭州 450002)

在化學實驗中,經常會涉及到有氣體參與或生成的反應。在加熱制氣或對有毒有害氣體進行尾氣吸收時,經常遇到的問題就是倒吸現象。倒吸現象產生的主要原因是密閉體系內部的壓強減小,內外產生壓強差,致使液體發生倒吸。液體倒吸會對化學實驗產生不良的影響,如玻璃儀器的炸裂、反應試劑的污染等,因此在設計實驗時必須考慮防止液體倒吸的問題。防倒吸裝置的選擇要考慮多個方面的因素,特別是氣體的溶解度。

1 防倒吸實驗裝置

對于NH3、HCl、HBr、HI、NO2這些極易溶于某種液體(稱為吸收液)的有毒有害氣體,實驗室目前采用的防倒吸方法主要有緩沖法和阻斷法兩種。

①緩沖法防倒吸是用倒置的漏斗將倒吸的液體儲存于其中,防止其流入到要保護的容器內。緩沖法防倒吸實驗裝置如圖1所示。其原理是當易溶性氣體被吸收液吸收時,導管及漏斗內壓強減小,吸收液被吸入到漏斗中,由于倒置漏斗的橫截面積較大、可以容納較多量的吸收液,當吸收液進入漏斗內時,燒杯中液面顯著下降而低于漏斗口,使漏斗口脫離燒杯中的液面,漏斗中的液體受自身重力作用自然流回到燒杯,從而防止吸收液的倒吸。該方法的優點是實驗裝置簡單,可以就地取材。缺點是由于漏斗太輕容易傾倒,而使有毒有害氣體逸出,從而造成污染環境,甚至對人體造成傷害。該方法也可以用干燥管代替漏斗。

圖1 緩沖法防倒吸裝置

②阻斷法防倒吸是設置安全瓶將液體倒吸的途徑阻斷。阻斷法防倒吸實驗裝置如圖2所示。其原理是當倒吸發生時,倒吸來的液體被預先設置的蓄液瓶儲存,從而使受熱儀器得到保護,特別是溫差大的化學反應系統一般使用此類裝置。該方法的優點是有毒有害氣體通常不易逸出。缺點是防倒吸裝置過于繁瑣,安裝過程復雜,對于初學者對導氣管長度的選擇容易出錯。

圖2 阻斷法防倒吸裝置

隨著綠色化學理念逐漸滲透于化學實驗教學中,基于科學、安全、可行、簡約的原則,本文對防倒吸實驗裝置進行了改進與優化,不僅解決了防倒吸裝置復雜的問題,而且能保證有害氣體的吸收更加完全,提高了學生的實驗技能和安全意識,培養了學生的環保理念。

2 新型防倒吸實驗裝置

基于科學、安全、可行、簡約的原則,為了快速完成實驗裝置設計,并投入實驗使用,本實驗裝置采用半設計過程。如圖3所示,新型防倒吸實驗裝置由新型防倒吸漏斗和玻璃器皿組成。利用陶瓷、玻璃或塑料制成的新型防倒吸漏斗的外形與實驗室常用布氏漏斗的外形相似,這些防倒吸漏斗的密度應大于吸收液的密度,以便防倒吸實驗過程中它們能夠沉于玻璃器皿底部。

圖3 新型防倒吸實驗裝置

新型防倒吸漏斗包括漏斗頭和漏斗頸,漏斗頭下部為空心圓柱體,上部為空心圓錐體,空心圓柱體側壁上設有與其下邊緣等距的3個矩形防倒吸通孔?？招膱A柱體漏斗頭的高度大于空心圓柱體的半徑,空心圓錐體的漏斗頭上端連接漏斗頸。漏斗頸與有毒有害氣體的導氣管連接。在進行防倒吸實驗時,玻璃器皿的直徑應略大于空心圓柱體的漏斗頭直徑,玻璃器皿內吸收液的液面應略高于防倒吸漏斗置于玻璃器皿底部時防倒吸通孔的高度。

3 新型防倒吸實驗原理

對于有毒有害氣體進行尾氣吸收實驗時,將漏斗頭放置在盛放有吸收液的玻璃器皿內,玻璃器皿內的液面略高于3個矩形防倒吸通孔的高度。當易溶性氣體經由漏斗頸和漏斗頭的空心圓錐體被吸收液吸收時,漏斗頸和漏斗頭的空心圓錐體內壓強瞬間小于外界大氣壓,吸收液被吸入到漏斗頭的空心圓錐體內,導致盛放有吸收液玻璃器皿內的液面顯著下降,從而低于3個矩形防倒吸通孔;3個防倒吸通孔完全或部分露出液面,使空氣進入漏斗頭內,從而平衡防倒吸漏斗內外大氣壓。最后,由于防倒吸漏斗頭空心圓錐體內的吸收液受自身重力作用自然流回到盛放有吸收液的玻璃器皿內,從而達到防倒吸的目的。

4 新型防倒吸裝置的優勢

新型防倒吸實驗裝置的優勢具體如下：①相較于實驗室現有的緩沖法防倒吸(將倒置的玻璃漏斗與吸收液的液面平齊),本文報道的新型防倒吸漏斗的密度大于吸收液的密度,將新型防倒吸漏斗頭置于盛有吸收液的玻璃器皿底部,不易發生傾倒,提高實驗的安全性;②相較于現有的阻斷法防倒吸(需要外加安裝安全瓶裝置),本文報道的新型防倒吸漏斗裝置簡單,對于初學者容易操作;③該新型防倒吸漏斗通孔的個數≥3個,可以快速平衡漏斗內外的壓強,實現快速防倒吸;④相較于實驗室現有的防倒吸普通玻璃漏斗,新型防倒吸漏斗頭的直徑更大,氣液接觸面積增加,可以提高有毒有害氣體的吸收效率;⑤相較于實驗室現有的防倒吸普通玻璃漏斗,新型防倒吸漏斗頭的體積更大,氣液接觸時的持液量也增多,進一步降低倒吸風險;⑥新型防倒吸漏斗裝置簡單,制造成本低,有利于推廣使用;⑦新型防倒吸漏斗應用范圍廣,可用于實驗教學,也可作為實驗室實驗裝置。該新型防倒吸裝置與傳統防倒吸裝置的對比情況見表1。

表1 新型防倒吸裝置與傳統防倒吸裝置的比較

5 結束語

通過對防倒吸漏斗的設計和防倒吸實驗裝置的改進,使防倒吸實驗裝置更加簡易,防倒吸的過程更加安全,確保有毒有害氣體的完全吸收,且不會產生倒吸現象。此外,新型防倒吸實驗裝置的設計還培養了學生的創新意識和能力,為大學生創新訓練項目的有效開展及今后學生所從事科研工作的創新設計奠定基礎。