CN209962526U - 一种改进的工业制备盐酸演示装置 - Google Patents

Abstract

一种改进的工业制备盐酸演示装置，包括电解单元和合成炉模拟单元，电解单元包括平底三口烧瓶、连接管、电源及石墨碳棒，平底三口烧瓶的两侧接口分别连接一连接管，平底三口烧瓶及连接管内均装满饱和食盐水，每个连接管顶端分别固定一密封塞，每个连接管内设有石墨碳棒，两个石墨碳棒分别与电源的正负极对应连接，合成炉模拟单元包括燃烧管、氯气导管、杯形容器及广口瓶，燃烧管中下部通过氢气导管与产生氢气的连接管相通连接，氯气导管设于燃烧管内，氯气导管的下端与产生氯气的连接管相通连接，杯形容器设于燃烧管外侧壁，广口瓶倒扣在杯形容器上将燃烧管管口罩住。该实用新型无需采用专用底座固定，可防止氢气和氯气混合接触，确保实验安全。

Description

一种改进的工业制备盐酸演示装置

技术领域

本实用新型涉及一种化学实验演示装置，更为具体地说是指一种改进的工业制备盐酸演示装置。

背景技术

公开号为105654826A的中国发明专利是本发明人发明的一套工业制备盐酸的演示实验，包括电解单元、合成炉模拟单元以及尾气处理单元，其中，所述电解单元包括U型管、电源、石墨碳棒以及密封塞，U型管内装满饱和食盐水，U型管的两端分别设一个所述密封塞，该U型管两端还分别设有一穿过密封塞与饱和食盐水接触的所述石墨碳棒，两个石墨碳棒分别与电源的正极、负极对应连接，连接电源正极的石墨碳棒周边产生氯气，连接电源负极的石墨碳棒周边产生氢气；所述合成炉模拟单元包括燃烧管、杯形容器以及管口密封的三角漏斗，所述燃烧管包括内管及外管，外管中下部通过导管一与U型管产生氢气的一端相通连接，该导管一上设有活塞开关一，内管下端插设于U型管产生氯气的一端，内管下端部设有活塞开关二，内管上端口位于外管上端口内部，所述杯形容器设于外管中上部外侧壁上，该杯形容器中装有蒸馏水，管口密封的三角漏斗倒扣在所述杯形容器上并将所述外管管口罩住。

但是，该套演示装置在实际课堂演示过程中，由于U型管较大，无法独立支撑，必须制作专用的底座才能固定住，使得整套装置较为复杂，不方便课堂演示时的搬运和组装；而且U型管两端管长有限，在容纳两根较长碳棒后，两根碳棒底端之间的U型管长度较小，使电解产生的氢气与氯气可能混合一起，点燃后导致爆炸事故的发生。另外，该套演示装置还存在以下不足：（1）氯气在氢气中燃烧时间较短，体验不够充分；（2）氢气进入的管道经常出现在压力作用下液体也同时进入该管道造成堵塞的现象，导致氢气难以顺畅进入，燃烧无法继续进行；（3）氢气的验纯爆鸣声不是很剧烈，效果不够明显；（4）反应后多余的氢气、氯气处理较为繁杂，处理效果不好；（5）只能演示氯化氢的生成，无法收集氯化氢溶于水后得到的盐酸；（6）电解时间较长，课堂上因此浪费的时间较多；配制热的饱和食盐水需要现场烧开水，所需时间较长。

实用新型内容

本实用新型提供一种改进的工业制备盐酸演示装置，以解决现有演示装置的U型管较大，必须使用专用底座固定；U型管两端管长有限，容纳较长碳棒后，可能使电解产生的氢气与氯气混合，存在爆炸安全隐患等缺点。

本实用新型采用如下技术方案：

一种改进的工业制备盐酸演示装置，包括电解单元和合成炉模拟单元，所述电解单元包括平底三口烧瓶、连接管、电源及石墨碳棒，所述平底三口烧瓶的两侧接口分别连接一个所述连接管，中间接口用橡皮塞塞住，所述平底三口烧瓶及两个所述连接管内均装满饱和食盐水，每个所述连接管的顶端分别固定一个密封塞，每个连接管内还分别设有一穿过所述密封塞与饱和食盐水接触的所述石墨碳棒，两个石墨碳棒分别与电源的正极、负极对应连接，连接电源正极的石墨碳棒周边产生氯气，连接电源负极的石墨碳棒周边产生氢气；所述合成炉模拟单元包括燃烧管、氯气导管、杯形容器以及广口瓶，所述燃烧管中下部通过氢气导管与产生氢气的连接管相通连接，该氢气导管上设有活塞开关一，所述氯气导管设于所述燃烧管内，该氯气导管的下端从所述燃烧管底部穿出并与产生氯气的连接管相通连接，该氯气导管的下端部设有活塞开关二，所述氯气导管的上端口位于所述燃烧管上端口内部，所述杯形容器设于所述燃烧管中上部的外侧壁上，所述广口瓶倒扣在所述杯形容器上并将所述燃烧管管口罩住。

进一步地，产生氢气的所述连接管还插有一个三角漏斗，用于暂存被氯气及氢气压出的溶液。

优选地，所述连接管上下管口之间的间距为20cm。

进一步地，产生氢气的所述连接管上的密封塞装设有一个单向阀一，所述氢气导管与所述单向阀一连接，产生氯气的所述连接管上的密封塞装设有一个单向阀二，所述氯气导管的底端与所述单向阀二连接。

进一步地，所述杯形容器的底部旁侧相通连接一个支管，该支管上设有活塞开关三。

进一步地，所述电源采用直流电源，电压控制在48～60V。

由上述对本实用新型结构的描述可知，和现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型采用平底三口烧瓶代替U型管，可直接平放在实验台上，无需采用专用底座进行固定。平底三口烧瓶两侧接口插入两个连接管，连接管内可以容纳长度较长的碳棒，且使电解产生的气体严格贮存在两个连接管中，防止氢气和氯气混合接触，避免氢气和氯气的混合气体被点燃而导致爆炸事故的发生。平底三口烧瓶中间接口上设有一个橡皮塞，可在平底三口烧瓶内部压力较大时自动跳出减小压力，确保实验安全。

2、本实用新型采用48-60V的直接电源，即便是使用常温下的饱和食盐水，也可使电解速率得到明显提升，解决了因电解速度慢及热的饱和食盐水配制而导致课堂时间浪费的问题。由于电解速率得到提升，氢气与氯气的产量也增加，因此，燃烧时间也得到相应延长。

3、本实用新型在产生氢气的连接管上的密封塞设置一个单向阀，使氢气导管与单向阀连接，可防止氢气导出时液体倒灌进入燃烧管中而导致燃烧熄灭，还可省去燃烧管下部设置排液导管，防止因排液而导致的部分氢气流出浪费以及安全隐患。同理在产生氯气的连接管上的密封塞也设置单向阀，使氯气导管与单向阀连接，组织液体随氯气进入燃烧管，使燃烧可以更加顺利地进行。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种改进的工业制备盐酸演示装置，参照图1，包括电解单元和合成炉模拟单元，其中，电解单元包括平底三口烧瓶11、连接管12、电源13及石墨碳棒14。平底三口烧瓶11的两侧接口分别连接一个连接管12，中间接口用橡皮塞15塞住，平底三口烧瓶11与连接管12组装后可代替U型管平放在实验台上。其中，为了能够插入长的石墨碳棒及三角漏斗下管，连接管12下口设计为外磨24/29标准接口与平底三口烧瓶11对接，上口设计为内磨40/38，大口径是为了方便使用大号密封塞，留有足够位置插入石墨碳棒、三角漏斗下管及导管等。选用平底三口烧瓶而不用双口烧瓶，还基于万一出现因气压较大时，平底三口烧瓶11的中间接口塞着的橡皮塞15可以及时跳出减小压力，确保实验安全。

参照图1，上述平底三口烧瓶11及两个连接管12内均装满饱和食盐水，每个连接管12的顶端分别固定一个密封塞121，每个连接管12内还分别设有一穿过所述密封塞121与饱和食盐水接触的石墨碳棒14，两个石墨碳棒14分别与电源13的正极、负极对应连接，连接电源13正极的石墨碳棒14周边产生氯气，连接电源13负极的石墨碳棒14周边产生氢气。

上述两个连接管12的上下管间距设计为20cm，目的是可以容纳长度为16cm的石墨碳棒14，且将电解产生的气体严格贮存在两个连接管12中，不让氢气氯气有混合接触的机会，避免氢气和氯气混合气体点燃导致爆炸事故发生。

上述电源13采用直流电源，电压控制在48～60V，即便使用常温下的饱和食盐水，电解速率也得到明显提高，解决了课堂时间浪费问题，现象更加明显。当然，使用该电源13要注意安全问题，因此在改进中使用绝缘套套住石墨碳棒14裸露在外的部分，确保实验安全。

参照图1，上述合成炉模拟单元包括燃烧管21、氯气导管22、杯形容器23以及广口瓶24，所述燃烧管21中下部通过氢气导管25与产生氢气的连接管12相通连接，该氢气导管25上设有活塞开关一251，所述氯气导管22设于所述燃烧管21内，该氯气导管22的下端从所述燃烧管21底部穿出并与产生氯气的连接管12相通连接，该氯气导管22的下端部设有活塞开关二221，所述氯气导管22的上端口位于所述燃烧管21上端口内部。产生氢气的连接管12上的密封塞装设有一个单向阀一122，所述氢气导管25与所述单向阀一122连接，用于控制氢气的进入和液体倒灌进入氢气导管25内。同理，为了防止液体随氯气进入氯气导管22，也在产生氯气的连接管12上的密封塞121装设有一个单向阀二123，所述氯气导管22的底端与所述单向阀二123连接。产生氢气的连接管12上的密封塞还插有一个三角漏斗16，用于暂存被氯气及氢气压出的溶液。

参照图1，上述杯形容器23设于所述燃烧管21中上部的外侧壁上，上述广口瓶24倒扣在所述杯形容器23上并将所述燃烧管21管口罩住。验纯时，在杯形容器23中加入肥皂水，再往燃烧管外套上一个广口瓶24，打开氢气导管25的活塞开关一251，将阴极区产生的气体通入肥皂水中形成气泡，点燃气泡，如果气泡燃烧时出现清脆的爆鸣声，说明氢气不纯，反复二至三次后，当气泡燃烧时出现轻微而低沉的“噗”的一声时，说明氢气是纯净的。当反应结束后，同样在杯形容器23中加入肥皂水，往燃烧管21外套上广口瓶24，通过往三角漏斗16中加水增大压强，将多余的氢气直接排到上述肥皂水中形成氢气气泡，就可以通过点燃的方法将氢气气泡燃烧处理。

针对氢气流速不够导致燃烧无法顺利进行的问题，经过不断实验，找到判断氢气流速的方法，即计算氢气从广口瓶中冒出气泡的速率。当氢气从小广口瓶中冒出气泡8秒内可均匀达到20个气泡时，氢气即可顺畅燃烧，即氢气可持续燃烧的流速应为气泡2.5个/秒。

借鉴上述氢气的验纯和尾气处理方法，可以在杯形容器23中加入滴有酚酞的红色氢氧化钠溶液验证氯化氢气体的生成和处理多余的氯气。而本实验阴极区的产物刚好是氢氧化钠。在前述设计中阴极区的液体被排入三角漏斗中，往其中滴入几滴酚酞呈现明显的红色。仅需用针筒取用三角漏斗中液体注入杯形容器23中，往杯形容器上套上广口瓶24，将氯化氢气体或者氯气通过该溶液中，摇动广口瓶24，即可通过观察溶液红色的消失检验氯化氢的生成和处理多余的氯气。在实际操作中，再往杯形容器中滴入少许洗洁精，广口瓶24摇动时可以有少量气体逸出，洗洁精形成的肥皂泡刚好可以将这些气体吸收处理。通过杯形容器23的应用和实验产物氢氧化钠的再利用，再次实现了仪器的最简化设计和用途的最大化设计。

氯化氢生成后产生白雾罩在广口瓶24内，直接在杯形容器23中加滴有洗洁精和酚酞的氢氧化钠溶液，通过白雾的生成和酚酞的褪色证明有氯化氢生成，但无法收集氯化氢溶于水后得到的盐酸。为了解决这个问题，参照图1，在杯形容23器下加装带有活塞开关三261的支管26，用于将氯化氢溶于水后制得的盐酸导出到烧杯中收集，也方便在杯形容器23中换用各种液体。

以上为采用本演示装置的操作步骤及实验现象。

（1）气密性检验

按图1装置装配好仪器后，关闭活塞开关一和活塞开关二，往三角漏斗中加入蒸馏水，一段时间后，蒸馏水无法流下且三角漏斗内外存在液面高度差且保持不变，说明装置气密性良好。

（2）饱和食盐水的配制和注入

配制1500mL饱和食盐水待用。两个石墨碳棒先插入连接管但橡皮塞不塞紧，打开活塞开关一和活塞开关二，往三角漏斗中注入饱和食盐水至液面离两个连接管上管口1cm处，塞紧两个橡皮塞，通过往三角漏斗中加入少量饱和食盐水调节液面至充满两个连接管。

（3）饱和食盐水的电解

使用可调压电源适配器接通直流电源，电压控制为60V，开始电解，两极均有明显的气泡冒出。电解一段时间后，右管收集到大量氢气，左管收集到的氯气较少，产生的气体将溶液压入三角漏斗中。

（4）氢气的验纯及流速的测算

收集到大量氢气后，往三角漏斗中滴加几滴酚酞溶液，三角漏斗中溶液变为红色，证明该溶液中含有氢氧化钠。使用注射器吸取该红色溶液20mL注入合成炉的杯形容器中，再滴入几滴洗洁精后搅拌均匀。在电解过程中，三角漏斗中氢氧化钠浓度不断升高，导致酚酞分子结构发生变化，粉红色褪去。此时应注意引导学生对比实验现象，关注酚酞变红及褪色的原因，有助于培养学生事实求是的科学态度和量变可能引起质变的科学素养。

杯形容器注入氢氧化钠溶液后，往燃烧外管上扣上一个广口瓶，打开活塞开关一，使一定量的氢气进入广口瓶在瓶外的液面上形成氢气肥皂泡。点燃，无明显现象，因排出的首先是广口瓶中的空气。再排出气泡，并计算气泡冒出速度是否达到2.5个/秒。点燃，有尖锐的爆鸣声，说明所收集氢气不纯，原因在于导管中有空气存在。重复以上步骤，直到听到沉闷的“噗”的一声，说明合成炉模拟装置中的氢气已经纯净，可以安全燃烧。

（5）氯化氢气体的合成及检验

如果实验的目的是更清楚地观察和检验氯化氢的生成，可选用本步骤。氢气验纯后，取出套在燃烧管外的广口瓶。打开活塞开关一，点燃氢气，氢气在燃烧管管口安静的燃烧，由于玻璃中钠元素焰色的干扰，火焰呈黄色。再打开活塞开关二，氯气进入氯气导管管口燃烧，火焰呈苍白色。

准备好一个蒸馏水润湿过瓶壁的广口瓶，氯气燃烧后，立即在燃烧着的火焰上方罩上该倒扣的广口瓶并使瓶口没入液体中，有大量白雾出现，火焰熄灭，关闭活塞开关一和活塞开关二。摇动广口瓶，使白雾与滴有酚酞的氢氧化钠溶液接触，一段时间后，广口瓶中白雾基本消失，红色褪去，说明有盐酸生成。摇动过程中可能有少量氯化氢气体逸出，滴入的洗洁精可以有效地将这些逸出的气体粘住，防止该气体污染空气。

（6）氯化氢气体的合成及盐酸的收集

如果要收集氯化氢溶于水制得的盐酸，可选用本步骤。氢气验纯后，取出套在燃烧管外的广口瓶。打开活塞开关三，将杯形容器中液体流出，用烧杯接住流出液体。再使用蒸馏水洗涤杯形容器后，关闭活塞开关三，往杯形容器中加入20毫升蒸馏水用于吸收合成后的氯化氢气体制备盐酸。打开活塞开关一，点燃氢气，氢气在外管口安静的燃烧。再打开活塞开关二，氯气与氢气接触后燃烧起来，火焰呈苍白色。

事先准备一个瓶壁已用蒸馏水润湿的广口瓶，内贴有pH试纸。迅速将该广口瓶倒扣在火焰上方并瓶口没入液体中，有大量白雾出现，火焰熄灭，关闭活塞开关一和活塞开关二。摇动广口瓶，使白雾与杯形容器中的蒸馏水充分接触，一段时间后，广口瓶中白雾基本消失。打开活塞开关三，即可用烧杯承接吸收氯化氢气体后的盐酸溶液。

（7）尾气的处理

演示结束后，还有多余的氢气和氯气残留在连接管中。因氯气的处理需要再加入氢氧化钠溶液，所以先处理氯气。取下广口瓶，打开活塞开关三。流出杯形容器中的液体注入废液缸。再用注射器吸取三角漏斗中的液体20mL注入合成炉的杯形容器中，滴入酚酞呈红色，再滴入几滴洗洁精后搅拌均匀，扣上广口瓶。打开活塞开关二，往三角漏斗中加入蒸馏水增大压强，使左管中的氯气全部进入杯形容器中。摇动广口瓶，直至瓶中黄色全部褪去。

氯气处理后，关闭活塞开关二，打开活塞开关一，往三角漏斗中加入蒸馏水增大压强，使右管中的氢气全部进入杯形容器中形成氢气肥皂泡，点燃肥皂泡将氢气除去，实验完成。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种改进的工业制备盐酸演示装置，包括电解单元和合成炉模拟单元，其特征在于：所述电解单元包括平底三口烧瓶、连接管、电源及石墨碳棒，所述平底三口烧瓶的两侧接口分别连接一个所述连接管，中间接口用橡皮塞塞住，所述平底三口烧瓶及两个所述连接管内均装满饱和食盐水，每个所述连接管的顶端分别固定一个密封塞，每个连接管内还分别设有一穿过所述密封塞与饱和食盐水接触的所述石墨碳棒，两个石墨碳棒分别与电源的正极、负极对应连接，连接电源正极的石墨碳棒周边产生氯气，连接电源负极的石墨碳棒周边产生氢气；所述合成炉模拟单元包括燃烧管、氯气导管、杯形容器以及广口瓶，所述燃烧管中下部通过氢气导管与产生氢气的连接管相通连接，该氢气导管上设有活塞开关一，所述氯气导管设于所述燃烧管内，该氯气导管的下端从所述燃烧管底部穿出并与产生氯气的连接管相通连接，该氯气导管的下端部设有活塞开关二，所述氯气导管的上端口位于所述燃烧管上端口内部，所述杯形容器设于所述燃烧管中上部的外侧壁上，所述广口瓶倒扣在所述杯形容器上并将所述燃烧管管口罩住。

2.如权利要求1所述的一种改进的工业制备盐酸演示装置，其特征在于：产生氢气的所述连接管还插有一个三角漏斗，用于暂存被氯气及氢气压出的溶液。

3.如权利要求1所述的一种改进的工业制备盐酸演示装置，其特征在于：所述连接管上下管口之间的间距为20cm。

4.如权利要求1所述的一种改进的工业制备盐酸演示装置，其特征在于：产生氢气的所述连接管上的密封塞装设有一个单向阀一，所述氢气导管与所述单向阀一连接，产生氯气的所述连接管上的密封塞装设有一个单向阀二，所述氯气导管的底端与所述单向阀二连接。

5.如权利要求1所述的一种改进的工业制备盐酸演示装置，其特征在于：所述杯形容器的底部旁侧相通连接一个支管，该支管上设有活塞开关三。

6.如权利要求1所述的一种改进的工业制备盐酸演示装置，其特征在于：所述电源采用直流电源，电压控制在48～60V。

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