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在制取氧气的实验完成后,要先移出导气管再熄灭酒精灯,否则水将倒吸入试管中导致试管破裂.但是该实验在实验过程中,当试管受热不匀时,水也可能倒吸入试管中导致试管破裂.也就是说实验过程中和实验完成后都有可能发生倒吸现象,本文主要来探讨在实验过程中的倒吸现象。

1、产生倒吸现象的原理

实验过程中的倒吸现象大致可分为两类:一类是在需要加热来制取气体(并且涉及到气体要通过某液体或者用排水法收集气体)的实验中,若加热不均匀就产生倒吸现象,如制取氧气、氯气、乙烯等.另一类是制取一些极易溶于水的气体时的尾气处理中,如在实验室用制取氯化氢气体的实验中,用于尾气处理的水会被倒吸入集气瓶中,还有制取氨气等. 

产生倒吸的原理是因为试管内的压强小于外界的大气压强,水在大气压的作用下进入试管(以上图1为例).试管内的压强减小有两种可能的原因:其一是试管受热不均匀,使试管内的气体的温度忽高忽低地发生变化,导致气体压强也跟随着发生变化 ,在压强减少的时候发生了倒吸现象;其二如氨气、氯化氢类在水中的溶解度太大,以致于气体产生的速度小于气体溶解的速度,使得试管中气体的压强小于外界大气压,进而发生倒吸现象。

2、防止倒吸现象的几种装置设计

根据产生倒吸现象的原因和原理,我们可以设计一些装置来避免液体倒流至上一级的反应器中.以氯化氢的尾气吸收装置来防止倒吸为例,根据装置的作用原理的不同,分为以下四种:重力回流式,隔离式,平衡压强式 ,贮液式 (安全瓶式). 

2.1　重力回流式

如图2,用一个倒置的漏斗和烧杯组成装置,漏斗边缘正好接触水面.当氯化氢进入漏斗溶解于水后,造成漏斗内气体压强降低,烧杯内的水被压入到漏斗内,漏斗内的液面上升,烧杯内的液面下降,由于漏斗的容积比较大,漏斗内上升的水的较多,从而使烧杯中的水与漏斗内水面脱离接触 ,空气进入漏斗中,弥补压强的减小,而此时倒置的漏斗中的水就在重力的作用下,又回流到烧杯中,避免了液体倒吸至上一级的反应器.类似的还有其他的一些装置如图3、图 4、图 5等等. 

再来看一种,如图 6,U形管内水面刚好与U形管底部上管面接触,起到液封的作用.如果左边通人氯化氢气体,由于氯化氢易溶于水,左边压强减小使水面上升,右边液面下降 ,使 U形管底部上管面与水面脱离接触,空气进入U形管左侧 ,弥补左侧的压强的减小,水在重力的作用下流下来 ,重新起到液封作用.从本质上来讲与倒扣小漏斗的作用类型是相同的,与这种防止倒吸的装置类型相同还有双球洗气管(如图 7、图 8). 

但是,在图 9的装置中,由于漏斗进入烧杯的水面过深,水吸入漏斗中,充满漏斗后仍然不能使漏斗口脱离烧杯的液面,则不能防止倒吸;同样,如果图10中的干燥管口插入液面过深的话,也不能防止倒吸.类似的如图11的U形管内的水如果超过U形管容积的二分之一,左侧的液面可能上升至导气管口,则不能防止倒吸现象的发生. 

2.2　隔离式

如图12和图13,导管口靠近液面,但没伸入液面内.由于导管口与液面距离相当近,从导管内出来的气体很容易与液面接触,如果从导管口出来的气体的溶解度很大,就非常容易溶解在液体中,但尾气可能逸散到空气中,造成污染.它非常适用于少量溶解度较大的气体或蒸汽的吸收(例少量的氯化氢气体或乙酸乙酯蒸汽的吸收).之所以称它为 “隔离式 ”,就是因为要将气体和水隔开,防止直接接触而倒吸.

隔离式的改进装置如图 14,假设导气管通人的是氯化氢气体 ,氯化氢气体在CCl4中的溶解度较小,不会产生倒吸现象,而是产生了一个个氯化氢的小气泡,当气泡浮到水层后立即就被水吸收了,导管口与水层被隔开了,因此就不可能发生倒吸现象,而且该装置还能起到液封的作用,相比较而言 ,图 12和图13的气体就有少量逸出

2.3　平衡压强式

如图 14所示,为防止反应体系中压强减少,引起吸收液的倒吸,在用于吸收尾气的试剂瓶上连接一个能与外界相通的长颈漏斗,在气体被大量吸收、容器中的压强减小的时候,外界的空气可以通过长颈漏斗进入装置内,同时装置内压强增大的时候,可以把部分水压入长颈漏斗中 ,它能起着自动调节系统内外压强差的作用.图15、图16、图17的作用与图13的作用基本相同 ,前两个装置适宜于易溶气体的尾气处理,而后两个装置适宜于在整套气体实验装置的中间,起防堵塞和防倒吸两个作用. 

2.4　蓄液式 (安全瓶 )

如图 19所示 ,当反应装置内的压强过小而发生倒吸时,从烧杯中倒吸进来的水被集气瓶贮蓄起来,以防止水被倒吸进入前一个受热仪器或反应容器中.这个集气瓶的作用又称安全瓶.图 20和图 21与它的作用原理完全相同 ;而且它们的液封作用也很突出. 

同样,对于该装置如果没有完全理解它的原理就有可能设计出下面三个错误装置:图22错误的原因是因为如果水被倒吸入左边的烧瓶中,因为进气管伸入太深,很快就接触到倒吸入的水,水就这样继续倒吸入上一个装置中 ;图 23是因为试管的容积较小,而烧杯中水较多,而且导气管伸入到烧杯的底部,烧杯中的水可被吸入的量多于试管的容积,水被倒吸入上一个装置只是迟早的事情,图 24与图 20的原因相同. 

从以上的对防止倒吸的装置的分析可以看出 ,在中学化学的一些基本实验里,很多细小的装置都可以用不同的装置进行替换,即常说的

“多种仪器一种用途 ”,这是一种同中求异的思维,把它们设计成开放性试题对培养学生的发散思维能力有较好的帮助 。