一种用于中学化学教学的净化实验装置的制作方法

[0001]
本申请涉及教学用反应装置领域，具体涉及一种用于中学化学教学的净化实验装置。


背景技术：

[0002]
中学化学课堂在演示水的净化时，会对混有可溶物和不溶物的溶液进行过滤、吸附和蒸馏三种方法的净化，三个实验演示零散、分散，不便于学生对水净化方法的整体理解和思维建构。在过滤不溶物时，现有实验采用以下几种方法：1、利用明矾等絮凝剂使水中的杂质絮凝后通过滤纸过滤；2、直接利用滤纸过滤水中的难溶杂质。此方法会随着过滤过程中滤纸中的杂质逐渐增多而导致过滤速度减慢，且滤纸容易破损，不适合用于液体数量较多的实验；3、用砂石、活性炭和纱布等构建多层过滤介质来过滤吸附液体中的难溶杂质和可被吸附性溶解物。上述三种方法中的溶液在最终过滤使固液分离的时候都依赖于重力的作用，经过过滤介质后渗析出去，过程较为缓慢，不仅占用较多课堂时间，且缓慢的过滤过程不利于对学生造成直观的感受。


技术实现要素：

[0003]
为了解决现有技术存在的演示零散、分散现状，难以进行连贯的实验步骤；以及在进行溶液的净化过滤实验时，由于过滤过程缓慢占用课堂时间长，难以进行连贯的实验步骤等问题，本申请提供能过滤大量液体且加快过滤速度的整合性一种用于中学化学教学的净化实验装置。
[0004]
为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：
[0005]
一种用于中学化学教学的净化实验装置，用于展示对混合有杂质的水溶液净化得到洁净的水，包括用于容纳液体的容器和用于固定容器的铁架台，还包括用于对溶液中杂质按照粒径从大到小依次过滤的过滤吸附装置，所述过滤吸附装置透光，可展示内部设有的至少一层独立的过滤介质；所述过滤吸附装置与变压装置连接，所述变压装置增减过滤吸附装置中用于容纳液体的空间的气压。
[0006]
由于过滤的实质是过滤介质之间的缝隙和孔径大于溶液中杂质的直径，从而将无法通过和能通过过滤介质的物质区分开。因此，中学课堂中为了展示这一过程，常用容易获取的材料如泥沙石块来构建用于拦截直径较大杂质的缝隙，利用小孔径纱布进一步拦截直径较小但大于纱布孔径的杂质，用具有输送多孔结构且更小孔径的活性炭吸附拦截直径小的分子态杂质。在演示过程中，往往利用重力作用使液体经过过滤介质向下渗漏过滤，过程较为缓慢，需要占用课堂中的大量时间，且由于过滤后的液体缓慢滴下，难以使学生更直观的感受实验效果。
[0007]
本方案通过将过滤吸附装置与变压装置连接，通过变压装置来增减过滤吸附装置中的气压来达到加速液体流入和流出过滤吸附装置的过程，从而加速实验过程，减少课堂占用时间，且有利于学生更直观的感受到经过过滤吸附装置后液体的变化。具体的，过滤吸
附装置中容纳液体的空腔中含有空气，当溶液进入过滤吸附装置时，利用变压装置减小空腔中的气压，则外部的大气压将溶液加速压进过滤吸附装置中。当溶液流出过滤吸附装置时，利用变压装置增大空腔中的气压，由于外部气压小于过滤吸附装置中的气压，则溶液加速经过过滤介质流出。
[0008]
进一步的，所述过滤吸附装置中设置有至少两层独立且不同的过滤介质，对溶液中的不溶物和非离子态溶质进行过滤；所述非离子态溶质具有颜色特征。采用有颜色的溶质便于在进行展示实验时展示每一个实验步骤中被净化除掉的溶质。
[0009]
进一步的，所述过滤吸附装置包括由可拆卸连接的三通管和端盖组成的第一容器；所述三通管沿轴线贯通，两端面分别连接变压装置和端盖，所述端盖上设有用于与容纳经过过滤介质过滤的液体的第三容器连接的第二开口，所述三通管圆周面上设有用于与容纳待过滤液体的第二容器连接的第一开口；所述端盖中中容纳过滤介质。本方案将过滤吸附装置的腔体分为可拆卸连接的三通管和端盖两个部分，使用时，将过滤介质放置在端盖中，便于拆卸端盖放入或更换过滤介质。
[0010]
进一步的，还包括用于对第三容器加热的加热装置。当溶液经过滤吸附装置进入到第三容器中时，溶液中仅存离子态溶质，通过加热装置的蒸馏作用进一步将水与可溶性溶质分离，从而得到洁净的水。
[0011]
进一步的，所述第三容器顶部开口处设有橡胶塞，还设有导管插入到橡胶塞中连通第三容器内，所述导管的另一端连接第四容器。
[0012]
进一步的，所述第一容器与第二容器和第三容器之间分别设有控制通路开闭的第一止水阀和第二止水阀。
[0013]
进一步的，所述变压装置包括密封管以及用于将三通管与密封管形成密封连接的连接件，所述密封管内设有相对于密封管转动连接的调压件，所述调压件沿密封管轴向往复运动使第一容器与密封管形成的空间内气压增大和减小。
[0014]
进一步的，所述密封管内壁上设有内螺纹，所述调压件的外壁设有与所述内螺纹相适应的外螺纹，所述调压件顶部设有旋钮。螺纹配合的方式使得操作者在转动调压件使其运动至一定位置使能以旋转的方式使调压件缓慢移动，相对于直线推拉的活塞式连接，能避免由于推拉造成密封管与第一容器以及第一容器与铁架台之间的连接被破坏；此外，调压件与密封管相互配合的螺纹使调压件运动后能固定在密封管中，相对于活塞式连接更能保证调压件的位置稳定性，避免气压差影响调压件的固定位置，也避免操作者人为的固定调压件。
[0015]
进一步的，所述连接件上设有插槽使三通管与之配合，所述连接件内壁与密封管的外壁配合，外壁与三通管的内壁配合。
[0016]
进一步的，所述连接件为橡胶材料，所述连接件内壁设有与密封管外壁接触的凸缘。当连接件为橡胶材料使，由于材料性质而具有弹性，则连接件与第一容器和密封管的连接可以依赖于材料的尺寸和弹性形成较为紧密的连接，设置凸缘能进一步保证连接件与第一容器之间的密封性。
[0017]
本申请的有益效果是：
[0018]
(1)本申请的整套装置能同时展示过滤、吸附和蒸馏三个步骤，将原本的分别需要利用不同课堂展示的三个实验集中进行，减少了课堂展示实验的占用时间，同时减少教师
准备实验的工作量，且方便教师操作实验。
[0019]
(2)本申请通过将过滤吸附装置的第一容器与变压装置连接，使变压装置能改变过滤吸附装置中的气压，既能保证溶液顺利通过过滤吸附装置，方便后续的实验展示，又能加速过滤过程，缩短实验时间，有利于教师进行连贯的演示实验，使学生具有更直观的教学体验。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]
图1是本申请的整体结构示意图；
[0022]
图2是本申请中过滤吸附装置与变压装置的连接示意图；
[0023]
图3是本申请中变压装置的结构示意图；
[0024]
图4是本申请中变压装置的分解结构示意图；
[0025]
图5是本申请中过滤吸附装置与变压装置的分解结构示意图；
[0026]
图6是本申请中的连接件在径向的剖视图
[0027]
图中：1-铁架台；2-变压装置；201-密封管；202-调压件；203-旋钮；3-过滤吸附装置；301-三通管；302-第一开口；303-端盖；304-第二开口；4-第二止水阀；5-第三容器；6-加热装置；7-第四容器；8-导管；9-第一止水阀；10-第二容器；11-连接件；1101-插槽；1102-凸缘。
具体实施方式
[0028]
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0029]
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
[0030]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0031]
在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0032]
此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0033]
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
[0034]
实施例1：
[0035]
如图1所示的一种用于中学化学教学的净化实验装置，用于展示对混合有杂质的水溶液净化得到洁净的水，包括用于容纳液体的容器和用于固定容器的铁架台1，还包括用于溶液中杂质按照粒径从大到小依次过滤的过滤吸附装置3，所述过滤吸附装置3透光，可展示内部设有的至少一层独立的过滤介质；所述过滤吸附装置3与变压装置2连接，所述变压装置2增减过滤吸附装置3中用于容纳液体的空间的气压。
[0036]
工作原理如下：
[0037]
本申请中的实验装置用于演示中学化学中的水的净化，来验证如何去除水中不同种类的杂质，最终得到纯净的水。其中，用一个容器盛装待净化的液体，液体中包含水以及水中的不溶物例如：泥沙等和可溶物例如：硫酸铜、品红等，过滤吸附装置3滤除液体中的不溶物，若过滤吸附装置3中含有吸附性的过滤介质，还能吸附一部分液体中的品红等可溶物，该液体经过过滤吸附装置3的过滤后，排出到下一个容器中并对其进行蒸馏，水蒸气冷凝最终形成纯净的水。在本申请中，过滤吸附装置3还与变压装置2连接，在待净化的水流向过滤吸附装置3的过程中，使用变压装置2减小过滤吸附装置3中的气压，使过滤吸附装置3的气压低于外部气压，来达到加速液体流向过滤吸附装置3的目的。当待净化液体全部流到过滤吸附装置3中后，使用变压装置2增加过滤吸附装置3中的气压，使过滤吸附装置3的气压高于外部气压，加速其中液体流经过滤介质最终流程过滤吸附装置3的过程。
[0038]
因此，结合上述实验展示过程，优选的，所述过滤吸附装置3中设置有至少两层独立且不同的过滤介质，对溶液中的不溶物和非离子态溶质进行过滤；所述非离子态溶质具有颜色特征。
[0039]
值得说明的是，变压装置2在改变过滤吸附装置3中气压的时候，过滤吸附装置3需要保持密封状态，因此，当液体从盛装容器流向过滤吸附装置3时，需封闭过滤吸附装置3流出液体的通路，同时，液体流向过滤吸附装置3的通路中由于含有液体，使过滤吸附装置3中形成相对密封的状态。在液体全部流到过滤吸附装置3中后，关闭液体流向过滤吸附装置3的通路，打开流出液体的通路，相同的，由于过滤吸附装置3容纳液体的腔体与流出液体的通道被过滤介质隔离，容纳液体的腔体也处于相对封闭的状态，使变压装置2得以对其增压。
[0040]
值得说明的是，密闭容器内的压强与单位体积内的分子数和分子平均运动速度有关，改变分子平均运动速度则需要改变温度，不适用于本申请，本申请中优选利用变压装置2改变单位体积内的分子数。具体的，改变单位体积内的分子数具有使过滤吸附装置3中容纳气体的空间大小不变，增减空间中的气体含量，或空间中气体含量不变，增减空间体积两
种方法。
[0041]
实施例2；
[0042]
本实施例在实施例1的基础上，对过滤吸附装置3和变压装置2进行了进一步的优化与限定。
[0043]
如图1-5所示，所述过滤吸附装置3包括由可拆卸连接的三通管301和端盖303组成的第一容器；所述三通管301沿轴线贯通，两端面分别连接变压装置2和端盖303，所述端盖303上设有用于与容纳经过过滤介质过滤的液体的第三容器5连接的第二开口304，所述三通管圆周面上设有用于与容纳待过滤液体的第二容器10连接的第一开口302；所述端盖303中中容纳过滤介质。
[0044]
所述变压装置2包括密封管201以及用于将三通管301与密封管201形成密封连接的连接件11，所述密封管201内设有相对于密封管201转动连接的调压件202，所述调压件202沿密封管201轴向往复运动使第一容器与密封管201形成的空间内气压增大和减小。
[0045]
所述密封管201内壁上设有内螺纹，所述调压件202的外壁设有与所述内螺纹相适应的外螺纹，所述调压件202顶部设有旋钮203。
[0046]
工作原理如下：
[0047]
结合图1，在向学生演示时，在第二容器10中盛装由水、泥沙、硫酸铜和品红溶液混合的液体，其中泥沙代表不溶物，硫酸铜和品红溶液具有颜色便于展示净化效果，且硫酸铜和品红在溶液中的颜色和溶解形式不同，品红在水中以不断运动的分子的形式扩散，可以被吸附，而硫酸铜在水中以水合铜离子和硫酸根离子的形式存在，因此，泥沙、硫酸铜和品红代表三类物质在水中的溶解状态，分别需要三种不同的分离方法去除，便于向学生展示完整的水的净化过程。
[0048]
当第一容器中的过滤介质按照待净化的液体的流经顺序依次设置为石块、泥沙和纱布这类能滤除水中不溶物的介质时，过滤吸附装置3仅能滤除水中的不溶物，过滤后的液体还需要经过其他步骤去除溶液中的品红和硫酸铜。当第一容器中的过滤介质含有活性炭等具有吸附性的材料时，则过滤吸附装置3既能滤除不溶物，还能吸附液体中的品红分子，使从过滤吸附装置3中流出的液体为硫酸铜溶液，最终对其进行蒸馏并将水蒸气冷凝就能得到纯净的水。
[0049]
变压装置2改变过滤吸附装置3中气压的原理是改变过滤吸附装置3中容纳空气的空间大小，在密封管201和第一容器形成的密闭空间内，由于空间内的空气含量不变，当调压件202向远离密封管201的方向运动时，密闭空间的体积增大，气压减小；反之，调压件202向靠近密封管201的方向运动时，密闭空间的体积减小，气压增大。
[0050]
值得说明的是，如图4-5所示，调压件202通过螺纹与密封管201配合，旋转调压件202使调压件202沿于密封管201的轴线运动，旋转方向决定调压件202的运动方向。螺纹配合的方式使得操作者在转动调压件202使其运动至一定位置使能以旋转的方式使调压件202缓慢移动，相对于直线推拉的活塞式连接，能避免由于推拉造成密封管201与第一容器以及第一容器与铁架台1之间的连接被破坏；此外，调压件202与密封管201相互配合的螺纹使调压件202运动后能固定在密封管201中，相对于活塞式连接更能保证调压件202的位置稳定性，避免气压差影响调压件202的固定位置，也避免操作者人为的固定调压件202。
[0051]
值得说明的是，当过滤吸附装置3中不含具有吸附性的过滤介质时，第三容器5中
的液体为硫酸铜和品红的混合溶液，呈现为紫色溶液，当过滤吸附装置3中含有活性炭等具有吸附性的过滤介质时，第三容器5中的液体为硫酸铜溶液，呈现为蓝色。两者对比能证明品红和硫酸铜在水中溶解后的状态的区别。
[0052]
实施例3：
[0053]
本实施例在实施例2的基础上，对连接件11进行了进一步的限定。
[0054]
如图4-6所示，所述连接件11上设有插槽1101使三通管301与之配合，所述连接件11内壁与密封管201的外壁配合，外壁与三通管301的内壁配合。具体的，如图6所示，连接件11为具有一定高度的圆环状，且连接件11上部的环宽大于下部，使连接件11的外壁呈阶梯状，阶梯处的端面设置插槽1101，且连接件11下部的外径与三通管301的内径相适应，使三通管301与插槽1101配合后，连接件11的下部在三通管301内。而密封管201与连接件11的内壁紧密接触，最终形成密封管201插接在三通管301中，密封管201与三通管301之间设有连接件11使两者可拆卸连接且连接处密封的结构。
[0055]
优选的，所述连接件11为橡胶材料，所述连接件11内壁设有凸缘1102。橡胶材料由于材料性质而具有弹性，则连接件11与三通管301和密封管201的连接可以依赖于材料的尺寸和弹性形成较为紧密的连接，避免连接件11上额外设置螺纹或其他零件来形成与三通管301和密封管201的密封连接。
[0056]
值得说明的是，当连接件11为金属材料时，则连接件11与三通管301和密封管201都通过螺纹配合连接，既能使各个零件保持可拆卸的固定连接，又能保证连接的气密性。
[0057]
实施例4：
[0058]
本实施例在上述实施例的基础上，对实验装置进行了进一步的优化与限定。
[0059]
如图1所示，还包括用于对第三容器5加热的加热装置6。所述第三容器5顶部开口处设有橡胶塞，还设有导管8插入到橡胶塞中连通第三容器5内，所述导管8的另一端连接第四容器7。所述第一容器与第二容器10和第三容器5之间分别设有控制通路开闭的第一止水阀9和第二止水阀4。
[0060]
经过过滤吸附装置3后的液体进入到第三容器5中，加热装置6如酒精灯等对第三容器5内的液体进行加热，使液体中的水形成水蒸气从容器顶部的导管8进入到第四容器7中。由于第三容器5中的液体有颜色，第四容器7中的水为透明状，能演示通过蒸馏分离溶液中的水与可溶物。结合过滤吸附装置，通过设置不同的过滤介质使本申请中的实验装置能同时展示过滤、吸附和蒸馏三个过程，将原本需要在三个课堂中分别演示的实验通过对实验装置的改进集中的一个连贯的实验中，减少了教师准备实验的工作量、实验操作简单，学生通过实验具有更直观深刻的印象。
[0061]
值得说明的是，导管8具有一定长度，使水蒸气在导管8中冷凝成水滴后再进入第四容器7，便于观察溶液蒸馏前后的变化。优选的，为了提高冷凝效率，可如图1所示，将第四容器7放置于盛有冷水的容器中，使未在导管8中冷凝的水蒸气在进入第四容器7后，接触温度较低的第四容器7的内壁冷凝聚集在第四容器7中。此外，还可使用冷凝管作为导管8。
[0062]
进行演示实验，按如下步骤进行操作：
[0063]
1、组装实验设备：从上至下按照第二容器10、过滤吸附装置3、第三容器5和第四容器7的顺序连接，过滤吸附装置3上连接变压装置2，其中，第二容器10通过橡胶管与三通管301侧面的第一开口302连接，该橡胶管上设有第一止水阀9；端盖303上的第二开口304通过
橡胶管与第三容器5连接，该橡胶管上设有第二止水阀4，第三容器5顶部通过导管连接到第四容器7，下方放置未点燃的酒精灯；
[0064]
2、关闭第一止水阀9和第二止水阀4，向第二容器10内添加含有泥沙、硫酸铜和品红的混合溶液；
[0065]
3、打开第一止水阀9，转动调压件202使之向远离第一容器的方向移动；
[0066]
4、混合溶液全部进入第一容器后，关闭第一止水阀9，打开第二止水阀4；
[0067]
5、转动调压件202使之向靠近第一容器的方向移动；
[0068]
6、当第三容器5中的液体增加到一定量后，点燃酒精灯；
[0069]
7、观察溶液从第二容器10到三通管301，再到第三容器5，最终到第四容器7的颜色和状态变化。
[0070]
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。