一种用于化学教学实验演示的教具

技术领域

本发明涉及一种教具，尤其是指一种用于化学教学实验演示的教具。

背景技术

在化学学习的过程中，可逆反应是比较重要的一类反应，具体是指在一定条件下，一个化学反应一般既可按反应方程式从左向右进行，也可以从右向左进行，这叫化学反应的可逆性。

如何设计实验来证明一些化学反应具有可逆性，并让学生建立“许多反应在特定条件下都是可逆的”这一化学观念。化学作为一门实验科学，需要进行实验来进行验证。

目前教材中间采用的一些实验范例有一定的问题，一些气体反应的实验具有更为典型的反应现象与可操作性，具体地说譬如二氧化氮转化为四氧化二氮，二氧化硫与氧气反应生成三氧化硫等反应都具备典型的可逆反应的特征，且二氧化氮与四氧化二氮的颜色不同，三氧化硫与二氧化硫的状态不同等典型的实验现象。

但是，可逆反应实验条件较为苛刻，如何有效演示该系列反应具有很大的难度，特别是设计较为简单安全具有很好演示性的实验更为困难。且可逆反应的大部分化学物质具有较强的毒性与污染性，需要加强实验安全与防护。

发明内容

本发明提供一种用于化学教学实验演示的教具，其主要目的在于克服可逆反应实验演示的困难，提供一种能够安全、简单、具有明显反映可逆反应特征的实验演示教具。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于化学教学实验演示的教具，该实验装置包括底座、设于所述底座上透明的反应容器、设于所述反应容器内用于进行化学反应的腔体、容置设于所述腔体内的反应物、设于所述腔体内可往复移动的活塞隔断组件及设于所述反应容器上的指示组件，所述指示组件设置有长度测量刻度，所述指示组件沿所述腔体的长度方向延伸设置在所述反应容器的侧壁上，所述活塞隔断组件沿所述腔体的长度方向往复移动，所述活塞隔断组件将所述腔体分隔为位于所述活塞隔断组件一侧的第一腔体及位于所述活塞隔断组件另一侧的第二腔体。

通过调节活塞隔断组件移动从而改变反应物所处空间的压强使得可逆反应进行，通过设置带有长度测量刻度的指示组件，一方面刻度指示可具体的显示体积发生的变化比例，使得学生可以更直观的感受到反应的变化，另一方面可逆反应在腔体内进行颜色变化时老师可配合使用指示组件上的刻度以刻度作为定位点对学生进行定位讲解，使得学生更易理解可逆反应过程中颜色的变化，也有利于教师在教学过程中通过刻度位置定位讲解位置便于学生及时发现实验现象进行理解，提高教学效果，一举两得。

进一步的，所述活塞隔断组件包括一设于所述腔体内的活塞、复数个分别设于所述活塞内用于控制所述活塞移动位置的第一滑块、与所述第一滑块通过磁力连接的第二滑块及设于所述底座上用于驱动所述第二滑块移动的滑块传动电机，通过所述滑块传动电机驱动所述第二滑块往复移动使得所述第一滑块受第二滑块的磁力牵引一同做往复移动，所述活塞将所述腔体分割为位于所述活塞一侧的所述第一腔体及位于所述活塞另一侧的所述第二腔体。

进一步的，所述第一滑块包裹在所述活塞内设于所述反应容器的内侧壁面，所述第二滑块设于所述反应容器的外侧壁面上。

通过调节移动第二滑块从而带动第一滑块移动使得将磁力控制的活塞进行位移，可以使得活塞左右的第一腔体和第二腔体的体积发生变。

进一步的，所述反应容器为单层圆柱形玻璃腔体或双层圆柱形玻璃腔体。

进一步的，所述双层圆柱形玻璃腔体的夹层内设置有可受热的液体或气体。通过设置可受热的液体或气体，对腔体的温度进行调节，减小反应物气体温度变化引起的不必要的其它变化。

进一步的，所述反应物为二氧化氮或四氧化二氮或二氧化硫与氧气或三氧化硫或溴化氢或溴蒸汽与氢气。

进一步的，还包括设于所述反应容器内侧壁面上具有显示功能的压力传感器。

进一步的，还包括至少一个设于所述反应容器上的第一阀门，所述第一阀门的一端与所述腔体相连通，所述第一阀门的另一端与一具有显示功能的压力传感器相连接。

通过设置压力传感器显示腔体内的压力变化。

进一步的，还包括至少一个设于所述反应容器上的第二阀门，所述第二阀门的一端与所述腔体相连通，所述阀门的另一端通过一导管与一化学分析仪器相连接。

通过设置第二阀门与化学分析仪器相连接可用于进行测量不同气体的浓度。

和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于:

本发明结构简单、实用性强，通过设置调节活塞隔断组件移动从而改变反应物所处空间的压强使得可逆反应进行，通过设置带有长度测量刻度的指示组件，显示体积发生的变化比例，使得学生可以更直观的感受到反应的变化，也有利于教师在教学过程中通过刻度位置定位讲解位置便于学生及时发现实验现象进行理解，提高教学效果。

附图说明

图1为实施例一的结构示意图。

图2为实施例二的结构示意图。

图3为实施例三的结构示意图。

图4为实施例四的结构示意图。

图5为实施例五的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例一，参照图1、一种用于化学教学实验演示的教具，包括有底座1、玻璃圆柱形腔体2、包含磁铁的活塞3、磁铁4、阀门5、压力传感器6、导轨7、刻度尺8、手动活塞位置控制滑块9-10、阀门11、压力表12、反应气体13等构成。

在本实施例中该实验装置的活塞将玻璃圆柱形腔体内的反应气体平均分为两部分。

手动活塞位置控制滑块内的磁铁与活塞内的磁铁相互作用，通过手动移动滑块可以滑动内部活塞，使得玻璃腔体内的气体体积发生变化，变化比例可以通过下方的刻度尺进行测量。

实施例二，参照图2，本实施例二与实施例一的不同之处在于：一种用于化学教学实验演示的教具，包括有底座1、双层玻璃圆柱形腔体2、包含磁铁的活塞3、磁铁4、阀门5、压力传感器6、导轨7、刻度尺8、活塞位置控制滑块9-10、阀门11、压力传感器12、反应气体13、滑块传动电机14、阀门15，阀门16等构成。

在本实施例中该实验装置的活塞将玻璃圆柱形腔体内的反应气体平均分为两部分。

通过电动调节活塞位置控制滑块，使得玻璃腔体内的气体体积发生变化，变化比例可以通过下方的刻度尺进行直接读取，也可以通过电机的控制参数得到。

双层圆柱形玻璃腔体夹层内可以通过阀门15,阀门16通入一定温度的液体进行温度控制，减小由于气体压缩或者膨胀引起的实验偏差。

当可逆反应发生可能会导致气体压力变化或气体颜色变化，通过压力传感器测量气体压力可以判断反应的平衡情况与反应情况，当能够有颜色的变化则该反应具有很好的演示特性，能够进一步地帮助学生学习与理解可逆反应，其它结构与实施例一相似，在此就不再赘述。

实施例三，参照图3，本实施例三与实施例一和实施例二的不同之处在于：一种用于化学教学实验演示的教具，包括有底座1、双层玻璃圆柱形腔体2、包含磁铁的活塞3、磁铁4、阀门5、压力传感器6、导轨7、刻度尺8、活塞位置控制滑块9-10、阀门11、压力传感器12、反应气体13、滑块传动电机14、阀门15，阀门16、标准气体样品17、压力传感器18等构成。

在本实施例中该实验装置的活塞将玻璃圆柱形腔体内的反应气体平均分为两部分。通过电动调节活塞位置控制滑块，使得玻璃腔体内的气体体积发生变化，变化比例可以通过下方的刻度尺进行直接读取，也可以通过电机的控制参数得到。

双层圆柱形玻璃腔体夹层内可以通过阀门15,阀门16通入一定温度的液体进行温度控制，减小由于气体压缩或者膨胀引起的实验偏差。

当可逆反应发生可能会导致气体压力变化或气体颜色变化，并与标准样品进行压力或颜色的对比，通过压力传感器测量气体压力可以判断反应的平衡情况与反应情况。

然后可以通过调节双层圆柱形玻璃腔体夹层内液体温度调节反应体系温度，可以加快反应速度并改变反应平衡常数。

反应压力的变化，或者有颜色的变化则该反应具有很好的演示特性，能够进一步地帮助学生学习与理解可逆反应，其它结构与实施例一相似，在此就不再赘述。

实施例四，参照图4，本实施例四与实施例一、实施例二、实施例三的不同之处在于：一种用于化学教学实验演示的教具，包括有底座1、双层玻璃圆柱形腔体2、包含磁铁的活塞3、磁铁4、阀门5、压力传感器6、导轨7、刻度尺8、活塞位置控制滑块9-10、阀门11、压力传感器12、反应气体13、滑块传动电机14、阀门15，阀门16、标准气体样品17、压力传感器18、紫外分光光度计19等构成。

在本实施例中该实验装置的活塞将玻璃圆柱形腔体内的反应气体平均分为两部分。通过电动调节活塞位置控制滑块，使得玻璃腔体内的气体体积发生变化，变化比例可以通过下方的刻度尺进行直接读取，也可以通过电机的控制参数得到。双层圆柱形玻璃腔体夹层内可以通过阀门15,阀门16通入一定温度的液体进行温度控制，减小由于气体压缩或者膨胀引起的实验偏差。

当可逆反应发生可能会导致气体压力变化或气体颜色变化，并与标准样品进行压力或颜色的对比，通过压力传感器测量气体压力可以判断反应的平衡情况与反应情况。

通过紫外分光光度计进行测量不同气体的浓度，进行计算反应平衡常数及反应速率等。

通过调节双层圆柱形玻璃腔体夹层内液体温度调节反应体系温度，可以促使反应平衡并加快反应速度。反应压力或者颜色的变化能够直观地体现反应进行的情况，紫外分光光度计进行可以测量气体浓度后进行反应速率、平衡常数等参数的测定，对可逆反应进行数学表达，能够进一步地帮助学生学习与理解可逆反应，其它结构与实施例一相似，在此就不再赘述。

实施例五，参照图5，本实施例五与实施例一、实施例二、实施例三及实施例四的不同之处在于：一种用于化学教学实验演示的教具，该实验装置包括底座11、设于底座11上透明的反应容器23、设于反应容器23内用于进行化学反应的腔体3、容置设于腔体3内的反应物18、设于腔体3内可往复移动的活塞隔断组件2、设于反应容器23上的指示组件14、至少一个设于反应容器23上的第一阀门及至少一个设于反应容器23上的第二阀门，指示组件14带有长度测量刻度，指示组件14沿腔体3的长度方向延伸设置在反应容器23的侧壁上，活塞隔断组件2沿腔体3的长度方向往复移动，活塞隔断组件2将腔体3分隔为位于活塞隔断组件2一侧的第一腔体25及位于活塞隔断组件2另一侧的第二腔体24。指示组件14为刻度尺。刻度尺可以也设置在底座上实现对腔体位置相对位置的指示效果即可，设置在底座上可以通过在底座上开设一安装槽进行插设安装。

第一阀门的一端与腔体3相连通，第一阀门的另一端与一具有显示功能的压力传感器相连接。压力传感器可以为压力表，也可以为压力数字传感器。

第二阀门的一端与腔体3相连通，阀门的另一端通过一导管与一化学分析仪器30相连接。

该化学分析仪器30可以为紫外分光光度计，通过设置紫外分光光度计进行测量不同气体的浓度，进行计算反应平衡常数及反应速率等。

当可逆反应发生可能会导致气体压力变化或气体颜色变化，并与标准样品进行压力或颜色的对比，通过压力传感器测量气体压力可以判断反应的平衡情况与反应情况。

活塞隔断组件2包括一设于腔体3内的活塞20、复数个分别设于活塞20两端内用于控制活塞20移动位置的第一滑块21、与第一滑块21通过磁力连接的第二滑块20及设于底座11上用于驱动第二滑块20移动的滑块传动电机19，通过滑块传动电机19驱动第二滑块20往复移动使得第一滑块21受第二滑块20的磁力牵引一同做往复移动，活塞20将腔体3分割为位于活塞20一侧的第一腔体25及位于活塞20另一侧的第二腔体24。

活塞20的材料可以为无机非金属材料、金属材料，也可以为高分子材料及天然材料等

反应容器23为单层圆柱形玻璃腔体3或双层圆柱形玻璃腔体3。其反应容器23的摆放方式可以水平方向，也可以垂直方向，也可以其它摆放方式。

该反应容器23的玻璃的材料可以为无机玻璃：硅酸盐玻璃，硼酸盐玻璃等透明无机玻璃材料，或者为有机透明材料，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯，聚砜等有机高分子透明材料。

双层圆柱形玻璃腔体3的夹层内设置有可受热的液体或气体，该液体或气体以为水，水蒸气，酒精，导热硅油，氨气等气体或者液体。即双层圆柱形玻璃腔体3内可以通入液体或者蒸汽进行加热或者冷却，

双层圆柱形玻璃腔体3夹层内可以通过阀门15,阀门24通入一定温度的液体进行温度控制，减小由于气体压缩或者膨胀引起的实验偏差。

通过调节双层圆柱形玻璃腔体3夹层内液体或蒸汽温度调节反应体系温度，可以促使反应平衡并加快反应速度。

在本实施例中反应容器23的内侧壁面指的是反应容器23朝向腔体3一侧的壁面，反应容器23的外侧壁面指的是反应容器23未朝向腔体3相对一侧的壁面。

第一滑块21包裹在活塞20内设于反应容器23的内侧壁面，第二滑块20设于反应容器23的外侧壁面上。

第一滑块21和第二滑块20均包裹有磁铁材料，其中磁铁为钐钴磁铁，钕铁硼磁铁，铁氧体磁铁，铝镍钴磁铁，铁钴铬磁铁等。活塞20上可以包裹有磁铁也可以将磁铁设置在活塞上通过带有磁性的第二滑块20通过磁性相吸带动活塞20的移动。

调节活塞20位置控制第二滑块20内有磁铁，可以与包裹有磁铁的活塞20吸引后调节活塞20的位置，包裹有磁铁的活塞是指内部包裹或者磁铁固定在活塞上。

控制第二滑块20的调节方式可以为手动滑动，手摇式螺杆传动，伺服电机或者步进电机进行调节，另外的还可以将移动电机设置在导轨23上，再将第二滑块20设置在移动电机上，由电机在导轨23上行走从而带动第二滑块20移动。

控制第二滑块20移动的调节方式可以为手动滑动，手摇式螺杆传动，伺服电机或者步进电机进行调节。

反应物18为二氧化氮或四氧化二氮或二氧化硫与氧气或三氧化硫或溴化氢或溴蒸汽与氢气，，其它结构与实施例一相似，在此就不再赘述。

综上所述，玻璃圆柱形腔体内置入与之相匹配的活塞，并通过阀门注入所需要的进行待演示可逆反应的气体， 通过调节滑动限位块传动装置将磁力控制的活塞进行位移，可以将活塞左右的体积发生变化，通过刻度尺可以显示体积发生的变化比例，压力传感器显示气体压力的变化。

当反应发生后气体压力可能变大或者变小，当有颜色变化可以与标准样品进行对比，进而展示反应进行的情况。

当气体压缩时会产生部分热量，可以通过双层玻璃圆柱腔体内填充的液体进行温度控制，减小气体温度变化引起的不必要的其它变化。

诸多可逆反应具有体积变化或者颜色变化等特点，譬如四氧化二氮与二氧化氮，二氧化硫、氧气与三氧化硫等。通过体积的变化引起压强变化，促使反应朝体积减小的方向移动，固定体积后该侧压强会逐步减小。

通过压力的变化或者气体颜色的变化进行反应的监测，并将反应气体的体积恢复原状后反应朝相反的方向进行，气体压强或者颜色恢复原状。

本发明通过可逆反应体系的体积控制装置能够对可逆反应的方向进行控制，活塞两边可以进行颜色或者压力的对比，增加学生对反应的直观认识。该反应装置可以利用磁力调节反应压力，并可以通过设计反应腔体为双层玻璃后填充液体进行反应体系温度的控制，减小由于压缩或者膨胀引起的数据不准确。

该反应装置可以有效体现出可逆反应的现象，并能够减小开放式反应体系可能会产生的气体泄漏引起的人身安全与环境污染。

该反应只需要调节外部控制活塞位置的滑块就可以实现可逆反应的演示，具有简单、安全、对比性强等诸多优势，能够减轻老师的工作量并大幅度提高教学效果。

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