微型离子反应装置的设计与研制

金子烁，赵明雪，朱宝伟，刘海燕

(1.辽宁省实验中学 营口分校， 辽宁 营口 115003； 2.营口理工学院 化学与材料工程系，辽宁 营口 115014)

微型离子反应装置的设计与研制

金子烁1，赵明雪1，朱宝伟2，刘海燕2

(1.辽宁省实验中学 营口分校， 辽宁 营口 115003； 2.营口理工学院 化学与材料工程系，辽宁 营口 115014)

该装置利用毛细管虹吸和微量进样器辅助压力的作用，将反应物注射在微型反应腔内进行化学反应，并通过显微镜与电脑和投影仪联机，将实验现象进行放大演示。超微型离子反应器结构简单、制作成本低，药品用量极少，减少环境污染，更便于清晰的观察实验过程及结果。

微型反应器；离子反应；化学实验

高中化学课堂上，老师用试管做离子反应演示实验时，坐在教室后排的学生很难观察到实验现象，在实验过程中实验药品用量大、反应时间长、经常出现教室空气污染超标等现象，而且实验中产生的“废水”“废气”“废渣”难于处理。目前通过微型化学实验可降低试验药品用量，缩短反应时间，同时解决强腐蚀、有毒和高污染排放等诸多难题[1-2]。然而国内外研究的微型化学反应装置，一般适合学生在实验室里操作实验，不适合教师课堂演示时使用[3-4]。针对上述现象，我们设计研制一种能在显微镜下观察化学实验过程的实验装置，通过数码光学显微镜与电脑和投影仪联机，把实验现象通过多媒体投影到大屏幕上，让全班同学都能清楚地观察到实验过程和现象。实现微观反应过程的放大化，给同学们带来非常直观视觉刺激与感受，激发他们学习化学的兴趣，展示出化学学科的魅力。

1 微型离子反应装置的设计原理

微型离子反应装置的设计原理是将反应容器设计到微升级别，通过显微镜观察到化学反应过程。我们利用毛细管虹吸和微量进样器辅助压力的作用，使反应物在微型反应腔内进行充分反应，反应过程通过视频输出，在多媒体投影仪上放大放映。反应结束后，可用微量进样器负压将产物吸出，反应装置可以重复使用。

2 微型离子反应装置的研制

最初利用实验室中常见的毛细管、载玻片、硅胶材料、微量注射器等自行研制了第一批简易微型离子反应器。产品的结构主要由两个进样通路，一个反应腔，两个盖玻片，一个注射器组成(如图1)。

图1 简易微型离子反应器

将数码光学显微镜与电脑投影仪相连，在液-液相离子反应实验中，将微型化学反应器放在数码光学显微镜的载物台上，调焦至电脑中画面清晰后，将反应溶液吸入注射器中，通过反应器进样通路将反应物注射到反应腔内，然后从另一进样口注射另一种反应物，在电脑显示屏和投影屏幕上能清晰地观察到反应过程与现象。例如图2所示，盐酸与碳酸钠溶液反应生成二氧化碳的实验现象，有大量气泡产生。图3所示，硝酸银与氯化钠反应生成氯化银沉淀的实验现象，有大量白色沉淀生成。

第一批简易反应器制作地过程中出现反应腔制作不均匀，反应腔容积很难定量控制，外观不美观等问题。为了解决这些问题，进一步缩小反应容积，研制出恒容的超微型反应器，我们通过CAXA实体软件制图，应用3D打印技术研制了第二批超微量反应器，它的反应腔容积可恒定为10～50μL。产品的结构主要由两个进样通路，一个出样排气通道，一个反应腔，两个载片槽，两个胶塞口，两个盖玻片，两个微量进样器和一个注射器组成(如图4)。

图2 生成气体的实验现象

图3 生成沉淀的实验现象

图4 左图为CAXA实体软件设计图；右图为3D打印实物图

第二代微型反应器改变了输送药品和出样方式，改成直线型进样和直角型出样，出样口设置在反应腔的上半部分，有利于平衡气压和生成物的排出。顶部的盖玻片可以装卸，这样解决了实验局限于气-液相和液-液相化学实验的问题，液-固相实验也可在此化学反应器中进行，提高了其应用的广泛性。

3 微型离子反应装置的特点

当前国内外研发的相关微型化学反应器，大多结构复杂、造价昂贵，不能普遍应用。我们研制的微型离子反应器结构简单，制作成本低，可广泛应用于中学、大学的离子反应实验。本反应装置主要有以下几个方面的优势：

①微离子反应器比国内外其他微型化学实验产品更微小，在生物细胞级水平完成化学反应，通过显微镜与电脑投影仪联机现场直接放大演示，便于清晰的观察实验过程及结果，激发学生学习兴趣。②药品用量少，减少贵重药品成本，还可减少对环境的污染。③制作方法简单，既可以自己动手制作，也可由厂家批量生产。④能改善实验室环境，减少实验室三废排发，有益于师生的健康。⑤节省反应时间，仪器易冲洗，可以重复使用。

4 结语

在微型离子反应装置的设计及实践中，我们看到微型化学实验比起常规实验更加简单易行、安全可靠、趣味性高、实验现象明显等优势。并且在本校化学实验教学中已经进行的使用，教学效果十分突出。 我们将继续对该反应仪器进行研究和完善，开发出适用于多种反应类型的微型装置，使仪器更具有实用性和新颖性，相信微型化学实验仪器在中学、大学的化学实验室里，具有广泛的应用前景。

[1] 宋心琦. 关于发展和推广微型化学实验的一点看法[J]. 化学教学，2008 (2):1-2.

[2] 陈 凯，周志华. 中学微型化学实验发展的若干思考[J].化学教育，2010, 31(8):6-9.

[3] 潘耀团，王向军. 两则中学微型化学实验案例的设计[J].内蒙古民族大学学报，2009, 15(4): 173-174.

[4] 石宇婧. 高中化学教材中部分实验的微型化设计研究[D].西安: 陕西师范大学，2013.

(本文文献格式：金子烁，赵明雪，朱宝伟，等.微型离子反应装置的设计与研制[J].山东化工，2017，46(04)：118-119.)

Design and Development of the Micro Ionic Reaction Appliance

JinZishuo1,ZhaoMingxue1,ZhuBaowei2,LiuHaiyan2

(1.Liaoning Province Shiyan High School Yingkou Campus,Yingkou 115003, China;2 Department of Chemical and Material Engineering, YingKou Institute of Technology,Yingkou 115014, China)

The compounds produce chemical reaction in the micro reaction cavity through capillary siphoning and trace injection pressure. The experimental phenomena is magnified demo via online of microscope, computer, and projector. The micro ionic reaction appliances are simple structure, low cost, drug dosage less, and reduce environmental pollution. In addition, the experimental process and results are more likely observed.

the micro reactor; ion reaction; chemical experiment

2016-12-28

金子烁(2000—)，高中二年级学生。通讯联系人，刘海燕。

G633.8

A

1008-021X(2017)04-0118-02