巧用注射器改進(jìn)部分中學(xué)化學(xué)實驗更安全環(huán)保

孫碩

摘要：利用注射器氣密性好的優(yōu)點，改進(jìn)銅與濃硝酸反應(yīng)等使用或產(chǎn)生有毒有害氣體的實驗，改進(jìn)制備氫氧化亞鐵、一氧化氮等無氧環(huán)境下的實驗；利用注射器透明有刻度的優(yōu)點，改進(jìn)二氧化氮與水反應(yīng)等觀察容積（體積）變化的實驗。節(jié)約藥品，環(huán)保安全，效果明顯。

關(guān)鍵詞：注射器； 改進(jìn)實驗； 綠色化學(xué)

文章編號：1008-0546（2016）12-0093-03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.12.032

醫(yī)用注射器透明度高，有刻度能測量，可調(diào)節(jié)容積，在化學(xué)實驗中可以用來量取、轉(zhuǎn)移、作反應(yīng)容器，安全可靠、價格低廉，具有氣密性好、體積小、可調(diào)節(jié)、易觀察、操作簡便等特點。利用注射器的這些優(yōu)點，可以對部分中學(xué)化學(xué)實驗進(jìn)行改進(jìn)，使實驗藥品用量少、液體藥品可測量，反應(yīng)均在密閉體系中進(jìn)行，產(chǎn)生的有毒有害氣體量少可控，余氣用濃NaOH溶液吸收，不會排到外環(huán)境，既環(huán)保又安全，符合綠色化學(xué)理念，有利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識[1]。實驗器材主要是醫(yī)用注射器、靜脈注射針頭，蝴蝶夾、學(xué)生橡皮等，價格低廉，取材容易，且不易碎裂，學(xué)生常見常用，有助于激發(fā)學(xué)生興趣，便于開展分組實驗和課外實驗，有利于培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新意識和實踐精神。

一、利用注射器氣密性好的優(yōu)點，改進(jìn)一些使用或產(chǎn)生有毒有害氣體的實驗

1. Cu與濃HNO3、NO2與H2O、NO與O2反應(yīng)的聯(lián)合實驗

取一個如圖1所示的靜脈輸液針管，去掉針頭，截去部分細(xì)管，作為連接兩個注射器的導(dǎo)管A。

取一個20mL注射器B，將針頭插入導(dǎo)管A的細(xì)管中。

再取一個20mL注射器C，拔掉針頭，連接導(dǎo)管A。

將注射器B作為加液和集氣裝置，將注射器C作為反應(yīng)裝置，做成如圖2所示的密閉裝置。

（1）拔出注射器C的活塞，取小拇指蓋大小的銅片平放在注射器底部，推進(jìn)活塞至注射器底部。

（2）用注射器B抽取1mL濃硝酸，不要有氣泡（保證Cu與濃HNO3反應(yīng)收集到的NO2氣體較為純凈，便于測量NO2與H2O反應(yīng)前后體積變化）。

（3）將注射器B、C如圖2連接起來。打開止水夾，將B中的濃硝酸推入C中，觀察反應(yīng)現(xiàn)象（銅片與濃硝酸劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量紅棕色氣體，活塞向外移動，同時生成藍(lán)綠色溶液）。

（4）將注射器C針頭端向上，使氣體在針頭端，反應(yīng)液在活塞端，推進(jìn)活塞，使氣體全部進(jìn)入注射器B，此時收集到的是較為純凈的NO2氣體。

必要時，可以將注射器C針頭端向下，將反應(yīng)液排入注射器B，推拉注射器的活塞，使反應(yīng)液與銅片脫離來控制反應(yīng)進(jìn)程，保證實驗安全可靠。

（5）當(dāng)注射器B的氣體約15mL時，關(guān)閉止水夾，將導(dǎo)管A與注射器B連在一起分離注射器C。

（6）將注射器C中的反應(yīng)液推入到小燒杯中，然后吸入氫氧化鈉濃溶液，振蕩吸收多余的氣體。

（7）記下注射器B氣體的體積，將B連接的導(dǎo)管A插入盛水的燒杯中，吸入2mL水，關(guān)閉止水夾。充分振蕩B，使水與NO2充分反應(yīng)，觀察現(xiàn)象，再次記下剩余氣體體積，比較兩次氣體讀數(shù)之差（紅棕色氣體變?yōu)闊o色氣體，注射器內(nèi)氣體體積明顯減少，大約是原來的三分之一）。

實驗原理解釋：

Cu+4HNO3[=]Cu（NO3）2+2NO2+2H2O，由于該裝置氣密性較好，實驗前基本沒有空氣混入，注射器B收集到的15mL氣體是較為純凈的NO2。生成的Cu（NO3）2溶液因溶解部分NO2而呈黃綠色。

3NO2+H2O[=]2HNO3+NO，15mL NO2與水反應(yīng)生成了5mL NO。注射器內(nèi)氣體只有原來的約三分之一。

2. 利用NO2演示壓強、溫度對化學(xué)平衡的影響

利用本文Cu與濃HNO3反應(yīng)的實驗方法，用注射器收集10mL NO2氣體。推壓和拉提注射器活塞，當(dāng)注射器內(nèi)氣體體積變小和增大時，觀察平衡體系顏色的變化。

采用兩套圖2的實驗裝置，利用本文Cu與濃HNO3反應(yīng)的實驗方法，用2個注射器各收集10mL NO2氣體。一個放入盛熱水的燒杯中，一個放入盛冰水的燒杯中，比較兩個注射器內(nèi)平衡體系顏色的不同。也可以用一個注射器內(nèi)的NO2氣體作為參照；另一個注射器放入盛熱水的燒杯中觀察平衡體系氣體顏色的變化，再放入盛冰水的燒杯中觀察氣體顏色的變化。

3. SO2與H2S的反應(yīng)實驗

用靜脈輸液針管制作導(dǎo)管一根，取兩個50mL注射器，連接成如圖2所示的裝置，用注射器A抽入SO2 10mL，注射器B抽取H2S氣體20mL。將A中的氣體緩緩?fù)迫隑中，觀察現(xiàn)象（注射器B的壁上有淡黃色粉末，注射器內(nèi)氣體體積明顯減小，反應(yīng)最后注射器A、B幾乎沒有多余氣體存在）。

4. Cl2與NaBr、NaI的反應(yīng)實驗

（1）取20mL注射器，事先抽入10mL Cl2，演示實驗時再抽取2mL NaBr濃溶液，將針頭插入橡皮塞中，密閉注射器。振蕩，使溶液與氣體充分反應(yīng)，觀察反應(yīng)現(xiàn)象[2]（橙紅色的溴蒸氣充滿整個針筒空間）。將注射器埋入冰塊中，5分鐘后拿出，迅速觀察注射器內(nèi)變化（注射器壁上有橙紅色的溴單質(zhì)液滴，受熱很快又揮發(fā)為溴蒸氣）。

（2）取20mL注射器，抽入10mL Cl2，再抽取2mL NaI濃溶液，將針頭插入橡皮塞中，密閉注射器。振蕩，使溶液與氣體充分反應(yīng)。觀察反應(yīng)現(xiàn)象（注射器壁上有紫黑色的碘單質(zhì)固體）。

二、利用注射器密封性好的優(yōu)點，改進(jìn)無氧環(huán)境下的實驗

1. Cu與稀HNO3反應(yīng)實驗

實驗器材：

利用如圖2所示的Cu與濃HNO3反應(yīng)的注射器裝置。

實驗過程及現(xiàn)象：

（1）用注射器B抽取5mL稀硝酸，不要有空氣，若有氣泡則針頭向上推進(jìn)活塞趕出氣泡。

（2）拔出注射器C的活塞，取一小片銅片平放在注射器底部，推進(jìn)活塞至注射器底部，連接導(dǎo)管A，將導(dǎo)管A放入盛蒸餾水的燒杯中抽取少許蒸餾水入注射器中，針頭向上，排出注射器及導(dǎo)管A內(nèi)的空氣。然后連接盛有稀硝酸的注射器B，關(guān)閉止水夾。如圖2所示。

（3）打開止水夾，將B中的稀硝酸全部推入C中，觀察反應(yīng)現(xiàn)象（銅片與稀硝酸緩慢反應(yīng)，產(chǎn)生無色氣體，活塞向外移動，同時生成藍(lán)色溶液）。

若反應(yīng)緩慢，可以將注射器C放入盛有熱水的燒杯中，水浴加熱。

（4）將注射器C針頭端向上，使氣體在針頭端、反應(yīng)液在活塞端，推進(jìn)活塞，使氣體全部進(jìn)入注射器B，此時收集到的是較為純凈的NO氣體。

（5）當(dāng)注射器B的氣體約10mL時，關(guān)閉止水夾，將注射器B與導(dǎo)管A連在一起，分離注射器C。

（6）將注射器C中的反應(yīng)液推入到小燒杯中，然后吸入氫氧化鈉濃溶液并振蕩，吸收注射器內(nèi)多余的氣體。

（7）在注射器B后面放一張白紙，觀察注射器內(nèi)氣體顏色（無色）；打開止水夾，吸入少許空氣，觀察氣體顏色變化（紅棕色）；待紅棕色顏色較深時，將注射器B連接的導(dǎo)管C插入盛水的燒杯中，吸入2mL水，關(guān)閉止水夾，充分振蕩，觀察現(xiàn)象（紅棕色氣體再次變?yōu)闊o色氣體，注射器內(nèi)氣體體積變?。？煞磸?fù)多次操作，直至打開止水夾抽入空氣氣體不再變色。

實驗原理解釋：

2NO+O2[=]2NO2

3NO2+H2O[=]2HNO3+ NO

理論上反應(yīng)最后注射器內(nèi)應(yīng)無氣體存在，但由于吸入的是空氣不是純O2，只能觀察到注射器內(nèi)氣體體積減小。

2. Fe（OH）2溶液的制備

（1）將一小片金屬鐵平放在注射器底部，將活塞推入注射器底部，吸入少量煮沸過的蒸餾水，針頭向上排出注射器內(nèi)的空氣。

（2）抽入適量稀H2SO4（注意：注射器針頭插入稀H2SO4溶液底部，緩慢抽入，注射器內(nèi)不能有氣泡），然后針頭插入橡皮塞中，密封注射器，如圖3所示，觀察現(xiàn)象（注射器內(nèi)產(chǎn)生無色氣泡，活塞向外移動）。此步驟要控制稀H2SO4的量，以免反應(yīng)劇烈或者產(chǎn)生氣體過多，沖頂活塞脫離注射器導(dǎo)致實驗失敗。

（3）取下橡皮塞，針頭向上推出反應(yīng)生成的部分氣體，再吸入適量NaOH溶液，封閉橡皮塞，觀察現(xiàn)象（有白色沉淀生成，可放置一段時間不變色）。將反應(yīng)液排出到小燒杯中，將沉淀物涂在燒杯壁上觀察現(xiàn)象（白色沉淀迅速變?yōu)辄S褐色）。

三、利用注射器有刻度的優(yōu)點，改進(jìn)一些觀察容積（體積）變化的實驗

1. CO2、Cl2、H2S、HCl、NH3等溶于水的實驗

（1）易溶于水的CO2、Cl2、H2S等氣體：

用50mL注射器，事先抽取30mL的CO2氣體，演示實驗時再抽取20mL蒸餾水，將注射器針頭插入橡皮塞中（也可將學(xué)生橡皮切成條塊作橡皮塞使用），封閉注射器。充分振蕩，使水、氣充分接觸混合，可看到注射器針?biāo)ㄏ蚶镆苿樱⑸淦鲀?nèi)余下氣體約10mL。證明CO2溶于水，溶解度大約為1∶1。

采用同樣的方法，事先用50mL注射器吸入30mL Cl2，演示實驗時再抽取10mL水，將注射器針頭插入橡皮塞中封閉注射器。充分振蕩混合，可看到注射器余下約10mL Cl2，溶液變?yōu)辄S綠色。證明Cl2溶于水，溶解度大約為2∶1。

也可用50mL注射器抽取10mL水再吸入30mL H2S，粗略驗證H2S在水中的溶解度為1∶2.6。

（2）極易溶于水的HCl、NH3等氣體

事先用50mL注射器抽取40mLHCl（NH3），用橡皮塞封閉注射器。演示實驗時，準(zhǔn)備一個500mL燒杯，裝半燒杯水，在燒杯中滴幾滴石蕊（酚酞）。去掉針頭，將注射器插入燒杯盛裝的水中，抽入少許水后，用手固定住活塞，觀察現(xiàn)象。由于這些氣體極易溶于水，可以看到在注射器內(nèi)形成美麗的“紅色噴泉”[3]。

2. 比較不同氣體溶解度的不同

用多個50mL注射器分別抽取等體積的CO2、Cl2、H2S、SO2等氣體，和等體積的蒸餾水，密閉后，每個注射器用手振蕩同樣的次數(shù)和幅度。靜置在臺面上，通過讀取注射器內(nèi)剩余氣體的刻度，觀察氣體溶解度的不同。

3. 比較鹽酸與Na2CO3和NaHCO3反應(yīng)的快慢

利用20mL和50mL注射器、100mL錐形瓶、瓶塞，做成如圖4所示的裝置。

將足量的Na2CO3和NaHCO3分別放入兩個集氣瓶中，塞緊瓶塞。將兩個50mL注射器活塞推入底部，作為集氣裝置，分別插穿兩個廣口瓶塞。取兩個20mL注射器，分別吸入5mL的1mol/L鹽酸，分別插穿廣口瓶塞，同時向瓶內(nèi)注射鹽酸，壓住20mL注射器活塞到底部。觀察反應(yīng)現(xiàn)象。（裝NaHCO3的裝置反應(yīng)劇烈，50mL注射器活塞向外移動快，產(chǎn)生氣體較多）

4. 證明分子間存在分子間隙

用50mL注射器抽取20mL水，再抽取20mL酒精，用上述靜脈輸液針管制成的“橡皮塞”封閉注射器，充分振蕩后觀察混合液刻度，發(fā)現(xiàn)兩者體積小于40mL。說明水分子和酒精分子之間有間隙，二者混合時，部分分子鉆入間隙中，導(dǎo)致總體積減小。

5. NO2與H2O反應(yīng)的實驗

具體見上文Cu與濃HNO3、NO2與H2O、NO與O2反應(yīng)的聯(lián)合實驗中的第8步驟。用20mL注射器收集15mL NO2，再吸入2mL水，密閉注射器，振蕩注射器使反應(yīng)充分，可觀察到紅棕色氣體變?yōu)闊o色，反應(yīng)后注射器內(nèi)氣體約為原來的三分之一。

參考文獻(xiàn)

[1] 榮盧耀，趙承志.加強課堂實驗設(shè)計體現(xiàn)綠色化學(xué)思想[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2007（4）：42

[2] 張正飛.例析注射器在中學(xué)化學(xué)實驗改進(jìn)中的妙用[J].化學(xué)教與學(xué)，2013（9）：89～90

[3] 劉繼能.多功能化學(xué)實驗演示器[J].化學(xué)教育，2015（4）：65～67