例析一套多功能實驗裝置的創(chuàng)新

摘要： 流體參與的反應實驗在中學化學教學中居多，利用注射器改進的多功能實驗裝置可以順利完成中學化學的大多數(shù)流體參與的反應實驗。利用改進裝置完成實驗安全可靠、試劑微量，并能有效防止有毒氣體的泄漏，有利于啟迪思維、誘導發(fā)現(xiàn)，真正實現(xiàn)化學實驗載體功能在學科素養(yǎng)滲透中的作用。

關鍵詞： 流體反應實驗; 通用實驗裝置; 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2019）8-0074-03 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

1 ?裝置設計概述

在中學化學教材有流體參與的化學實驗中，有許多實驗存在一些不足，如現(xiàn)象不明顯、實驗裝置復雜、藥品用量較多、有毒氣體排入空氣造成污染等等。鑒于此，從多個方面對該類實驗提出通用的實驗改進新方法。

試劑取用： 液體試劑的取用可依據(jù)量的不同進行操作，少量液體的取用一般采用膠頭滴管的負壓原理，吸進滴管后，通過擠壓膠頭滴加液體控制試劑的用量。采用一次性塑料注射器可以完成負壓取用液體的要求。同時，注射器外徑刻度線為較多量液體的定量取用創(chuàng)造了條件。

反應環(huán)境： 化學試劑的反應大多包括液體的取用、試劑的混合反應等兩個步驟，往往反應器與試劑的取用是分開的。圓筒狀注射器的筒部可作為反應器完成該功能，使裝置系統(tǒng)更為簡潔。

后續(xù)（尾氣）處理： 尾氣處理是綠色化學、生態(tài)化學的重要體現(xiàn)。在中學化學的許多實驗設計中（如氯氣的性質實驗）都是單獨設立一個尾氣處理裝置。注射器的可控與密封性為尾氣（后續(xù)）裝置的設計提供了非常便利的條件。

2 ?實驗器材及裝置設計

實驗器材： 50mL注射器3支、100mL注射器2支、醫(yī)用輸液三通管2個、醫(yī)用輸液管若干、注射針頭1個、燒杯1個、酒精燈、固定板2塊

裝置設計： 如圖1所示，將一支三通管分別連接50mL的注射器、100mL的注射器以及長玻

璃導管，在相應的連接處加玻璃活塞，實現(xiàn)裝置的可控與密閉，以完成“一體兩管裝置”。另取一支三通管分別連接三支50mL的注射器，在相應的連接處加玻璃活塞，實現(xiàn)裝置的可控與密閉，以完成“一體三管裝置”。

3 ?經(jīng)典實驗例證

3.1 ?“一體兩管裝置”完成固體與液體反應的流體實驗（以濃硝酸與銅反應實驗改進為例）

3.1.1 ?教材實驗分析

人教版《全日制普通高級中學教科書（必修加選修）·化學》（第二冊）[1]第16頁實驗1～7中，Cu和濃HNO3反應，不能控制反應的發(fā)生和停止，并且產生的氣體有部分易泄露或直接排入大氣，污染空氣。

在蘇教版《普通高中課程標準實驗教科書·化學1》[2]中，由于污染嚴重等原因，刪除了該實驗。本實驗通過對裝置的創(chuàng)新設計和改進，能實現(xiàn)有毒氣體的“零排放”。并且還能做一系列有關NO2和銅鹽的實驗，現(xiàn)象明顯，可謂一舉多得。

3.1.2 ?實驗改進裝置

3.1.3 ?實驗操作

按圖2連接好裝置，檢查裝置的氣密性。

向50mL注射器中加入3片銅片，將輸液管及100mL注射器中吸入10mL濃硝酸，確保排盡空氣。重新連接好裝置。

關閉活塞A，打開活塞B，將濃硝酸壓入50mL注射器中，觀察到濃硝酸與銅片反應劇烈，產生大量紅棕色氣體。

反應結束時，將50mL注射器內的液體壓回100mL注射器中，在50mL注射器中即可收集到純凈的NO2氣體。打開A活塞，關閉B活塞，向上輕輕拉動50mL注射器的活栓，燒杯內的水即可噴入50mL注射器中，且可觀察到紅棕色氣體轉變?yōu)闊o色氣體，液面上升2/3體積。

3.1.4 ?實驗改進后的優(yōu)點

改進裝置是一個封閉體系，可以防止氮氧化物對空氣的污染。

該裝置可根據(jù)需要，實現(xiàn)小型化設計，用10mL、 20mL注射器替換，可以大大減少藥品的用量，并且該實驗裝置不易破損，可重復使用，降低了實驗的成本，非常適用于實驗條件欠發(fā)達的地區(qū)。

可以隨時讓反應發(fā)生和停止，操作一氣呵成，可以實現(xiàn)演示NO2溶于水壓強減小液體噴入的實驗，現(xiàn)象明顯直觀，有利于學生“宏微”轉化思維的培養(yǎng)。同時，紅棕色氣體轉變成無色氣體，說明生成的稀硝酸與銅反應產生的氣體是NO。

該裝置還適用于

制取H2、 O2、 NO、 NO2、 CO2、 Cl2、 C2H2、 H2S、 SO2等實驗;也可用于NH4NO3溶液和CaO制取NH3、 Na2O2與H2O反應生成O2;利用金屬鈉與無水乙醇反應來測定乙醇分子結構的定量實驗等[3]。

3.2 ?“一體三管裝置”完成固體與液體反應的實驗[以Fe（OH）2沉淀制備實驗改進為例]

3.2.1 ?原實驗存在的問題

制備Fe（OH）2時，產生的沉淀物只有瞬間的白色（幾乎分辨不出），很快就轉變?yōu)榛揖G色[甚至在離試管口近處看到了紅褐色Fe（OH）3]。根據(jù)課本上[4]介紹的原理——是因為最初產生的Fe（OH）2不穩(wěn)定，很快就被空氣中的氧氣氧化生成紅褐色的Fe（OH）3，因而影響了實驗效果。

3.2.2 ?實驗改進裝置

3.2.3 ?實驗操作

按圖3連接好裝置，并檢查裝置的氣密性。

向注射器A中加入適量鐵粉，并吸入少許蒸餾水;將輸液管及注射器B吸入稀硫酸（1∶5），確保排盡空氣;注射器C中吸入過量的新制的NaOH溶液。重新連接好裝置（如圖3）。

打開活塞1和活塞2，關閉活塞3，將B中稀硫酸壓入裝有鐵粉的A中，觀察到有氣泡產生。

待其反應完畢后，關閉活塞2，打開活塞1、活塞3，將生成的FeSO4壓入注射器C新制的NaOH溶液中，這時就可以看到有白色沉淀生成。

接著還可取下注射器A，接上注射針頭，在酒精燈上點燃收集到的氫氣[5]。

3.2.4 ?實驗改進后的優(yōu)點

操作簡單，現(xiàn)象更加明顯，能長時間看到白色Fe（OH）2沉淀的存在。還可以演示Fe（OH）2轉化成Fe（OH）3的過程，使人信服[將產生Fe（OH）2沉淀的注射器中吸入空氣即可]。收集的氫氣純凈，點燃前不必驗純。

該裝置還可用于以下對比型或混合型實驗。

（1） 固體和液體反應的實驗，如Na2CO3和NaHCO3與HCl反應的對比;CaCO3粉末和CaCO3塊狀固體與稀鹽酸反應的比較;用濃、稀HNO3和銅片反應同時制取NO2和NO的對比實驗;用于比較金屬活動性強弱的實驗等。

（2） 氣體和液體反應的實驗，如乙烯的性質實驗（乙烯和溴水、酸性KMnO4溶液反應的實驗）;SO2與品紅溶液、酸性KMnO4溶液反應的實驗;CO2與NaOH溶液、水反應的對比實驗等。

（3） 液體和液體反應的實驗，如NaOH溶液與CuSO4、 FeCl3溶液反應的對比實驗;同濃度的H2SO4與不同濃度Na2S2O3溶液反應的速率比較等。

（4） 氣體和固體反應的實驗，如CO2分別與Na2O、 Na2O2粉末反應的對比實驗;鋼鐵銹蝕條件的探究實驗等。

（5） 氣體和氣體反應的實驗，如氨氣與HCl、 HNO3蒸氣（可用注射器吸取濃鹽酸、濃硝酸上面的氣體得到）不同酸性氣體的“發(fā)煙”比較： 可預先在B注射器中吸滿氨氣，在A和C注射器中分別吸入1/3左右的HCl、 HNO3蒸氣，打開3個活塞，輕輕推動中間充滿氨氣B注射器的活栓，可在A和C注射器中看到白煙，說明氨氣能與酸反應得到銨鹽;H2S與SO2、 Cl2氣體氧化性不同的反應對照： 可預先在B注射器中吸滿H2S，在A和C注射器中分別吸入1/3左右的SO2、 Cl2，打開3個活塞，輕輕推動中間充滿H2S B注射器的活栓，可在A注射器中看到黃色渾濁、C注射器中的黃綠色變淺并也看到黃色渾濁，說明H2S能被弱氧化性的SO2和強氧化性的Cl2氧化，具有強還原性;用于NO2反應的平衡實驗： 在三個注射器中吸入等體積的NO2，關閉三個活塞，推動A注射器的活栓氣體加壓，拉動C注射器的活栓氣體減壓，B注射器壓強不變作對照，根據(jù)兩個注射器氣體顏色的變化驗證壓強對化學平衡的影響。

4 ?實驗創(chuàng)新和改進意義

該系列實驗裝置為通用實驗裝置，適用于有流體參與并且不需加熱的化學反應，如果反應放出熱量較多，可以更換成玻璃注射器。

該實驗所用主要器材來源于生活，整套裝置簡潔明了，安全高效。通過推、拉注射器活栓和操控玻璃活塞，使實驗的發(fā)生和停止操控自如。利用該實驗裝置制取、收集的氣體純凈，點燃不需驗純。

采用該實驗裝置，可以減少藥品用量，節(jié)約試劑，并且該實驗裝置不易破損，可重復多次使用，降低實驗的成本，非常適用于實驗條件相對落后的學校或地區(qū)。

通過應用注射器組成全封閉實驗裝置，不僅避免對環(huán)境的污染，而且使實驗步驟和操作更簡化，提高了課堂教學效益，有利于培養(yǎng)學生的科學探究能力，樹立環(huán)保意識，增強在化學實驗過程中的自我保護能力。

裝置由“兩管”到“三管”的轉變，能很好地啟發(fā)學生的發(fā)散思維，培養(yǎng)和提升學生的思考力和“鏈式思維”。

參考文獻：

[1]宋心琦主編. 全日制普通高級中學教科書·化學（必修加選修）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007.

[2]王祖浩主編. 普通高中課程標準試驗教科書·化學1（必修）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2004.

[3]賈同全. “內燃負壓”式密閉燃燒噴泉裝置[J]. 化學教學， 2013， （7）： 47～48.

[4]王磊主編. 普通高中課程標準試驗教科書·化學1（必修）[M]. 濟南： 山東科學技術出版社， 2007.

[5]胡筱巖， 李耀軍. 一則噴泉實驗的微型化設計和應用[J]. 教學儀器與實驗， 2014， （03）： 43.