活塞可固定式注射器的制作及實驗改進

摘 要： 制作并基于活塞可固定式注射器，將壓強對氣體溶解度的影響實驗、不同壓強下氧氣溶解度測定實驗、壓強對化學(xué)平衡的影響實驗、壓強對化學(xué)反應(yīng)速率影響的實驗以及利用壓強變化觸發(fā)反應(yīng)的硫酸亞鐵與氫氧化亞鐵制備的一體化實驗進行了改進。改進后的實驗操作簡便、現(xiàn)象清晰，取得良好效果，新裝置不僅適用于教師演示實驗，也適合學(xué)生探究實驗。

關(guān)鍵詞： 活塞可固定式注射器； 壓強影響； 實驗改進

文章編號： 10056629（2024）10006805

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

壓強是表示壓力作用效果的重要物理量，在中學(xué)化學(xué)的教學(xué)過程中則不僅需要利用壓強變化檢驗裝置氣密性，還需要探究壓強等因素對物質(zhì)溶解度、化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)速率等的影響。在教學(xué)實踐中，受實驗時間、實驗儀器配備等多方面因素的影響，壓強條件的定量控制并不易實現(xiàn)，這也在一定程度上影響了不同壓強條件下的相關(guān)探究實驗的開展，不利于學(xué)生系統(tǒng)建構(gòu)相關(guān)知識的結(jié)構(gòu)體系。能否通過一套相對簡單的實驗裝置實現(xiàn)相對準確的壓強控制，讓學(xué)生能夠擁有更多的機會實現(xiàn)自己動手探究？由此，本文設(shè)計制作了一套活塞可固定式注射器，并利用活塞可固定式注射器嘗試對部分中學(xué)化學(xué)所涉及的壓強相關(guān)實驗進行了改進。

2 儀器的制作

設(shè)計制作的活塞可固定式注射器如圖1所示，活塞上安裝有兩個固定螺母（一個固定螺母在注射器主體內(nèi)部，另一個固定螺母則在注射器主體外部），用于固定注射器活塞。注射器主體上設(shè)有螺口旋蓋，如需調(diào)節(jié)注射器主體內(nèi)部螺母，則可通過旋開螺口旋蓋后調(diào)節(jié)［1］。實驗時，將活塞可固定式注射器密封后，通過推拉注射器活塞改變氣體體積從而實現(xiàn)內(nèi)部壓強的變化，而活塞用固定螺母固定后，則可使內(nèi)部壓強保持穩(wěn)定。

3 實驗設(shè)計與現(xiàn)象

3.1 壓強對氣體溶解度的影響

教材中并沒有設(shè)計壓強對氣體溶解度影響的相關(guān)實驗，在教學(xué)過程中教師往往是通過單純的理論描述或是借助碳酸飲料開蓋后產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象進行介紹。但由于純理論的描述相對枯燥，學(xué)生往往難以快速將其內(nèi)化，而對于碳酸飲料開蓋的現(xiàn)象，雖然較為常見且直觀，但其實大部分學(xué)生并不熟悉碳酸飲料開蓋前后壓強所發(fā)生的變化，還需教師進行補充說明?；谝陨洗嬖诘膯栴}，筆者借助活塞可固定式注射器（以下簡稱注射器）將壓強對氣體溶解度影響的實驗進行了如下設(shè)計。

3.1.1 實驗裝置

新設(shè)計的實驗裝置如圖2所示。

3.1.2 實驗操作步驟

（1） 使用活塞可固定式注射器（100mL）抽取10mL碳酸飲料（以常溫常壓下不再產(chǎn)生氣泡為宜），然后用硅膠管將注射器口與壓強傳感器相連接。

（2） 將注射器倒置（注射器口朝上），快速抽拉注射器活塞至50mL刻度處，并旋動注射器外固定螺母將活塞固定。

（3） 調(diào)整（旋動）注射器外固定螺母，使活塞緩緩回升。

3.1.3 實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)

快速抽拉注射器活塞至50mL刻度處并固定后，可觀察到碳酸飲料中產(chǎn)生大量氣泡，壓強傳感器顯示壓強讀數(shù)由101.1kPa先快速減小至6.8kPa，后逐漸回升。

調(diào)整（旋動）固定螺母使活塞回升，則可觀察到碳酸飲料中氣泡逐漸減少，壓強傳感器顯示壓強讀數(shù)逐漸回升。實驗中亦可使用自來水等替代碳酸飲料，觀察到的實驗現(xiàn)象基本一致，快速抽拉注射器活塞至50mL刻度處并固定后，自來水中也產(chǎn)生明顯氣泡，但數(shù)量略少，氣壓回升速度也較慢。

3.1.4 實驗優(yōu)點

運用活塞可固定式注射器可以較穩(wěn)定地控制壓強變化，實驗現(xiàn)象明顯，學(xué)生可以輕松得出壓強對氣體溶解度影響的結(jié)論，而且實驗操作比較簡單，學(xué)生可獨立完成操作，也可安排用于學(xué)生探究實驗。

3.2 不同壓強下氧氣溶解度的測定

日常教學(xué)過程中，由于壓強等條件不易控制，實驗裝置復(fù)雜等問題，不同壓強下氣體溶解度的測定實驗在中學(xué)階段少有涉及?；诖?，嘗試使用活塞可固定式注射器（100mL）、溶解氧傳感器、壓強傳感器、具支試管（大號）、膠塞、三通閥等組合裝置，進行了不同壓強下氧氣溶解度的簡單測定。

3.2.1 實驗裝置

新設(shè)計的實驗裝置如圖3所示。

3.2.2 實驗操作步驟

（1） 在具支試管中加入已通入氧氣一段時間后的蒸餾水約25mL，將膠塞、溶解氧傳感器與具支試管上口相連接，再將三通閥一端通過硅膠管與具支試管支管相連，然后將壓強傳感器、活塞可固定式注射器（100mL）分別與三通閥另外兩端相連接。

（2） 打開三通閥，可通過抽拉注射器活塞減小具支試管內(nèi)部壓強，并用活塞外部固定螺母固定，待壓強傳感器、溶解氧傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取并記錄數(shù)據(jù)。實驗中可通過抽拉注射器活塞至不同位置，調(diào)節(jié)不同氣壓。

（3） 若要測量更大壓強下氧氣的溶解度，則可以通過注射器加入氧氣以增大具支試管內(nèi)部的壓強，并通過旋開注射器的螺口旋蓋，調(diào)節(jié)內(nèi)部螺母的位置將活塞固定，然后再旋緊注射器的螺口旋蓋，同樣待壓強傳感器、氧氣傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取并記錄數(shù)據(jù)。實驗中可通過加入氧氣體積的不同，控制不同的氣壓增幅。

3.2.3 實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)

當(dāng)抽拉活塞減小壓強時，可觀察到氣泡冒出，溶解氧數(shù)據(jù)變小，當(dāng)加入氧氣增大壓強時，則可觀察到溶解氧數(shù)據(jù)變大，讀取記錄壓強傳感器、溶解氧傳感器的多組實驗數(shù)據(jù)，即可完成溶解度曲線的繪制。

3.2.4 實驗優(yōu)點

本實驗操作簡單，學(xué)生可以較方便地獲得壓強與溶解氧數(shù)據(jù)，從而繪制溶解度曲線，幫助學(xué)生建構(gòu)壓強與氣體溶解度變化的關(guān)系模型。

3.3 壓強對化學(xué)平衡狀態(tài)的影響

在教學(xué)實踐中，學(xué)生往往很難僅憑肉眼清晰觀察到實驗中壓強對化學(xué)平衡移動時氣體的顏色變化，雖然借助色度傳感器能觀察到迅速加壓后，吸光度數(shù)據(jù)先迅速增大，后變小，最終數(shù)據(jù)比原數(shù)據(jù)大，但實驗中快速推動注射器活塞會壓縮氣體做功產(chǎn)生熱量，快速抽拉注射器活塞則反之，均會造成溫度的影響，而且經(jīng)計算該反應(yīng)在壓強改變后達到新平衡的時間為微秒級，難以很好地說明混合氣體顏色變化就完全是因為壓強改變所導(dǎo)致［2］。基于以上問題，借助活塞可固定式注射器、色度傳感器等設(shè)計如下壓強對化學(xué)平衡影響的實驗。

3.3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖4所示。

3.3.2 實驗操作步驟

（1） 在比色皿（45mm×12.5mm×12.5mm，容量3.5mL）中充滿二氧化氮和四氧化二氮的混合氣體，通過膠塞將比色皿與活塞可固定式注射器（10mL）相連接。由于此時色度傳感器外蓋無法完全關(guān)閉，故可用黑布蓋住色度傳感器表面，防止數(shù)值受外部環(huán)境影響。

（2） 實驗開始前，先讀取并記錄色度傳感器的初始數(shù)據(jù)，然后抽拉注射器活塞至3.5mL刻度處，并用注射器外部固定螺母將活塞固定。此處需要注意的是：由于快速抽拉注射器活塞會對氣體做功，在一定程度上導(dǎo)致注射器內(nèi)部溫度發(fā)生變化，故可緩慢拉動注射器活塞，并需待吸光度數(shù)值保持穩(wěn)定后再讀取記錄數(shù)據(jù)。

（3） 將實際吸光度數(shù)據(jù)與不考慮平衡移動時的吸光度數(shù)據(jù)相比較，即可判斷出壓強對化學(xué)平衡移動的影響。實驗中亦可通過推動注射器活塞至目標刻度，并通過旋開注射器的螺口旋蓋后，調(diào)節(jié)內(nèi)部螺母的位置將活塞固定，然后再旋緊注射器的螺口旋蓋，同樣待吸光度讀數(shù)穩(wěn)定后再讀取最終數(shù)據(jù)并與不考慮平衡移動的理論數(shù)據(jù)作比較得出結(jié)論。

3.3.3 實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)

色度傳感器的初始數(shù)據(jù)吸光度為0.36AU，抽拉注射器至3.5mL刻度處（即體積增大一倍）測得平衡后的吸光度為0.28AU，根據(jù)比爾朗伯定律，與不考慮平衡移動時的吸光度數(shù)據(jù)0.18AU相比較，即可判斷出壓強對化學(xué)平衡移動的影響。

3.3.4 實驗優(yōu)點

本實驗裝置可以較為精準地改變氣體的體積從而控制壓強的變化，而通過將實驗最終所得色度數(shù)據(jù)與不考慮平衡移動時計算得出的色度數(shù)據(jù)相比較，則可避免溫度等因素的干擾，成功得出壓強對化學(xué)平衡狀態(tài)影響的相關(guān)結(jié)論。

3.4 壓強對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

不少同行已對該實驗進行了設(shè)計，取得了一定的教學(xué)效果，但仍然存在一些問題。例如設(shè)計選用線香燃燒反應(yīng)，卻存在學(xué)生并不了解線香的化學(xué)組成，且氧氣濃度不易控制，使實驗的成功率不高；設(shè)計選用二氧化碳與水反應(yīng)、二氧化硫與氫氧化鈉溶液反應(yīng)等，卻又存在氣體溶解、平衡移動等多方面因素共同影響的問題；設(shè)計選用各類傳感器，又存在實驗操作復(fù)雜，實驗耗時較長，實驗現(xiàn)象不夠直觀等問題［3］?；诖耍瑖L試使用活塞可固定式注射器（100mL）、二通閥等儀器，設(shè)計選用學(xué)生較為熟悉的硫化氫氣體與二氧化硫氣體常溫下反應(yīng)相關(guān)壓強對反應(yīng)速率影響的實驗。

3.4.1 實驗裝置

實驗裝置如圖5所示。

3.4.2 實驗操作步驟

（1） 在同等壓強條件下，用一支活塞可固定式注射器（100mL）收集20mL硫化氫氣體后再抽入30mL空氣，另一支活塞可固定式注射器收集10mL二氧化硫氣體，將兩支注射器通過二通閥相連接（在實驗開始前使二通閥處于關(guān)閉狀態(tài)），記為A組。

（2） 取兩支活塞可固定式注射器分別在同等壓強條件下收集20mL硫化氫氣體、10mL二氧化硫氣體，用于對照實驗（實驗開始前二通閥處于關(guān)閉狀態(tài)），記為B組。將A、 B兩組收集有10mL二氧化硫氣體的注射器的內(nèi)部螺母均固定于30mL刻度處。

（3） 同時打開A、 B兩組的二通閥，推動收集有硫化氫氣體的注射器活塞，迅速將其中氣體全部推入收集有二氧化硫氣體的注射器后，關(guān)閉二通閥。由于收集有二氧化硫氣體的注射器在實驗前已調(diào)節(jié)過活塞內(nèi)部螺母，故活塞僅能被推動至30mL刻度處，而A組注入的氣體中除了等量的硫化氫外還有空氣，故壓強相對較大。

（4） 快速調(diào)節(jié)兩組收集有二氧化硫注射器的外部螺母，將活塞完全固定，防止氣體相互反應(yīng)后造成注射器活塞回落。

3.4.3 實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)

在實驗中可清晰地觀察到A組收集有二氧化硫氣體的注射器壁上約8s后產(chǎn)生淡黃色固體，B組注射器壁上雖然在約20s后也逐漸產(chǎn)生淡黃色固體，但相對A組而言明顯較慢。

3.4.4 實驗優(yōu)點

本實驗現(xiàn)象直觀、明顯，實驗用時較短，完全可以讓學(xué)生自己動手在課堂中去探索。

3.5 利用壓強變化觸發(fā)反應(yīng)的硫酸亞鐵與氫氧化亞鐵制備的一體化實驗設(shè)計

一體化實驗往往具備實驗步驟連貫、實驗耗時相對較短等優(yōu)點，但也存在所用儀器較多，裝置搭建較復(fù)雜，不便于課堂教學(xué)推廣等問題。為此，嘗試使用活塞可固定式注射器（100mL）、單向閥等儀器，利用壓強變化觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)進行硫酸亞鐵與氫氧化亞鐵的制備一體化實驗設(shè)計。

3.5.1 實驗裝置

實驗裝置如圖6所示。

3.5.2 實驗操作步驟

（1） 取一支活塞可固定式注射器（100mL）打開螺口旋蓋，抽出活塞后，加入10g鐵片（過量）后裝好活塞，調(diào)節(jié)注射器內(nèi)部固定螺母于40mL刻度處，旋上螺口旋蓋，推動活塞排出注射器內(nèi)部空氣后，將注射器與三通閥上端相連。

（2） 另取一支普通注射器吸取10mL 3mol/L稀硫酸，連接向外開啟的單向閥后，再將單向閥與三通閥的下端相連。

（3） 再取一支普通注射器吸取煮沸后的15mL 6mol/L氫氧化鈉溶液，連接向內(nèi)開啟的單向閥后，再將單向閥與三通閥右端相連。

（4） 抽拉裝有鐵片的注射器活塞，使裝有稀硫酸注射器中的稀硫酸全部進入活塞可固定式注射器。

3.5.3 實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)

可以觀察到鐵片與稀硫酸反應(yīng)迅速產(chǎn)生氣泡，氣體推動注射器活塞至40mL刻度處，由于螺母固定，故此時活塞不再移動，注射器中反應(yīng)后的溶液被氣體排出注射器，進入裝有氫氧化鈉溶液的注射器，并生成白色沉淀氫氧化亞鐵，由于實驗裝置密閉，可以保存白色沉淀較長時間不變色。

3.5.4 實驗優(yōu)點

利用壓強變化觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，實驗操作難度低，實驗耗時短，實驗現(xiàn)象清晰可見，氫氧化亞鐵白色沉淀保存時間長，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對反應(yīng)原理的理解。

4 結(jié)語

基于活塞可固定式注射器對部分中學(xué)化學(xué)所涉及的壓強相關(guān)實驗進行了設(shè)計與改進，取得了良好的效果。在教學(xué)實踐中，還可以引導(dǎo)學(xué)生思考實驗裝置原理、實驗的本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生完成實驗裝置的再改進的探索，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

參考文獻：

［1］趙雯， 馬力. 化學(xué)氣體實驗一體化裝置的新改進［J］.化學(xué)教學(xué)， 2022， （5）： 72～74.

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［3］顧仲良， 周學(xué)工. 壓強對反應(yīng)速率的影響實驗探索——應(yīng)用溴百里香酚藍的色變［J］. 化學(xué)教與學(xué)， 2020， （4）： 93～95.