醫用“留置針原理”在化學實驗中的應用

嚴春建

（如皋市教育局教研室江蘇南通226500）

醫用“留置針原理”在化學實驗中的應用

嚴春建

（如皋市教育局教研室江蘇南通226500）

借鑒醫用靜脈留置針的原理，通過添加注射器、醫用氧氣袋等附件的方式，對“測定空氣里氧氣的含量”“加熱高錳酸鉀制取氧氣”“氧氣的實驗室制取與性質”“鐵的吸氧腐蝕”“溶解時的吸熱或放熱現象”“鐵絲在氧氣中燃燒”等實驗進行優化設計，增加實驗的可視性、對比性、成功率，有利于學生理解問題、加深印象。

靜脈留置針；注射器；醫用氧氣袋；燃燒瓶

一、問題的提出

在初中化學日常教學中，我們經常會遇到這樣的問題：在“測定空氣里氧氣的含量”實驗［1］（如圖1）中，紅磷燃燒消耗氧氣，待紅磷熄滅，裝置冷卻至室溫后，水沿導管進入集氣瓶中。此實驗中，進入集氣瓶中的水的體積就是消耗氧氣的體積。對于“進入的水”、“消耗的氧氣”二者體積上的等量關系，學生往往是被動接受、半信半疑，很難真正認可此結論。如何解釋才能明晰關系？才能讓學生認可？才能讓學生印象深刻？

圖2 靜脈留置針

在解答上述問題時，教師最為常用的方法是“黑板實驗+口頭表述”，但其效果并不理想，一定比例的學生很難真正理解老師的分析。究其原因，往往是因為這樣的分析過于抽象，學生缺少直觀的認識。

如果在化學實驗時借鑒醫學上的“留置針原理”，即在實驗裝置上增加一個注射器，就可以很好地解決這個問題。

二、留置針及其原理的初步運用

留置針，醫學名詞是“靜脈留置針”（如圖2）。靜脈留置針核心的組成部件包括導管和針芯，使用時將導管和針芯一起穿刺入血管內，當導管全部進入血管后，抽出針芯，僅將柔軟的導管留置在患者血管內，從而可以進行多次輸液治療，其優點是減少護士多次針刺給患者帶來痛苦，且提升工作效益。

留置針的原理對解決上面的問題很有啟發，實驗裝置中所增加的注射器，在不影響原有實驗效果的前提下，可以借助實驗呈現隱形的思維推理過程，使抽象問題直觀化，更好地為學生釋疑解惑。改進后，學生能真正認可“消耗氣體的體積＝進入水的體積”，具體的改進方法如下。

學生按如下步驟進行實驗：【步驟1】組裝好裝置（如圖3），檢查裝置的氣密性；【步驟2】打開止水夾1、2，拉動注射器活塞，吸進一定體積的水，使導管中注滿水，集氣瓶（容量約為250mL）中底部留存一些水，關閉止水夾1；【步驟3】取下注射器，將活塞移至刻度為50mL處；【步驟4】關閉止水夾2，接上注射器；【步驟5】取出橡皮塞，在集氣瓶外點燃燃燒匙中的紅磷，迅速將燃燒匙伸入集氣瓶中并塞緊橡皮塞；【步驟6】待裝置冷卻至室溫后，打開止水夾2，觀察注射器活塞向右移動的體積，記為V1；【步驟7】再次將活塞移至刻度為50mL處；【步驟8】打開止水夾1，讀取量筒中減少的水的體積，記為V2；比較V1、V2二者之間的關系并分析原因。

通過“步驟1”至“步驟6”的實驗，學生可發現“紅磷燃燒消耗氧氣的體積為V1”；通過“步驟7”和“步驟8”的實驗，學生可發現“進入集氣瓶的水的體積為V2”；對比可發現“V1＝V2”。學生在動手實驗的基礎上，通過數據的對比，對于“消耗氣體的體積＝進入水的體積”有了更直觀、更深刻的認識；在探尋現象背后原因的過程中，學生的認識得以加深、記憶得以鞏固、思維能力得以提升。

圖3 “留置針原理”的運用1

圖4 加熱高錳酸鉀制取氧氣

三、“留置針原理”的拓展運用

1．“排水法收集純凈氣體”適切時機的選擇展示

義務教育化學課程標準（2011年版）要求學生能完成8個基礎的學生實驗，“氧氣的實驗室制取與性質”實驗是其中之一。實驗過程中，明晰化學反應原理、熟練運用基本的化學實驗技能、理解實驗操作要領背后的原因，對剛剛接觸化學的初三學生而言，其重要性不言而喻。

實驗室用排水法收集氧氣時（如圖4），操作要領：導管口開始有氣泡放出時，不宜立即收集，當氣泡連續并比較均勻地放出時，再把導管口伸入盛滿水的集氣瓶中［1］。為什么要這樣操作？能否讓學生“看到”空氣的運動？

為讓學生清楚如此操作的原因，教師可按如下步驟進行演示實驗：連接實驗裝置（如圖5）并檢查裝置的氣密性；在注射器中充入紅棕色的二氧化氮氣體，并接上注射器；推動注射器活塞，將二氧化氮氣體慢慢推入導管中（提醒學生關注水槽中剛開始產生氣泡時二氧化氮氣體到達的位置）。

實驗過程中，學生觀察到的現象為“水槽中剛開始產生氣泡時，二氧化氮氣體并未進入水中”，由此可體會到：實驗室制取氣體時，當生成的氣體尚未進入集氣瓶中時，裝置中的空氣已進入集氣瓶中。從而進一步認識到：要收集純凈的氣體，導管口開始有氣泡時不能立即收集。

2.充當“先行者”角色，讓“生成氣體體積＝排出水的體積”的推論更清晰

在某些以定量實驗為背景的試題中，常常需要測定產生氣體的體積，通常采用的方法是將氣體的體積轉化為排出水的體積，排出水的體積等于反應產生氣體的體積。但因為學生沒有能親眼觀察到氣體以及氣體的運動，常常對此心存疑惑：為什么二者的體積之間會存在等量關系呢？

為讓學生明晰“生成氣體體積＝排出水的體積”，教師可按如下步驟進行演示實驗：連接實驗裝置（如圖6）并檢查裝置的氣密性；推動注射器活塞，使一定體積（記為V1）的二氧化氮氣體進入容器中；上下移動量筒，使集氣瓶與量筒中液面保持水平，觀察量筒中水的體積（記為V2）；進行數據分析。

實驗過程中，學生可以親眼看到紅棕色的二氧化氮氣體進入容器中，通過觀察注射器中氣體體積變化，即可判斷出“‘生成’氣體的體積”。實驗時觀察到集氣瓶中的水進入量筒中，學生可讀取“排出水的體積”，再通過數據對比可發現進入容器中的二氧化氮氣體體積等于進入量筒中的水的體積，從而得到結論：“生成”氣體體積＝排出水的體積。

圖5 “留置針原理”的運用2

圖6 “留置針原理”的運用3

3.用于“導管裝水”，優化實驗設計

（1）減小“測定空氣里氧氣的含量”實驗的誤差

“測定空氣里氧氣的含量”實驗［1］（如圖1）是人教版初中化學的第一個定量實驗，該實驗中，導致實驗產生誤差的原因是多方面的，可從實驗藥品（或實驗原理）、實驗裝置、實驗操作等方面尋找原因。雖然由于紅磷燃燒時無法耗盡裝置中的氧氣，該實驗無論如何改進，也僅能粗略測定空氣中氧氣的體積分數，但是該實驗有利于學生理解拉瓦錫經典實驗的原理，也是提高學生實驗誤差分析能力、培養學生規范實驗意識的極佳范例。故進行教學時，有必要讓學生學會尋找實驗誤差產生的原因及減小誤差的方法。

按教材要求進行實驗時，由于導管中含有空氣，會導致實驗結果有偏小的傾向。為消除這一因素的影響，可采用圖3所示裝置進行實驗，在點燃紅磷前通過拉動注射器活塞，使導管中充滿水，可防止因“燒杯中水倒流時，導管中空氣進入集氣瓶中，抵消一部分紅磷燃燒消耗的氧氣”使測定的氧氣含量偏小。

（2）節省“鐵的吸氧腐蝕”實驗的時間

在使用人教版高中化學教材（選修4）所示裝置（如圖7）進行“實驗4-3：鐵的吸氧腐蝕”實驗［2］時，一般需要5～8分鐘才會出現較為明顯的現象，耗時較長的原因之一是：組裝儀器時，無論是先塞緊橡皮塞，還是先將導管伸入水中，都會使得體系內壓強增大，導致試管內液面高于導管內液面；鐵釘發生吸氧腐蝕使液面上升時，要首先彌補這一段高度差。

為消除這一因素的影響，節約實驗的時間，可采用圖8所示裝置進行實驗。實驗開始時，在連接好實驗裝置后，打開彈簧夾，向左拉動活塞，使導管中液面和試管中液面位于同一水平面上，然后夾緊彈簧夾。

圖7 鐵的吸氧腐蝕實驗

圖8 “留置針原理”的運用4

（3）提高“溶解時的吸熱或放熱現象”實驗的可視性

物質溶解于水時，常常會產生溫度的變化，有些物質溶解時會產生放熱現象，有些物質則會產生吸熱現象。為探究物質溶解于水時是吸收熱量還是放出熱量，教師常采用如圖9所示裝置進行實驗。實驗原本的設計思路是：先在試管中加入一定體積的水，再加入其他試劑，若U型管中左邊的液面高于右邊的液面，則說明溶解時出現吸熱現象；若右邊的液面高于左邊的液面，則說明溶解時出現放熱現象。但是，由于塞入橡皮塞時集氣瓶內空氣被壓縮，使得右邊的液面高于左邊，會對后續實驗的分析產生不利影響，比如判斷是否出現放熱現象時，不能通過比較“加入試劑后左右兩端液面的高低”得到結論，只能通過比較“加入試劑前后左右兩端液面的高度差”進行判斷。

為消除這一因素的影響，提高實驗的可視性，可采用圖10所示裝置進行實驗。實驗時，先在試管中加入一定體積的水，然后塞緊橡皮塞；向左拉動注射器活塞，當U型管中左右兩邊的液面齊平時，停止拉動活塞，并夾緊彈簧夾。在此基礎上再進行后續實驗，并進行分析判斷。

圖9 溶解時的吸熱或放熱現象

圖10 “留置針原理”的運用5

三、“留置針原理”的變式運用

“留置針原理”應用于化學實驗時，所添加的附件不局限于注射器，還可使用其他的器材，比如氣囊、醫用氧氣袋等。以下改進實驗中用于盛放氧氣和空氣的即為醫用氧氣袋，改進后的實驗有利于提高人教版初中化學教材（2012年教育部審定）上冊“鐵絲在氧氣中燃燒”實驗［1］的成功率和探究性。

“鐵絲在氧氣中燃燒”實驗是初中化學重要的演示實驗，教師在演示時，成功率并不高，學生難以留下深刻的印象。另外，此實驗主要用于驗證氧氣“能支持燃燒”這一化學性質，學生的主要學習活動是“觀察實驗——描述現象——回答問題”，主動參與實驗設計的機會較少。那么，如何才能大幅度地提高這個實驗的成功率呢？如何增加學生參與實驗探究的機會呢？

為解決以上兩個問題，筆者自制了一套玻璃材質的教具——燃燒瓶，其主體為空心的圓柱體，立體造型如圖11（a）所示，并利用“燃燒瓶”改進了“鐵絲在氧氣中燃燒”實驗裝置，如圖11（b）所示。

教師首先按照教材所示方式進行演示實驗：在空氣中加熱鐵絲、在集有純氧的集氣瓶中引燃鐵絲，并引導學生思考和研討如下問題：【問題①】實驗中觀察到“鐵絲在空氣中紅熱、在氧氣中劇烈燃燒”，實驗現象的差異與何種氣體有關？【問題②】結合生活經驗及演示實驗，你認為氧氣的濃度對燃燒的劇烈程度有何影響？【問題③】實驗過程中，常因為“集氣瓶容量小，氧氣總量不足；剛點燃鐵絲下端所系火柴，就將鐵絲伸入集氣瓶中”等因素，導致“鐵絲無法燃燒”“燃燒時間較短”“燃燒不夠劇烈”等現象的發生，結合問題②的結論，你有辦法提高實驗的成功率嗎？

對于問題①和②，絕大部分學生獨立思考后能達成共識：現象的差異與氧氣有關；在其他條件相同時，氧氣濃度越大，燃燒越劇烈。而問題③需要學生運用問題②的結論解決問題，要給予學生思考和交流的時間。實際教學過程中，較多的學生通過獨立思考能提供的思路是“增大氧氣濃度”，但不少學生忽視了“集氣瓶中最初收集的是純凈的氧氣”這一前提，通過小組交流，大部分學生都能認可“實驗過程中通入氧氣，以補充消耗的氧氣、增大集氣瓶中氧氣的濃度”這一思路。

在此基礎上，教師展示如圖11（b）所示裝置，并要求學生按如下步驟進行實驗：取一根較長的細鐵絲，繞成螺旋狀，在其末端系一根火柴，再將另一端系在燃燒匙的金屬絲上；按壓氧氣袋，使燃燒瓶中充滿氧氣；引燃鐵絲下端的火柴，立即將鐵絲伸入燃燒瓶中；待鐵絲燃燒劇烈程度明顯變弱時，按壓氧氣袋，持續通入氧氣，關注鐵絲燃燒的劇烈程度是否加劇；再按壓空氣袋，觀察鐵絲燃燒的劇烈程度是否變弱。

按照課本所示方式進行實驗時，學生一般會機械記憶實驗成功的關鍵要素之一是“實驗時，一定要待火柴快燃盡時，才可將鐵絲插入充滿氧氣的集氣瓶中”，而忽視了操作背后的化學原理。改進后的實驗，有利于學生突破思維定勢，更多地關注實驗操作背后的化學知識。改進后，學生觀察到鐵絲持續燃燒、火星四射，實驗的成功率可達100%，有利于激發學生學習的興趣、保持探究的欲望、樹立學好化學的信心。

需要補充說明的是，教材所設計的“硫分別在空氣和氧氣里燃燒”實驗［1］，由于硫粉分別在不同時間段、在不同集氣瓶中燃燒，現象對比不同步，實驗的對比性略有欠缺?？墒褂脠D11（b）所示裝置增加實驗的對比性，具體實驗步驟和現象為：將點燃的硫粉伸入充滿空氣的燃燒瓶中[可使用圖11（c）所示裝置，以防止二氧化硫污染環境]，觀察到產生微弱的淡藍色火焰；按壓氧氣袋，通入純凈的氧氣，硫粉燃燒明顯加劇，發出明亮的藍紫色火焰；按壓空氣袋，通入空氣，硫粉燃燒劇烈程度變弱……實驗過程中可反復增大、減小氧氣的濃度，燃燒的劇烈程度隨之加劇、變弱，現象對比鮮明，給學生以較強的視覺震撼。

圖11 “留置針原理”的運用6、7

對于初中化學另一基礎學生實驗“實驗活動3燃燒的條件”，清華大學宋心琦教授指出：“所謂條件至少應當包括與燃燒現象的發生、控制和終止等有關的三個方面，才能夠算是一組比較完整的科學探究活動”［3］，而人教版教材上冊第七單元并未出現對燃燒現象進行控制的實驗設計，所以很有必要抓住這個教學契機。學生使用圖11（b）所示裝置進行實驗過程中，當他們改變氧氣濃度時，鐵絲、硫粉等可燃物燃燒的劇烈程度也隨之改變，故改進后的實驗，對學生后續學習學會對“燃燒現象的控制”是大有裨益的。

［1］人民教育出版社課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心．義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］.北京：人民教育出版社，2012：27，33，34，45

［2］人民教育出版社課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心．普通高中課程標準實驗教科書·化學（選修4）［M］.北京：人民教育出版社，2004：85

［3］宋心琦.化學實驗教學改革建議之五——燃燒的條件［J］.化學教學，2012（12）：3

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