例析一套多功能實驗裝置的創新

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、誘導發現，真正實現化學實驗載體功能在學科素養滲透中的作用。

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造了條件。

反應環境： 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，使裝置系統更為簡潔。

后續（尾氣）處理： 尾氣處理是綠色化學、生態化學的重要體現。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）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、醫用輸液三通管2個、醫用輸液管若干、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，實現裝置的可控與密閉，以完成“一體三管裝置”。

3 ?經典實驗例證

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新設計和改進，能實現有毒氣體的“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為無色氣體，液面上升2/3體積。

3.1.4 ?實驗改進后的優點

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。

該裝置可根據需要，實現小型化設計，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達的地區。

可以隨時讓反應發生和停止，操作一氣呵成，可以實現演示NO2溶于水壓強減小液體噴入的實驗，現象明顯直觀，有利于學生“宏微”轉化思維的培養。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），很快就轉變為灰綠色[甚至在離試管口近處看到了紅褐色Fe（OH）3]。根據課本上[4]介紹的原理——是因為最初產生的Fe（OH）2不穩定，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 ?實驗改進后的優點

操作簡單，現象更加明顯，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。

通過應用注射器組成全封閉實驗裝置，不僅避免對環境的污染，而且使實驗步驟和操作更簡化，提高了課堂教學效益，有利于培養學生的科學探究能力，樹立環保意識，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，能很好地啟發學生的發散思維，培養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.