“雙注射器組合裝置”的制作與應用

魏海 李德前

摘要： 將10mL塑料注射器與1mL塑料注射器巧妙組合，既保留了兩個注射器的功能，又使儀器組合達到1+1>2的效果。介紹“雙注射器組合裝置”的構成和制作，應用于銅和硝酸反應的系列實驗。該實驗裝置不僅能反復使用，操作簡便，而且能應用于常溫下塊狀固體與液體的反應，演示封閉環境中的液體化學反應也十分有效。

關鍵詞： 雙注射器; 組合裝置; 實驗裝置設計和制作; 銅與硝酸反應

文章編號： 1005-6629（2020）11-0069-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

塑料注射器透明度高，材質性能穩定，針筒的密封性好，活塞與筒壁之間的靜摩擦力適中，尤其是其性價比遠遠高于常規化學儀器，因而塑料注射器已成為化學實驗創新必不可少的替代品。

最近，我們基于化學實驗創新技法的“同類組合”“等值替換”思維，將1mL注射器與10mL注射器巧妙組合，形成固定裝置（如圖3所示），可用于銅與硝酸反應等多個常溫下的化學實驗，并取得了顯著的實驗效果。

1? 雙注射器組合裝置的制作

1.1? 制作材料

主要是1mL塑料注射器（見圖1-A），10mL塑料注射器（見圖1-B），橡膠帽（在橡膠塞小頭處挖一個半深的凹槽，見圖3），強力膠水，膠帶等。

1.2? 制作過程

該實驗裝置的制作（如圖2所示）并不復雜，其主要操作是將1mL注射器插入10mL注射器的活塞中（原芯桿廢棄），通過這種內外組合，形成比較固定的實驗裝置。具體制作流程如下。

（1） 準備一個10mL注射器，抽出芯桿，取下套在芯桿頂端的活塞（芯桿廢棄），在活塞中心打一個直徑約3mm的細孔（見圖2-A）。

（2） 準備一個1mL注射器，在針筒的錐頭表面裹上幾圈膠帶（要裹成圓柱狀，并且圓柱直徑略大于活塞凹槽），然后在膠帶表面涂抹一層膠水，隨即將其插入活塞的凹槽中（見圖2-B），并粘牢。

（3） 將1mL注射器與10mL注射器活塞的組合裝置B，插入10mL注射器的針筒里（見圖2-C）。

（4） 給10mL注射器吸入口配一個大小合適的橡膠帽，至此雙注射器組合裝置制作完成（見圖3）。

1.3? 裝置構成

雙注射器組合裝置的構成及各部分作用，如圖3所示。

（1） 10mL注射器的主要作用是盛裝液體反應物，并作為常溫下的反應容器。

（2） 1mL注射器的主要作用是承載固體反應物，并控制固體反應物的升降。

（3） 橡膠帽的作用是使反應容器封閉或開啟。

（4） 上述實驗用品按圖3組合起來，就可以使反應隨時發生或停止。

2? 裝置應用

下面以銅分別與稀、濃硝酸反應及NO、 NO2性質的系列實驗為例，介紹該裝置的使用方法。

2.1? 銅與稀硝酸反應的實驗操作

（1） 找一根2mm×50mm的銅絲，將其表面打毛（以增大銅與稀硝酸的接觸面）。

（2） 抽出1mL注射器的芯桿，將銅絲固定在活塞的突出部位，再將芯桿放回錐形針筒里，并推至合適位置（對準活塞中間小孔，但確保銅絲不露出活塞表面）。

（3） 在10mL注射器針筒里吸入2～3mL剛冷卻的蒸餾水，然后使注射器吸入口向上。緩緩上推活塞至零刻度處，以徹底排除針筒里的空氣[1]（見圖4）。

（4） 在10mL注射器針筒里吸入5mL稀硝酸，隨后將橡膠帽套在吸入口上，并保持注射器吸入口向下。通過1mL注射器的芯桿按下銅絲，使銅絲穿過活塞浸入稀硝酸中，兩者立即發生化學反應（見圖5），觀察到銅絲表面產生無色氣體，10mL注射器的活塞緩慢上移，溶液逐漸變為藍色[2]，有關反應的化學方程式是3Cu+8HNO33Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O。待反應放出約5mL無色氣體后，將銅絲拉回1mL注射器的錐形針筒里，反應立即停止。

（5） 使注射器吸入口向上，再拔掉吸入口上的橡膠帽，然后緩緩下拉活塞，吸入足量的空氣，針筒內無色氣體立即變為紅棕色，說明一氧化氮氣體極不穩定，易被空氣氧化為二氧化氮氣體，有關反應的化學方程式是2NO+O22NO2。

（6） 使注射器吸入口向下（此時針筒里下層是硝酸和硝酸銅的混合液、上層是含有二氧化氮氣體的尾氣[3]，見圖6），緩緩下推活塞，先排出針筒里的實驗廢液（用小燒杯接收）。繼續緩緩下推活塞，將尾氣直接推入飽和氫氧化鈉溶液中將其吸收，有關反應的化學方程式是2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O。

（7） 實驗結束，整理實驗用品，回收實驗廢液（處理后可再利用）。

2.2? 銅與濃硝酸反應的實驗操作

（1） 抽出1mL注射器的芯桿，在活塞的突出部位固定一根2mm×50mm的銅絲，然后再將其放回1mL錐形針筒里。

（2） 在10mL注射器針筒里吸入5mL濃硝酸，然后用橡膠帽封閉吸入口，并保持注射器吸入口向下。通過1mL注射器的芯桿，將銅絲按下來，使金屬銅與濃硝酸接觸，兩者立即發生化學反應;觀察到銅絲表面快速產生紅棕色氣體，10mL注射器的活塞緩緩上移，溶液逐漸呈現綠色，有關反應的化學方程式是Cu+4HNO3Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O。待反應放出大約5mL紅棕色氣體后，將銅絲拉回1mL注射器的錐形針筒里，反應即刻停止。

（3） 拔掉吸入口上的橡膠帽，使注射器吸入口向下（此時針筒里下層是硝酸和硝酸銅的混合液、上層是二氧化氮氣體），緩緩下推活塞，恰好完全排出針筒里的混合液（用小燒杯接收），二氧化氮氣體仍然保留在針筒里。

（4） 在10mL注射器針筒里吸入5mL剛冷卻的蒸餾水（此時注射器活塞約在10mL刻度處），然后用橡膠帽封閉注射器吸入口，再輕輕振蕩注射器針筒幾次，觀察到紅棕色氣體逐漸消失，氣體的體積明顯減少，殘留的氣體為無色，這說明二氧化氮溶于水發生了化學反應，產生了無色氣體，有關反應的化學方程式是3NO2+H2O2HNO3+NO;最終，整個針筒里混合物（主要是硝酸溶液和一氧化氮氣體）的總體積約為7mL。

（5） 使注射器吸入口向上，再拔掉吸入口上的橡膠帽，緩緩下拉活塞，吸入足量的空氣（使針筒內殘留的一氧化氮氣體變為能被氫氧化鈉溶液直接吸收的二氧化氮氣體），觀察到無色氣體很快變為紅棕色氣體。

（6） 將注射器吸入口向下（此時針筒里下層是硝酸溶液、上層是含有二氧化氮氣體的尾氣），緩緩下推活塞，先將針筒內的硝酸溶液排出（用小燒杯接收）。繼續緩緩下推活塞，將尾氣直接推入飽和的氫氧化鈉溶液中以充分吸收[4]。

（7） 實驗結束，整理實驗用品，回收實驗廢液（處理后再利用）。

3? 裝置優點

（1） 上述實驗裝置還可以用來演示制取氫氧化亞鐵的實驗;如果改用大容積的塑料注射器，并將固體裝入有孔小塑料瓶（懸掛在細銅絲上），該裝置就可以用來制取氫氣、二氧化碳氣體、硫化氫氣體等。并且這些化學反應可以隨時發生和停止，有利于多個班級的連續授課，因此提高了實驗教學效益。

（2） 上述實驗裝置用于中學化學實驗，其操作非常簡單，就是通過推拉注射器芯桿使反應發生或停止，因此有利于教師開展實驗教學，也方便學生進行實驗探究活動，尤其適用于教學裝備條件相對落后的學校或地區。

（3） 上述實驗裝置屬于整體固定的實驗儀器，由于是塑料材質，不易損壞，可以反復使用，因此節約了裝備資源、降低了實驗成本。

（4） 該實驗裝置可以全程封閉，實現了有害氣體的零排放。注射器針筒便于制造無氧環境，有利于防氧化實驗（制取一氧化氮氣體、氫氧化亞鐵等）的順利進行[5]。

總之，“雙注射器組合裝置”適用面較為廣泛，實驗教學效果明顯，既能用于教師的演示實驗，也方便學生動手操作，開展一系列實驗探究活動，因此是優良且實用的化學實驗裝備資源。

參考文獻：

[1]張玉勇. 銅與硝酸反應實驗創新設計三例[J]. 實驗教學與儀器， 2017， （7～8）： 78～79.

[2]吳正帥， 郝海龍. 銅與硝酸反應及NOx性質實驗的創新設計[J]. 中小學實驗與裝備， 2018， （3）： 34～35.

[3]趙立勝， 李德前. 銅與濃、 稀硝酸反應實驗的新設計[J]. 中國現代教育裝備， 2017， （24）： 47～48.

[4]李德前， 周梅華. “銅與稀硝酸反應”實驗的改進[J]. 教育與裝備研究， 2017， （10）： 69～70.

[5]伍強， 方瑞光. 銅與硝酸反應實驗的一體化設計[J]. 化學教學， 2016， （6）： 60～63.