注射器用于化學實驗的改進

張紋 王曹興 鄭雨欣 林文珍

摘要：? 利用注射器良好的氣密性，采用膠頭玻璃滴管作為氣體干燥器，對氯氣的制備及性質實驗、銅與稀硝酸反應和氮氧化合物的性質與轉化等實驗進行探究與改進。改進實驗實現了氯氣、一氧化氮和二氧化氮等有毒氣體的小劑量制備，能有效避免空氣對銅與稀硝酸反應產物的干擾，提高氯氣、氮氧化合物性質實驗的效果。

關鍵詞：? 注射器； 實驗改進； 氮氧化合物； 氯氣

文章編號： 1005-6629（2024）05-0075-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

氯氣的性質實驗、銅與稀硝酸反應、氮氧化合物的性質與轉化是中學化學課堂教學重點，是高中化學必修課程的核心內容之一。在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中“常見的無機物及其應用”主題下，明確給出設計實驗及探究活動的學習建議［1］。但由于干燥的氯氣、氮氧化合物制備與轉化的實驗裝置比較復雜，廢氣污染大，限制了實驗探究活動的開展。以人教版高中化學必修教材（2019版）中的相關內容為例進行如下分析。

1.1? 氯氣的性質實驗

化學必修1中“氯及其化合物”在第一節介紹氯氣的相關性質，在第二節給出制備氯氣的具體方法［2］。教師在第1課時教學中講解氯氣性質時，需要提前在實驗室制備好氯氣，再在課堂教學中演示氯氣的性質實驗。由于氯氣的制取與性質檢驗兩個實驗需在不同空間、不同步展開，不僅為教師備課帶來諸多不便，也不利于學生對氯氣性質和危害性的全面了解。目前大量研究集中在氯氣制備裝置的微型化改進［3～6］，但受限于實驗裝置需要定制或改裝以及干燥氯氣的方法欠妥，不利于教師開展課堂演示。

1.2? 銅與稀硝酸反應及氮氧化合物性質與轉化實驗

化學必修2在介紹二氧化氮、一氧化氮的性質實驗時，并未指明二氧化氮、一氧化氮的來源［7］，加之氮氧化合物的危害，導致教師在講解這部分內容時通常采用播放視頻或直接口述。此外，教材在介紹銅與硝酸反應時，給出的實驗裝置無法排除氧氣對實驗現象的干擾，導致銅與稀硝酸反應時直接放出二氧化氮，不利于學生正確理解銅與濃硝酸、銅與稀硝酸兩個反應的區別。

基于上述分析，本文選取生活中易得的簡易裝置和材料，對氯氣的制備及性質實驗、銅與稀硝酸反應、氮氧化合物性質與轉化實驗進行改進和探索，以期為教師教學提供參考。

2? 實驗設計

2.1? 氯氣的性質實驗

2.1.1? 實驗原理

84消毒液和潔廁靈溶液反應的主要化學方程式為：

2HCl+NaClONaCl+Cl2↑+H2O

由于該反應速率較快，為控制氯氣的制備量，防止試管內壓力過高，把潔廁靈溶液和84消毒液分別置于試管和注射器（50mL）中，通過控制注射器中84消毒液的注入量來控制氯氣的生成量。

2.1.2? 實驗藥品及儀器

NaOH溶液、84消毒液、潔廁靈、無水氯化鈣、蒸餾水、pH試紙、50mL注射器（3支）、膠頭玻璃滴管、試管、橡膠塞、脫脂棉

2.1.3? 實驗步驟

步驟一：氯氣的制備

如圖1A所示，組裝好氣體發生裝置，將大試管固定于鐵架臺上。拉動注射器1活塞并松手，觀察活塞位置是否復原，以此驗證裝置氣密性是否良好。拔掉橡膠塞向試管中加入潔廁靈溶液，塞緊橡膠塞，之后將注射器2拔下（注意不要拔出針頭，僅分離針頭和注射器，保證針頭始終扎穿橡膠塞以便更換注射器），吸取一定量的84消毒液后將注射器重新插入針頭（見圖1B）。緩慢推動注射器的活塞，將84消毒液注入試管，此時可引導學生觀察84消毒液和潔廁靈溶液反應的現象，當觀察到黃綠色氣體即將充滿試管后停止滴入84消毒液，并取下注射器2，在橡膠塞針頭上重新接入一支潔凈的注射器3（見圖1C）用于平衡氣壓。隨后拉動注射器1。隨著反應進行可觀察到試管中黃綠色的氯氣進入注射器1，收集完畢后，取下注射器1并插入橡膠塞將針頭密封（見圖2A）。為保證實驗過程中氯氣的充足，可重復上述操作制備氯氣。拔下注射器1后，為防止試管中氯氣泄漏，可用橡皮泥將針孔封口（見圖1D）。

步驟二：干燥氯氣使pH試紙（濕潤）退色實驗

實驗前準備好兩支干燥試管（試管1放入用蒸餾水潤濕的pH試紙，試管2放入干燥的pH試紙）以及裝滿無水氯化鈣的膠頭滴管1支（滴管膠頭上預先插入針頭）。將先前收集滿氯氣的注射器密封針頭拔下，換上插入裝滿無水氯化鈣的膠頭滴管的針頭（為防止氯氣泄漏，連結過程確保注射器豎直），然后將膠頭滴管伸入試管1底部，緩慢推動活塞注入適量氯氣（見圖2B），之后取出膠頭滴管迅速用橡膠塞塞緊試管密封。重復操作，將剩余的氯氣注入試管2（見圖2C）后密封。此時可引導學生觀察并記錄實驗現象，約15秒后試管1中潤濕的pH試紙退色，而試管2中干燥的pH試紙

幾乎沒有變化（見圖2D），表明干燥的氯氣沒有漂白性，濕潤的氯氣才具有漂白性。進而講解次氯酸的性質，并過渡到氯水的組成及其性質的講解。

步驟三：氯水的制備及性質實驗

將先前收集滿氯氣的注射器（見圖2A）密封橡膠塞拔下吸入適量蒸餾水后再次密封，振蕩注射器使氯氣充分溶解，并引導學生觀察注射器內氣體以及溶液顏色的變化。學生可以觀察到黃綠色氣體消失，無色蒸餾水變成淡綠色水溶液這一過程，為學生理解新制氯水的組成提供強有力的實驗支撐。隨后，教師可進一步開展氯水性質實驗。

步驟四：尾氣處理

實驗結束后，對于實驗過程中試管、注射器內剩余的氯氣，可通過注入或吸入適量氫氧化鈉溶液除去。

2.1.4? 實驗注意事項

步驟一中要確保插入橡膠塞的針頭未被堵塞。為保證收集的氯氣純度更高，需要將抽取的第一針管氣體（多為試管中殘留的空氣）舍棄掉。為便于觀察氯氣的顏色最好使用無色透明的玻璃注射器和膠頭滴管。步驟二中為獲取充分干燥的氯氣，可將裝入膠頭滴管的無水氯化鈣用棉花分段隔開延長氣體與氯化鈣的接觸時間。為了防止空氣中水蒸氣的干擾，需提前將放置pH試紙的試管進行烘干處理，并向試管中加入適量無水氯化鈣用橡膠塞密封放置，實驗前再將無水氯化鈣取出，快速完成氯氣的注入與密封，這樣可以保持干燥的pH試紙長時間不退色。

2.2? 銅與稀硝酸反應及氮氧化合物性質與轉化實驗

2.2.1? 實驗原理

銅與稀硝酸反應，利用注射器良好的密閉性，可以有效排除空氣中氧氣的干擾，在注射器筒內制備得到較純凈的一氧化氮，并以此開展氮氧化合物性質與轉化探究實驗。

銅與稀硝酸反應的主要化學方程式為：

3Cu+8HNO3（稀）3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

一氧化氮與氧氣反應為：

2NO+O22NO2

二氧化氮與四氧化二氮轉化的可逆反應為：

2NO2N2O4

二氧化氮與水反應為：

3NO2+H2O2HNO3+NO

2.2.2? 實驗藥品及儀器

稀硝酸（體積比1∶3）、銅片、NaOH溶液、50mL注射器（1支）、100mL燒杯（2只）、橡膠塞

2.2.3? 實驗步驟

步驟一：銅與稀硝酸反應

將注射器活塞拔下，向注射器筒中放入一片銅片后重新塞入活塞并推入底部，隨后吸入20mL稀硝酸并排盡注射器中的空氣，最后將針頭插入橡膠塞密封（見圖3A）。為達到最佳密封效果可將注射器倒放在500mL大燒杯內靜止放置。本文對稀硝酸濃度進行探索后發現體積比為1∶3的稀硝酸與銅反應速率最快且無二氧化氮生成。反應過程中，可明顯觀察到銅片周圍產生大量氣泡，約20分鐘后即可觀察到注射器中收集到約10mL的無色一氧化氮，溶液顏色由無色變為藍色（見圖3B）。

步驟二：一氧化氮的收集

步驟一反應20分鐘后，將反應后的溶液注入氫氧化鈉溶液中，隨后用橡膠塞密封注射器，這樣便收集到了約10mL的一氧化氮（見圖3C）。

步驟三：一氧化氮與氧氣反應的演示實驗

將圖3C中的注射器密封橡膠塞拔下，隨后拉動活塞吸入約3倍體積空氣，并引導學生觀察氣體顏色的變化。當空氣進入注射器瞬間，無色一氧化氮與空氣迅速反應轉變為紅棕色的二氧化氮（見圖3D）。吸入空氣操作完成后，再次用橡膠塞密封。

步驟四：壓強對二氧化氮與四氧化二氮可逆轉化的影響演示實驗

將圖3D中的注射器，水平放置拿在手中，面向學生。隨后迅速推動活塞擠壓二氧化氮，可觀察到氣體紅棕色瞬間加深，稍后顏色變淺。

步驟五：二氧化氮與水反應的演示實驗

將圖3D中的注射器橡膠塞拔下，吸入約10mL蒸餾水后用橡膠塞密封并充分振蕩，引導學生觀察現象。為驗證二氧化氮與水反應有一氧化氮生成，將注射器橡膠塞拔下吸入一定量空氣，可看到部分無色氣體轉變為紅棕色氣體。通過控制空氣的吸入量，可將一氧化氮完全轉化。

步驟六：尾氣及廢液處理

對于步驟四、五中注射器內的二氧化氮或硝酸溶液可通過吸入氫氧化鈉溶液處理。

2.2.4? 實驗注意事項

步驟一中，應將銅片裁剪為較注射器筒身直徑稍小的片狀，方便銅片能平鋪在注射器筒身內。由于銅與稀硝酸反應速率較慢，為節約課堂教學等待的時間，教師可在課前準備好反應一段時間后的裝置進行展示。

3? 總結

3.1? 氯氣的性質實驗

氯氣制取的實驗裝置簡易，材料易得，尤其適合少量氯氣的制備。此外，首次提出用膠頭滴管代替傳統干燥管獲得干燥氯氣，且密閉效果好，非常適合小劑量干燥。

3.2? 銅與稀硝酸反應及氮氧化合物性質與轉化實驗

利用注射器密封隔絕空氣，有效避免空氣對觀察一氧化氮生成的干擾，為教師獲取一針筒的一氧化氮或二氧化氮提供可行方案。整個演示過程在密閉的注射器內完成，達到廢氣零排放，有利于開展學生分組實驗。

3.3? 注射器用于改進實驗的利弊

由于注射器良好的氣密性和操作上的便利性，在實驗改進方面具有其獨特的優勢（例如在封閉教室環境中進行有害氣體性質實驗、反應裝置微型化、定量加入反應溶液等）常在實驗改進中看到注射器的身影。然而，針頭的使用也具有一定的危險性，限制了其在課堂教學中的使用。常見的方法是用注射器配合橡膠管利用止水夾進行密封，這樣可以避免針頭的使用。但在材料的準備上卻帶來了困難，一般很難在市面上購買到和注射器配套的橡膠管。本實驗改進中采用僅換注射器不換針頭的方法是可取的，另外通過提前將針頭扎穿或扎入橡膠塞來減少教學過程中裸露針頭和扎針操作，可以有效提升注射器使用的工作效率和安全性。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］王晶主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊（第一版）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 41～44.

［3］李興， 齊俊林. 次氯酸漂白作用實驗的新設計［J］. 化學教學， 2018， （5）： 62～80.

［4］袁君亞. 次氯酸漂白作用實驗的新設計［J］. 化學教學， 2020， （5）： 65～72.

［5］陳佳音， 馮高峰， 司二偉， 閻潤鴻. 固液加熱制取氣體及其性質實驗裝置的改進［J］. 化學教學， 2023， （9）： 74～76.

［6］馬娟娟， 吳有萍， 余新紅. 基于綠色化學理念的微型實驗設計——以氯水制備為例［J］. 中國現代教育裝備， 2022， （10）： 46～47.

［7］王晶主編. 普通高中教科書·化學必修第二冊（第一版）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 11～15.