注射器在初中三大氣體實驗中的妙用

摘 要：利用醫用注射器設計出一套簡易裝置，該裝置可用于初中三大氣體的制備、收集和常見性質的探究.該實驗操作簡便，現象變化快且明顯，增強了學生的實驗直觀性，有助于學生對化學性質的理解，提高科學研究的思維，發展“科學探究與實踐”的核心素養.

關鍵詞：注射器；創新設計；氣體制備

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2024）32-0118-03

收稿日期：2024-08-15

作者簡介：鄧智英（1985.11—），女，湖南省衡陽市人，碩士，從事初中化學教學研究.

氧氣、二氧化碳和氫氣是初中化學的三大重要氣體.在人教版教材第2章第3節中探究了氧化氫溶液制氧氣的簡易實驗，第6章課題3《二氧化碳的實驗室制取》中探究了二氧化碳的制取裝置，且提倡自制儀器來設計實驗裝置.在第7章中提供了實驗室制氫氣的簡易裝置.《義務教育階段化學課程標準（2022年版）》明確把“科學探究與實踐”作為化學核心素養之一^[1].教師在實際教學中應敢于創新，引導學生動手動腦參與實驗設計和操作，有利于學生學科思維的養成.注射器在化學實驗教學中的用處很多^[2]，筆者采用注射器作為液體添加裝置和氣體收集裝置的一體化，實現了三大氣體的制取和性質驗證，成功率高，操作簡便，現象明顯，既可用于實驗室中的學生實驗，也可用于學生自制小實驗.

1 O₂的制取和性質的探究實驗設計

1.1 設計思路

利用注射器加入雙氧水，反應產生的氣體收集到注射器中.注射器可以方便讀取雙氧水的體積，排完液體后，產生的氣體會進入注射器中，可簡單、清晰讀取收集的氧氣的體積.該裝置可實現液體添加和氣體收集的一體化，操作簡便，方便學生動手實踐.同時氧氣收集在注射器中便于進行氧氣性質的驗證.如圖1、圖2所示.

1.2 步驟和現象

在試管中加少量二氧化錳，利用注射器將過氧化氫快速注入，待30秒左右塞上橡皮塞，產生的氧氣會進入注射器中推動活塞移動，注意控制針管拔出的速度.將收集的氧氣通過針管直接噴向帶火星的小木條，觀察到明顯的木條復燃的現象.

1.3 設計的優點

儀器簡單、操作簡便，注射器既可以作為液體添加裝置，也可以定量收集氧氣.在人教版第2章課題2中驗證氧氣可以使帶火星的木條復燃實驗中，教師一般用排水法收集氧氣，在集氣瓶中進行驗證，操作上比較麻煩.筆者用該裝置做課堂演示，如圖3所示，直觀且方便，時效性提高了很多.

2 CO₂的制取和性質的探究實驗設計

2.1 設計思路

大理石放入試管中，注射器加入稀鹽酸.產生的二氧化碳氣體在氣壓作用下推動進入注射器，利用該裝置可收集一定量體積的二氧化碳氣體.將收集到的二氧化碳氣體儲存在注射器中，用于進行CO₂的檢驗和性質探究，如圖4所示.將注射器中的氣體注入澄清石灰水中可驗證該氣體為CO₂，如圖5所示.將注射器中的氣體分別通過干燥的蘸有紫色石蕊棉花團和濕潤的紫色石蕊棉花團，可看到不同的變色現象，從而驗證CO₂與水反應，如圖6所示.將裝有CO₂的注射器吸入少量的氫氧化鈉溶液后松手，觀察液體逐漸上升，可證明CO₂氣體能被氫氧化鈉溶液吸收，證明CO₂可與氫氧化鈉溶液反應，如圖7所示.

2.2 步驟和現象

在試管中先加入一定量的大理石，通過注射器加入定量的稀鹽酸，等1 min后塞上橡皮塞，產生的二氧化碳氣體進入注射器中推動注射器移動.

2.2.1 制取并收集CO₂

通過大理石和稀鹽酸反應產生的二氧化碳氣體推動注射器移動，將氣體收集在注射器中，如圖8所示.

2.2.2 驗證該氣體為CO₂

將收集到的氣體注入澄清石灰水中，觀察到明顯的渾濁現象，如圖9所示.

2.2.3 驗證CO₂與水反應

另將氣體分別通入濕潤的蘸有紫色石蕊試劑的紙花和干燥的蘸有紫色石蕊試劑的紙花，對比實驗現象，發現濕潤的紫花變紅色，如圖10所示.

2.2.4 驗證CO₂與氫氧化鈉溶液反應

將裝有CO₂氣體的注射器往外拉，吸取少量氫氧化鈉濃溶液后松手，觀察到液面逐漸上升至全部占滿注射器原氣體空間.通過這個實驗可以證明CO₂與氫氧化鈉溶液反應，如圖11所示.

2.3 設計的優點

人教版第6章課題3中關于CO₂相關性質的探究實驗中，對CO₂的量需求較高，如教材實驗6-5中探究CO₂和水反應的實驗中，需要準備至少3瓶的CO₂氣體.對于要進行多個班級演示實驗的教師來說，需要作較多的準備工作，且集氣瓶稍不注意就會漏氣而使得實驗現象不明顯.本實驗設計中將CO₂收集在注射器中，不擔心氣體的泄漏，且對氣體的用量較少.實驗表明，向5 mL的澄清石灰水中加入2 mL左右CO₂氣體就可以看到明顯現象；通入6 mL的CO₂氣體就可以看到濕潤的紫色石蕊溶液變紅的現象.

關于CO₂與氫氧化鈉溶液的反應出現在九年級下冊第10章中，由于沒有圖片和實驗作支撐，即使發生反應，實驗現象也不能直接觀察到，往往成為學生理解該反應的困惑.即使設計的實驗理論上可以驗證NaOH和CO₂的反應，但裝置的復雜性等問題，并不適合學生動手和教師演示^[3].本套實驗裝置中，只需要幾個小試管和少量的實驗藥品，就能將CO₂的制取和性質探究完成，實驗現象直觀且時效性強，實驗準備工作量較少.

3 H₂的制取和性質的探究實驗設計

3.1 設計思路

注射器可以靈活移動，能定量定速吸入稀硫酸.再利用產生的氣體氣壓推動注射器移動，實現儲氣的功能.用這種方法收集的氫氣純凈，有利于進行氫氣的密度驗證和氫氣可燃性實驗.

3.2 步驟和現象

以下是具體的實驗步驟，其設計圖如圖12所示.

（1）拉開注射器活塞，加入少量的鋅粒;將活塞推入注射器頂端，趕走空氣;將針頭伸入稀硫酸中，吸取一定量的稀硫酸（1 ml足夠）;

（2）松手，產生的氫氣推動注射器移動，將氫氣儲存在注射器中用于氫氣性質實驗;

（3）將產生的氫氣通入肥皂水中，出現很多氫氣泡慢慢上升，證明氫氣的密度小;

（4）點燃氫氣泡，可以觀察到藍色火焰，現象明顯且危險性小.

3.3 設計的優點

耗材少，只需要一顆鋅粒和少量稀硫酸就可得到一注射器的純凈氫氣;以往氫氣的制取和點燃實驗存在一些安全隱患，有教師在點燃小試管中氫氣時出現試管炸裂的現象，本實驗中收集的氫氣純凈且量少，通過肥皂泡點燃，降低了實驗的風險;該微型實驗操作簡便，不僅適用于教師演示，也適合學生動手操作，提高了直觀性和實物教學的效率.

4 結束語

在以往的研究中，注射器常用來取代分液漏斗，或用于定量測定，比較少用于氣體的收集.本文實現了注射器發生和收集裝置的一體化，實驗證明該方法可行，現象明顯，操作靈活方便.通過本文中裝置的設計，實現了初中三大氣體的制取和主要性質的研究，不僅藥品用量省，而且實驗器材的需求少，可用于學生動手實驗.將初中三大氣體實驗串聯起來，在傳授知識的同時，實現了知識的靈活整合和實驗教學的整體設計.

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版） [M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 李德前，李為才.巧用1 mL注射器設計反應可控的實驗裝置[J].教學參考，2020（7）：99-101.

[3] 胡巢生.例談注射器在初中化學實驗中的使用[J].化學教學，2018（5）：65-67.

[責任編輯：季春陽]