醫(yī)用“留置針原理”在化學(xué)實驗中的應(yīng)用

嚴(yán)春建

（如皋市教育局教研室江蘇南通226500）

醫(yī)用“留置針原理”在化學(xué)實驗中的應(yīng)用

嚴(yán)春建

（如皋市教育局教研室江蘇南通226500）

借鑒醫(yī)用靜脈留置針的原理，通過添加注射器、醫(yī)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(zhì)”“鐵的吸氧腐蝕”“溶解時的吸熱或放熱現(xiàn)象”“鐵絲在氧氣中燃燒”等實驗進行優(yōu)化設(shè)計，增加實驗的可視性、對比性、成功率，有利于學(xué)生理解問題、加深印象。

靜脈留置針；注射器；醫(yī)用氧氣袋；燃燒瓶

一、問題的提出

在初中化學(xué)日常教學(xué)中，我們經(jīng)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(dǎo)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(guān)系，學(xué)生往往是被動接受、半信半疑，很難真正認(rèn)可此結(jié)論。如何解釋才能明晰關(guān)系？才能讓學(xué)生認(rèn)可？才能讓學(xué)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(xué)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(xué)生缺少直觀的認(rèn)識。

如果在化學(xué)實驗時借鑒醫(yī)學(xué)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(yī)學(xué)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(dǎo)管和針芯，使用時將導(dǎo)管和針芯一起穿刺入血管內(nèi)，當(dāng)導(dǎo)管全部進入血管后，抽出針芯，僅將柔軟的導(dǎo)管留置在患者血管內(nèi)，從而可以進行多次輸液治療，其優(yōu)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(fā)，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(xiàn)隱形的思維推理過程，使抽象問題直觀化，更好地為學(xué)生釋疑解惑。改進后，學(xué)生能真正認(rèn)可“消耗氣體的體積＝進入水的體積”，具體的改進方法如下。

學(xué)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(dǎo)管中注滿水，集氣瓶（容量約為250mL）中底部留存一些水，關(guān)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(guān)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(guān)系并分析原因。

通過“步驟1”至“步驟6”的實驗，學(xué)生可發(fā)現(xiàn)“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(xué)生可發(fā)現(xiàn)“進入集氣瓶的水的體積為V2”；對比可發(fā)現(xiàn)“V1＝V2”。學(xué)生在動手實驗的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)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(rèn)識；在探尋現(xiàn)象背后原因的過程中，學(xué)生的認(rèn)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(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）要求學(xué)生能完成8個基礎(chǔ)的學(xué)生實驗，“氧氣的實驗室制取與性質(zhì)”實驗是其中之一。實驗過程中，明晰化學(xué)反應(yīng)原理、熟練運用基本的化學(xué)實驗技能、理解實驗操作要領(lǐng)背后的原因，對剛剛接觸化學(xué)的初三學(xué)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(lǐng)：導(dǎo)管口開始有氣泡放出時，不宜立即收集，當(dāng)氣泡連續(xù)并比較均勻地放出時，再把導(dǎo)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(xué)生“看到”空氣的運動？

為讓學(xué)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(dǎo)管中（提醒學(xué)生關(guān)注水槽中剛開始產(chǎn)生氣泡時二氧化氮氣體到達的位置）。

實驗過程中，學(xué)生觀察到的現(xiàn)象為“水槽中剛開始產(chǎn)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(dāng)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(rèn)識到：要收集純凈的氣體，導(dǎo)管口開始有氣泡時不能立即收集。

2.充當(dāng)“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(chǎn)生氣體的體積，通常采用的方法是將氣體的體積轉(zhuǎn)化為排出水的體積，排出水的體積等于反應(yīng)產(chǎn)生氣體的體積。但因為學(xué)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(guān)系呢？

為讓學(xué)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(shù)據(jù)分析。

實驗過程中，學(xué)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(xué)生可讀取“排出水的體積”，再通過數(shù)據(jù)對比可發(fā)現(xiàn)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(jié)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(dǎo)管裝水”，優(yōu)化實驗設(shè)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(xué)的第一個定量實驗，該實驗中，導(dǎo)致實驗產(chǎn)生誤差的原因是多方面的，可從實驗藥品（或?qū)嶒炘恚嶒炑b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?jǐn)?shù)，但是該實驗有利于學(xué)生理解拉瓦錫經(jīng)典實驗的原理，也是提高學(xué)生實驗誤差分析能力、培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范實驗意識的極佳范例。故進行教學(xué)時，有必要讓學(xué)生學(xué)會尋找實驗誤差產(chǎn)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(dǎo)管中含有空氣，會導(dǎo)致實驗結(jié)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(dǎo)管中充滿水，可防止因“燒杯中水倒流時，導(dǎo)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(jié)省“鐵的吸氧腐蝕”實驗的時間

在使用人教版高中化學(xué)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(xiàn)較為明顯的現(xiàn)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(dǎo)管伸入水中，都會使得體系內(nèi)壓強增大，導(dǎo)致試管內(nèi)液面高于導(dǎo)管內(nèi)液面；鐵釘發(fā)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(jié)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(dǎo)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(xiàn)象”實驗的可視性

物質(zhì)溶解于水時，常常會產(chǎn)生溫度的變化，有些物質(zhì)溶解時會產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，有些物質(zhì)則會產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象。為探究物質(zhì)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(shè)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(xiàn)吸熱現(xiàn)象；若右邊的液面高于左邊的液面，則說明溶解時出現(xiàn)放熱現(xiàn)象。但是，由于塞入橡皮塞時集氣瓶內(nèi)空氣被壓縮，使得右邊的液面高于左邊，會對后續(xù)實驗的分析產(chǎn)生不利影響，比如判斷是否出現(xiàn)放熱現(xiàn)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(jié)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(dāng)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(chǔ)上再進行后續(xù)實驗，并進行分析判斷。

圖9 溶解時的吸熱或放熱現(xiàn)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(yīng)用于化學(xué)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(yī)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(yī)用氧氣袋，改進后的實驗有利于提高人教版初中化學(xué)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(xué)重要的演示實驗，教師在演示時，成功率并不高，學(xué)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(xué)性質(zhì)，學(xué)生的主要學(xué)習(xí)活動是“觀察實驗——描述現(xiàn)象——回答問題”，主動參與實驗設(shè)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(xué)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(zhì)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(dǎo)學(xué)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(xiàn)象的差異與何種氣體有關(guān)？【問題②】結(jié)合生活經(jīng)驗及演示實驗，你認(rèn)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(dǎo)致“鐵絲無法燃燒”“燃燒時間較短”“燃燒不夠劇烈”等現(xiàn)象的發(fā)生，結(jié)合問題②的結(jié)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(xué)生獨立思考后能達成共識：現(xiàn)象的差異與氧氣有關(guān)；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(xué)生運用問題②的結(jié)論解決問題，要給予學(xué)生思考和交流的時間。實際教學(xué)過程中，較多的學(xué)生通過獨立思考能提供的思路是“增大氧氣濃度”，但不少學(xué)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(xué)生都能認(rèn)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(chǔ)上，教師展示如圖11（b）所示裝置，并要求學(xué)生按如下步驟進行實驗：取一根較長的細(xì)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?nèi)鯐r，按壓氧氣袋，持續(xù)通入氧氣，關(guān)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?nèi)酢?/p>

按照課本所示方式進行實驗時，學(xué)生一般會機械記憶實驗成功的關(guān)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(xué)原理。改進后的實驗，有利于學(xué)生突破思維定勢，更多地關(guān)注實驗操作背后的化學(xué)知識。改進后，學(xué)生觀察到鐵絲持續(xù)燃燒、火星四射，實驗的成功率可達100%，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、保持探究的欲望、樹立學(xué)好化學(xué)的信心。

需要補充說明的是，教材所設(shè)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(xiàn)象對比不同步，實驗的對比性略有欠缺。可使用圖11（b）所示裝置增加實驗的對比性，具體實驗步驟和現(xiàn)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(huán)境]，觀察到產(chǎn)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(fā)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?nèi)酢瓕嶒炦^程中可反復(fù)增大、減小氧氣的濃度，燃燒的劇烈程度隨之加劇、變?nèi)?，現(xiàn)象對比鮮明，給學(xué)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(xué)另一基礎(chǔ)學(xué)生實驗“實驗活動3燃燒的條件”，清華大學(xué)宋心琦教授指出：“所謂條件至少應(yīng)當(dāng)包括與燃燒現(xiàn)象的發(fā)生、控制和終止等有關(guān)的三個方面，才能夠算是一組比較完整的科學(xué)探究活動”［3］，而人教版教材上冊第七單元并未出現(xiàn)對燃燒現(xiàn)象進行控制的實驗設(shè)計，所以很有必要抓住這個教學(xué)契機。學(xué)生使用圖11（b）所示裝置進行實驗過程中，當(dāng)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(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)學(xué)會對“燃燒現(xiàn)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(xué)課程教材研究開發(fā)中心．義務(wù)教育教科書·化學(xué)（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(xué)課程教材研究開發(fā)中心．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)（選修4）［M］.北京：人民教育出版社，2004：85

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

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