例談注射器在化學(xué)實驗中的應(yīng)用

◇ 上海 孟 靜

注射器在高二化學(xué)(上科版)第十章第一節(jié)“1mol氣體體積的測定”中(圖1)，承擔(dān)了平衡裝置內(nèi)外氣壓、準(zhǔn)確測量反應(yīng)液體積的作用.讓學(xué)生體驗了注射器在化學(xué)實驗中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識的興趣和動力.通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，在該實驗中使用注射器能提高定量實驗的準(zhǔn)確性.注射器在其他實驗中也有廣泛的用途，例如，能夠使化學(xué)實驗更加綠色環(huán)保、準(zhǔn)確科學(xué)、安全簡便.

圖1 氣體摩爾體積測定裝置

1 用作化學(xué)反應(yīng)容器，使實驗過程更綠色

1.1 教材實驗描述

2008年上科版高中化學(xué)拓展課程第五章“探究硝酸的強氧化性”實驗中要求分析銅與濃硝酸反應(yīng)，但并沒有給出具體的實驗操作步驟和實驗裝置，屬于開放性實驗.

筆者查閱蘇教版《化學(xué)1》中“硝酸的性質(zhì)”一節(jié)中對于“驗證硝酸的性質(zhì)”實驗裝置如圖2.但在該實驗實施過程中，筆者發(fā)現(xiàn)整個實驗演示過程復(fù)雜、產(chǎn)物污染嚴(yán)重，不符合綠色化學(xué)的理念，給學(xué)生帶來“化學(xué)是一門危險的學(xué)科”的負(fù)面影響.而實驗教學(xué)不僅要讓學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程，還要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力.

圖2 銅片與硝酸反應(yīng)裝置

1.2 實驗設(shè)計分析與改進

基于以上思考，筆者查閱相關(guān)資料，利用注射器封閉性和可抽取液體的特點對此實驗進行改進，使該實驗試劑用量少、產(chǎn)物污染小，又能達到探究實驗的教學(xué)目的.具體操作：取1 支20 mL 注射器，去掉活塞，向其中加入1片銅片，然后將注射器活塞慢慢推進注射器內(nèi)，排凈注射器內(nèi)的空氣，再吸入1mL左右濃硝酸，立即用橡皮塞將針孔封閉，觀察現(xiàn)象.實驗結(jié)束后移走橡皮塞，吸入適量的氫氧化鈉溶液，必要時可重復(fù)多次，直至氣體完全吸收.

該實驗在封閉體系——注射器中進行，污染少，尾氣用注射器吸取氫氧化鈉處理，能有效改善實驗環(huán)境，符合綠色化學(xué)理念.在具體操作中建議濃硝酸和銅片的量盡量少——1 mL 濃硝酸和一小片銅，此時反應(yīng)現(xiàn)象明顯，利于學(xué)生觀察反應(yīng)的過程、產(chǎn)生氣體的顏色和生成溶液的顏色.若用量過多，會因產(chǎn)生NO2氣體的速率過快而使反應(yīng)難以控制，帶來不安全因素，達不到實驗改進的目的.

2 用作體積測量儀器，使實驗結(jié)果更準(zhǔn)確

2.1 教材實驗描述

“推測乙醇的分子結(jié)構(gòu)”是2007年上科版高二化學(xué)第十二章的“探究與實踐”實驗，課本要求用一定量乙醇與鈉完全反應(yīng)，測量放出氫氣的體積，由實驗數(shù)據(jù)分析推測乙醇的結(jié)構(gòu)簡式.本實驗是固體和液體反應(yīng)，實驗成功的關(guān)鍵是準(zhǔn)確測定氫氣的體積.

筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)，常見的固液反應(yīng)測量產(chǎn)生氣體體積的裝置如圖3 所示.但是，在實際操作中使用該實驗裝置存在著一些問題：滴加乙醇的量無法測量，排水量氣裝置很難做到在實驗前后儲液瓶和量筒內(nèi)液面都調(diào)節(jié)相平，因此會使實驗結(jié)果產(chǎn)生較大誤差.實驗數(shù)據(jù)誤差較大，會使定量實驗失去科學(xué)性、準(zhǔn)確性.而定量實驗的教學(xué)不僅要使學(xué)生形成化學(xué)概念，更要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、規(guī)范的操作要領(lǐng)、準(zhǔn)確的定量觀念，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

圖3 測定乙醇與鈉反應(yīng)生成氫氣體積的裝置

2.2 實驗設(shè)計分析與改進

相比之下，使用兩支注射器可以解決以上問題，筆者對固液反應(yīng)測量產(chǎn)生氣體體積的實驗裝置進行改進如圖4所示.反應(yīng)前裝置中氣體的壓強與外界大氣壓強相等，將上方注射器中一定量的乙醇緩慢加入燒杯中后，反應(yīng)開始進行，生成氫氣，將右側(cè)注射器的活塞外推，反應(yīng)結(jié)束后，待裝置冷卻至室溫，密閉體系的壓強仍然等于大氣壓強.最終生成氫氣的體積＝右側(cè)注射器中氣體的體積－注入乙醇的體積.

圖4 測定乙醇與鈉反應(yīng)生成氫氣體積的改進裝置

該改進裝置充分考慮了定量實驗對準(zhǔn)確性的要求，用注射器測量加入乙醇的體積，消除了滴加乙醇帶來的誤差，測量生成氫氣的體積，消除了壓強問題造成的體積誤差，使實驗數(shù)據(jù)更科學(xué)準(zhǔn)確.在具體操作中，建議滴加乙醇時不要過快，防止反應(yīng)迅速放出大量熱導(dǎo)致乙醇揮發(fā)造成誤差；乙醇與鈉反應(yīng)的產(chǎn)物乙醇鈉包裹在鈉表面，會影響反應(yīng)繼續(xù)進行，建議可在大試管中加入苯或二甲苯等能溶解乙醇鈉又不與乙醇和鈉反應(yīng)的物質(zhì).

3 用作溶液反應(yīng)裝置，使實驗現(xiàn)象更明顯

3.1 教材實驗描述

在2008年上科版化學(xué)拓展課程第六章中出現(xiàn)了硫酸亞鐵溶液與氫氧化鈉反應(yīng)的實驗：向試管中注入新制備的硫酸亞鐵溶液，用膠頭滴管吸取氫氧化鈉溶液，將滴管頭伸到硫酸亞鐵溶液內(nèi)部再注入氫氧化鈉溶液，觀察現(xiàn)象.該實驗對驗證氫氧化亞鐵的性質(zhì)有重要作用.但有些教師在具體教學(xué)過程中往往只是進行講解或觀看視頻.究其原因，主要是產(chǎn)物氫氧化亞鐵沉淀很容易被氧化，該實驗實施過程中要盡量隔絕氧氣，但在課堂實驗中做到這一點比較困難，所以實驗過程中常常觀察不到白色沉淀的產(chǎn)生.

3.2 實驗設(shè)計分析與改進

針對本實驗出現(xiàn)的問題，筆者查閱資料，設(shè)計了如圖5實驗改進裝置.取一支50 mL 注射器，取下活塞，向其中加入少許硫酸亞鐵粉末，吸入約10 mL 煮沸后密封冷卻的蒸餾水，振蕩使固體充分溶解.取少量氫氧化鈉固體于小試管中，加入煮沸后冷卻的蒸餾水使其溶解，再滴加少許植物油隔離外界空氣.將針頭插入氫氧化鈉溶液液面以下，慢慢抽取氫氧化鈉溶液與硫酸亞鐵溶液混合，可以看到注射器內(nèi)生成白色沉淀.白色沉淀生成之后用注射器吸取約10 mL 空氣，可觀察到白色沉淀變?yōu)榛揖G色，而且顏色不斷加深.最后推動注射器將一部分灰綠色物質(zhì)擠到濾紙上，3min左右就可以看到紅褐色物質(zhì)了.

圖5 硫酸亞鐵與氫氧化鈉反應(yīng)

該實驗利用注射器密封性好的特點，在實驗過程中能有效隔絕氧氣，同時實驗中利用注射器透明的特點，能明顯地觀察到實驗現(xiàn)象：兩溶液混合后有白色沉淀生成，再用注射器吸入空氣，可以看到白色沉淀變灰綠色及灰綠色逐漸加深的過程，體會氫氧化亞鐵被氧氣氧化的奇妙.最后用注射器取出一部分灰綠色物質(zhì)放到濾紙上，使沉淀與氧氣充分接觸，很快就可以看到紅褐色物質(zhì)，大大縮短了從灰綠色變紅褐色的時間.本實驗操作簡單易行，現(xiàn)象明顯，從配制藥品到進行實驗一氣呵成，給學(xué)生留下很深的印象.

在具體實驗操作中，建議選擇塑料注射器，防止玻璃注射器與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，導(dǎo)致活塞推拉不順暢.在吸取蒸餾水和氫氧化鈉溶液過程中速度不要過快，避免吸入空氣造成實驗失敗.

4 結(jié)語

當(dāng)然，注射器在化學(xué)實驗中的應(yīng)用不限于以上幾例.有些實驗中會使用或生成具有刺激性氣味或污染性的氣體，課堂演示存在一定困難和危險，此時利用注射器密閉性好和容積可變的特點，可以做到氣體不泄漏.有些定量實驗需要測量體積，這時可以利用注射器透明便于觀察和刻度準(zhǔn)確的特點，準(zhǔn)確讀取參加反應(yīng)的氣體或液體的體積.此外，注射器本身便宜易得，有各種規(guī)格，實驗操作簡便并節(jié)省試劑.注射器是一種常見的醫(yī)學(xué)儀器，只要我們在充分遵循實用性和真實性的前提下，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和興趣因素合理地將其應(yīng)用到化學(xué)實驗中，就可以產(chǎn)生意想不到的教學(xué)效果.