“雙注射器組合裝置”的制作與應(yīng)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(gè)注射器的功能，又使儀器組合達(dá)到1+1>2的效果。介紹“雙注射器組合裝置”的構(gòu)成和制作，應(yīng)用于銅和硝酸反應(yīng)的系列實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置不僅能反復(fù)使用，操作簡(jiǎn)便，而且能應(yīng)用于常溫下塊狀固體與液體的反應(yīng)，演示封閉環(huán)境中的液體化學(xué)反應(yīng)也十分有效。

關(guān)鍵詞： 雙注射器; 組合裝置; 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和制作; 銅與硝酸反應(yīng)

文章編號(hào)： 1005-6629（2020）11-0069-03

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

塑料注射器透明度高，材質(zhì)性能穩(wěn)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(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)化學(xué)儀器，因而塑料注射器已成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新必不可少的替代品。

最近，我們基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)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(yīng)等多個(gè)常溫下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并取得了顯著的實(shí)驗(yàn)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(jiàn)圖1-A），10mL塑料注射器（見(jiàn)圖1-B），橡膠帽（在橡膠塞小頭處挖一個(gè)半深的凹槽，見(jiàn)圖3），強(qiáng)力膠水，膠帶等。

1.2? 制作過(guò)程

該實(shí)驗(yàn)裝置的制作（如圖2所示）并不復(fù)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(guò)這種內(nèi)外組合，形成比較固定的實(shí)驗(yàn)裝置。具體制作流程如下。

（1） 準(zhǔn)備一個(gè)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(gè)直徑約3mm的細(xì)孔（見(jiàn)圖2-A）。

（2） 準(zhǔn)備一個(gè)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(jiàn)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(jiàn)圖2-C）。

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

1.3? 裝置構(gòu)成

雙注射器組合裝置的構(gòu)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(yīng)物，并作為常溫下的反應(yīng)容器。

（2） 1mL注射器的主要作用是承載固體反應(yīng)物，并控制固體反應(yīng)物的升降。

（3） 橡膠帽的作用是使反應(yīng)容器封閉或開(kāi)啟。

（4） 上述實(shí)驗(yàn)用品按圖3組合起來(lái)，就可以使反應(yīng)隨時(shí)發(fā)生或停止。

2? 裝置應(yīng)用

下面以銅分別與稀、濃硝酸反應(yīng)及NO、 NO2性質(zhì)的系列實(shí)驗(yàn)為例，介紹該裝置的使用方法。

2.1? 銅與稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(duì)準(zhǔn)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(jiàn)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(guò)1mL注射器的芯桿按下銅絲，使銅絲穿過(guò)活塞浸入稀硝酸中，兩者立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（見(jiàn)圖5），觀察到銅絲表面產(chǎn)生無(wú)色氣體，10mL注射器的活塞緩慢上移，溶液逐漸變?yōu)樗{(lán)色[2]，有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是3Cu+8HNO33Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O。待反應(yīng)放出約5mL無(wú)色氣體后，將銅絲拉回1mL注射器的錐形針筒里，反應(yīng)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(nèi)無(wú)色氣體立即變?yōu)榧t棕色，說(shuō)明一氧化氮?dú)怏w極不穩(wěn)定，易被空氣氧化為二氧化氮?dú)怏w，有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是2NO+O22NO2。

（6） 使注射器吸入口向下（此時(shí)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?dú)怏w的尾氣[3]，見(jiàn)圖6），緩緩下推活塞，先排出針筒里的實(shí)驗(yàn)廢液（用小燒杯接收）。繼續(xù)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(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O。

（7） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，回收實(shí)驗(yàn)廢液（處理后可再利用）。

2.2? 銅與濃硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(guò)1mL注射器的芯桿，將銅絲按下來(lái)，使金屬銅與濃硝酸接觸，兩者立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng);觀察到銅絲表面快速產(chǎn)生紅棕色氣體，10mL注射器的活塞緩緩上移，溶液逐漸呈現(xiàn)綠色，有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是Cu+4HNO3Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O。待反應(yīng)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(yīng)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(shí)針筒里下層是硝酸和硝酸銅的混合液、上層是二氧化氮?dú)怏w），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?dú)怏w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(shí)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(wú)色，這說(shuō)明二氧化氮溶于水發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了無(wú)色氣體，有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是3NO2+H2O2HNO3+NO;最終，整個(gè)針筒里混合物（主要是硝酸溶液和一氧化氮?dú)怏w）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(nèi)殘留的一氧化氮?dú)怏w變?yōu)槟鼙粴溲趸c溶液直接吸收的二氧化氮?dú)怏w），觀察到無(wú)色氣體很快變?yōu)榧t棕色氣體。

（6） 將注射器吸入口向下（此時(shí)針筒里下層是硝酸溶液、上層是含有二氧化氮?dú)怏w的尾氣），緩緩下推活塞，先將針筒內(nèi)的硝酸溶液排出（用小燒杯接收）。繼續(xù)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(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，回收實(shí)驗(yàn)廢液（處理后再利用）。

3? 裝置優(yōu)點(diǎn)

（1） 上述實(shí)驗(yàn)裝置還可以用來(lái)演示制取氫氧化亞鐵的實(shí)驗(yàn);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(xì)銅絲上），該裝置就可以用來(lái)制取氫氣、二氧化碳?xì)怏w、硫化氫氣體等。并且這些化學(xué)反應(yīng)可以隨時(shí)發(fā)生和停止，有利于多個(gè)班級(jí)的連續(xù)授課，因此提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效益。

（2） 上述實(shí)驗(yàn)裝置用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其操作非常簡(jiǎn)單，就是通過(guò)推拉注射器芯桿使反應(yīng)發(fā)生或停止，因此有利于教師開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，尤其適用于教學(xué)裝備條件相對(duì)落后的學(xué)?；虻貐^(qū)。

（3） 上述實(shí)驗(yàn)裝置屬于整體固定的實(shí)驗(yàn)儀器，由于是塑料材質(zhì)，不易損壞，可以反復(fù)使用，因此節(jié)約了裝備資源、降低了實(shí)驗(yàn)成本。

（4） 該實(shí)驗(yàn)裝置可以全程封閉，實(shí)現(xiàn)了有害氣體的零排放。注射器針筒便于制造無(wú)氧環(huán)境，有利于防氧化實(shí)驗(yàn)（制取一氧化氮?dú)怏w、氫氧化亞鐵等）的順利進(jìn)行[5]。

總之，“雙注射器組合裝置”適用面較為廣泛，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果明顯，既能用于教師的演示實(shí)驗(yàn)，也方便學(xué)生動(dòng)手操作，開(kāi)展一系列實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，因此是優(yōu)良且實(shí)用的化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備資源。

參考文獻(xiàn)：

[1]張玉勇. 銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)三例[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2017， （7～8）： 78～79.

[2]吳正帥， 郝海龍. 銅與硝酸反應(yīng)及NOx性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備， 2018， （3）： 34～35.

[3]趙立勝， 李德前. 銅與濃、 稀硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備， 2017， （24）： 47～48.

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

[5]伍強(qiáng)， 方瑞光. 銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （6）： 60～63.