利用氣球設計多用途實驗裝置

朱玉林

摘要：利用氣球等生活中常見材料，設計具有“產(chǎn)氣、儲氣、排氣”用途的一體化實驗裝置，適合應用于制作簡易供氧器、簡易滅火器、空氣質(zhì)量檢測站等初中化學實踐活動。新設計的實驗裝置結構簡潔但功能多樣，與常規(guī)裝置相比具有不易漏氣、占用空間小、操作簡便等優(yōu)點。

關鍵詞：氣球；一體化實驗裝置；實驗探究

文章編號：10056629（2023）06007204中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

新版義務教育課程方案以立德樹人、素養(yǎng)立意為指導，要求“在學科教學中設立跨學科主題學習活動，加強學科間相互關聯(lián)，帶動課程綜合化實施，強化實踐性”?！读x務教育化學課程標準（2022年版）》明確提出了實施跨學科實踐活動的要求^［1］，并提供了“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”和“微型空氣質(zhì)量‘檢測站的組裝與使用”等10個推薦項目。

在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，學生動手完成這些跨學科實踐的實驗存在一定困難。尤其是涉及氣體的實驗，有的學生照搬實驗室裝置的設計，不考慮是否適合家用，脫離了生活情境；有的設計理念尚可，但很難從生活中找到實現(xiàn)所需功能的材料；還有的雖然嘗試采用生活中常見材料制作作品，但極容易出現(xiàn)漏氣的情況，導致實驗失敗。

本文利用氣球等生活中常見材料，設計制作了一款能夠實現(xiàn)“產(chǎn)氣、儲氣、排氣”的多功能裝置。該裝置可用于完成新課標中的“簡易供氧器”和“空氣質(zhì)量檢測站”跨學科實踐活動，還可用于“簡易滅火器”等其他經(jīng)典的化學基礎實驗。

1 裝置的設計

如圖1所示，該裝置的主體是一個橡膠材質(zhì)的透明氣球，利用擴口鉗可以將氣球口撐大，放入反應物。粉末、顆粒等固體反應物直接放入，液體反應物封在自封袋內(nèi)后放入。然后撤去擴口鉗，連接一個氣球吹嘴（如有內(nèi)置閥門可用剪刀去除），氣球吹嘴中內(nèi)置導管，氣球吹嘴和導管之間用堵漏王密封，軟質(zhì)的導管上帶有一個止水夾。堵漏王是一種類似水泥但可在3min內(nèi)快速凝固的防水材料。

2 實驗裝置

當裝置處于未啟用的狀態(tài)時，氣球是癟的，占用空間很小，而且可以長期存放。啟用后，根據(jù)需要，可以用于“產(chǎn)氣、儲氣或排氣”。

2.1 產(chǎn)氣

需要生產(chǎn)氣體時，只需要用手捏破自封袋，讓袋內(nèi)的液體流出，反應物混合后充分接觸，就能生成所需氣體。如表1所示，根據(jù)需要生產(chǎn)的氣體不同，僅需在氣球內(nèi)放入不同的反應物。

2.2 儲氣

氣球還可以充當儲氣裝置，因為氣球口部的導管裝有止水夾，關閉時，生成的氣體就無法排出。隨著氣體的生成，氣球逐漸變大。反應結束后，只要不打開止水夾，氣體就可以被長時間地儲存在氣球內(nèi)。

2.3 排氣

氣球自身具有收縮力，所以還有自動排氣的功能。使用時，只要打開氣球口部的止水夾，就能讓氣體排出，通過導管輸送到指定部位。還可以把止水夾換成流速調(diào)節(jié)器，就能以需要的流速排氣。在特殊情況下（如自制滅火器時）還可以刺破氣球，瞬間排氣。

3 裝置的應用案例

該裝置具有一體化、多功能的特點，將其應用于“制作簡易供氧器”“制作簡易滅火器”和“制作空氣質(zhì)量檢測站”三個實踐活動的案例如下。

3.1 制作簡易供氧器

3.1.1 實驗用品

10%～20% H₂O₂溶液、MnO₂粉末；乳膠氣球、擴口鉗、自封袋、氣球吹嘴、堵漏王、鼻氧管、流速調(diào)節(jié)器、磁鐵

3.1.2 實驗裝置

設計的實驗裝置如圖2所示。無需夾持裝置，使用時手持即可。

3.1.3 制作方法

（1） 把3 g MnO₂粉末與10 g堵漏王混合均勻，加少量水攪拌成糊狀，然后用其包裹一塊磁鐵，搓成小塊。等待3min凝固后就形成了表面負載MnO₂、內(nèi)部包裹磁鐵的堵漏王小球。如果不需要隨時關停，可以省略這一步。

（2） 在自封袋中裝入30mL 10%～20% H₂O₂溶液。用擴口鉗將氣球口撐開，向氣球中放入自封袋和堵漏王小球或二氧化錳粉末。

（3） 在鼻氧管上套一個流速調(diào)節(jié)器。把鼻氧管的一端插入氣球吹嘴中，用堵漏王把兩者結合、密封。把氣球吹嘴套在氣球口，關閉流速調(diào)節(jié)器。

（4） 制氧氣時，捏破自封袋，使H₂O₂溶液從自封袋口流出，與堵漏王小球表面的MnO₂接觸并產(chǎn)生氧氣。待到制得足夠氧氣或氣球漲大過快需要停止反應時，用另一塊磁鐵吸引堵漏王小球內(nèi)的磁鐵，使堵漏王小球脫離H₂O₂液面，反應停止。

（5） 需要吸氧時，打開流速調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)排出氧氣的流速到合適大小，通過鼻氧管吸氧。

（6） 氧氣不足時，重新用磁鐵把堵漏王小球吸引到H₂O₂液面下，又可以重新制取氧氣，隨時啟用或停止。

3.1.4 裝置優(yōu)點

（1） 常規(guī)的供氧器一般用碳酸飲料瓶等硬殼容器來制作，但這樣就需要產(chǎn)氣（氧氣發(fā)生裝置）、儲氣（儲存氧氣裝置）、排氣（把氧氣導入鼻腔的動力裝置）三部分裝置，至少需要2～3個硬殼容器，裝置復雜，且占用很大空間。本裝置在使用前只是一個癟的氣球，占用空間極小，便于攜帶。使用時用氣球實現(xiàn)產(chǎn)氣、儲氣、排氣一體化，不僅操作簡單，還避免了多次導氣帶來的漏氣問題。

（2） 采用表面負載MnO₂、內(nèi)部包裹磁鐵的堵漏王小球，用外部磁鐵控制該小球是否與H₂O₂溶液接觸，實現(xiàn)了低成本的隨開隨用，非常方便。

3.2 制作簡易滅火器

3.2.1 實驗用品

30%白醋、NaHCO₃粉末、純凈水；8英寸乳膠氣球、擴口鉗、自封袋、氣球吹嘴、堵漏王

3.2.2 實驗裝置

設計的實驗裝置如圖3所示。無需夾持裝置，使用時手持即可。

3.2.3 制作方法

（1） 如圖3，在一個自封袋中裝入30mL 30%白醋，另一個自封袋中裝入20g純凈水和10g NaHCO₃粉末。

（2） 用擴口鉗將氣球口撐開，向氣球中放入2個自封袋。

（3） 用堵漏王把氣球吹嘴填實，把氣球吹嘴套在氣球口，充當塞子。

（4） 需要制取二氧化碳時，捏破2個自封袋，使白醋與碳酸氫鈉溶液接觸，迅速發(fā)生反應，使氣球迅速撐大。

（5） 需要滅火時，先判斷火勢大小，如果是小面積、可接近的火源，可把實心吹嘴拔出，用氣球口對準火源根部噴氣。如果是小面積但不易靠近的火源，可以直接把氣球投擲到火源根部，氣球遇熱爆炸，二氧化碳氣流和溶液都能起到滅火的作用。教師應提醒學生此實驗以模擬體驗為主，因為本裝置只能撲滅可控狀態(tài)下的小面積火源，遇到緊急情況仍然應該使用專業(yè)滅火器或撤離現(xiàn)場。

3.2.4 裝置優(yōu)點

（1） 常規(guī)的自制滅火器裝置大多借鑒了“套管實驗”裝置，能夠很快地使2種溶液混合，但平時也存在誤觸混合、水分蒸發(fā)等問題，不易長期保存。本裝置把2種溶液分裝在自封袋內(nèi)，在同樣能保證立刻生成二氧化碳的前提下，還具有不易誤觸、免產(chǎn)氣保存的優(yōu)勢。

（2） 本裝置巧妙地利用了氣球的兩種特性：一是收縮性，使本裝置可以像常規(guī)的“套管實驗”裝置那樣噴射二氧化碳；二是易爆性，如果直接投擲到火源中，可以用爆炸產(chǎn)生的氣流滅火。這樣豐富了裝置的功能性。

3.3 制作空氣檢測站

3.3.1 實驗用品

空氣質(zhì)量檢測指示劑：本文以甲醛檢測為例，可以網(wǎng)購“甲醛檢測試劑盒”，內(nèi)含現(xiàn)成的“甲醛檢測液”和“標準比色卡”。也可以按GB/T 18204.262000提供的步驟，用酚試劑和硫酸鐵銨的配方自制，然后從網(wǎng)絡中下載標準比色卡圖片。國標建議每5mL檢測液需要吸收10L空氣中的甲醛。

其他實驗用品為：10L透明氣球（約10英寸）、注射器、氣球吹嘴、導管、堵漏王、打氣筒、止水夾

3.3.2 實驗裝置

設計的實驗裝置見圖4所示。需用木架夾持氣球吹嘴處。

3.3.3 制作方法

（1） 把透明氣球的氣球口朝上，用注射器加入5mL甲醛檢測液。

（2） 把導管的一端插入氣球吹嘴中，用堵漏王把兩者結合、密封。把氣球吹嘴套在氣球口，然后把氣球倒置（氣球口朝下）。

（3） 用打氣筒把周圍空氣鼓入氣球中，使氣體與甲醛檢測液充分接觸，同時氣球變大。

（4） 當氣球變大到10L后，停止鼓入空氣，用止水夾夾住導管（也可以直接用手捏緊氣球口），然后用力晃動氣球內(nèi)的溶液，再次確?？諝馀c溶液混合均勻。

（5） 把變色后的甲醛檢測液與標準比色卡比對，測出空氣中的甲醛含量。

3.3.4 裝置優(yōu)點

（1） 空氣質(zhì)量檢測準確的關鍵，在于樣品空氣與指示劑溶液的充分混合。本裝置一方面在注入空氣時，氣體流過液體（類似洗氣），另一方面可以通過用力振蕩，進一步讓空氣與指示劑充分混合，提高準確性。

（2） 常規(guī)的方法是把指示劑溶液放在小碟中與空氣接觸，但容易受到氣流速度等諸多因素干擾。本實驗可以通過測量氣球直徑來控制注入空氣的量，確保每次測定的空氣的量是恒定的。

（3） 采用透明氣球，可以直接觀察指示劑顏色的變化，直觀且方便。

初中化學實驗進行創(chuàng)新改進的目的就是化繁為簡，突出實驗的簡約性和實用性^［2］。本裝置“一球多用”，雖簡潔卻方便，充分說明“簡約不簡單”的哲理^［3］。

4 結束語

在實踐中發(fā)現(xiàn)，這種簡潔的裝置由于省去了許多連接導管和夾持裝置，避免了漏氣或粘合松開的問題，提高了成功率。一線化學教師在實驗教學中，還可對這個氣球裝置做更多的改進和創(chuàng)新，使它應用到更多的實驗和跨學科實踐活動中，助力學生順利完成更多的科學探究活動，進而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實踐能力。

參考文獻：

［1］占小紅. 《義務教育化學課程標準（2022年版）》的變化、特征及啟示［J］. 化學教學，2022，（8）： 9～13.

［2］李德前. 例談初中化學實驗創(chuàng)新的思維方法［J］. 化學教學，2013，（3）： 65～68.

［3］劉瑤，李德前，李為為. 巧用直角玻璃管改進初中化學實驗［J］. 化學教學，2019，（4）： 77～79.