化學(xué)實(shí)驗(yàn)中注射器的妙用

林祥 董文輝

摘要：中學(xué)化學(xué)的很多實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新，既探討了實(shí)驗(yàn)原理又提高了教師和學(xué)生的動(dòng)手能力。注射器、三通閥等對實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了很多幫助，在改進(jìn)和創(chuàng)新的過程中，也培養(yǎng)了學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：注射器;三通閥;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

文章編號：1008-0546（2022）03x-0076-05??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.019

注射器是常見的醫(yī)療用具，它的密閉性好、體積可變、材質(zhì)透明、便于觀察、操作簡單，所以常用在中學(xué)化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中[1-4]。筆者有幸參加了在浙江省寧波市舉辦的“全國第十三屆化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新研討會(huì)”，在大會(huì)匯編的126篇文章中有30篇文章介紹了注射器在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。比例之大，覆蓋的實(shí)驗(yàn)范圍之廣，讓我們從新的角度、新的平臺(tái)、新的應(yīng)用上重新認(rèn)識(shí)了注射器。

一、注射器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的用途分析

1.作為改進(jìn)型的分液漏斗或膠頭滴管

有13篇文章中，注射器起到了分液漏斗（膠頭滴管）的作用，占30篇文章的43.33%，如棗莊市教研室周傳昌老師等的“氧氣的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”（圖1），通過注射器向錐形瓶中注入過氧化氫溶液，然后加熱木炭，我們可以看到澄清石灰水變渾濁。如昆明第十四中學(xué)楊超瑞老師等的“二氧化硫制備及性質(zhì)檢驗(yàn)的微型化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”（圖2），通過注射器向Na₂SO₃固體中加入濃硫酸產(chǎn)生二氧化硫氣體，依次通過試劑C （紫色石蕊溶液）、D（酸性高鎰酸鉀溶液）、E（硫化鈉溶液）、F（品紅溶液），發(fā)現(xiàn)C中會(huì)變紅證明了二氧化硫溶液的酸性，D中褪色證明了二氧化硫的還原性，E中有淡黃色沉淀產(chǎn)生證明二氧化硫的氧化性，F(xiàn)中品紅褪色加熱又恢復(fù)原來的顏色從而證明二氧化硫漂白的可逆性。注射器代替分液漏斗，可隨時(shí)添加藥品，可控制氣體的生成速率。用注射器取液體、滴加液體都很方便，也可控制試劑用量和滴速，節(jié)省試劑。作為改進(jìn)型的分液漏斗或膠頭滴管的注射器，它的優(yōu)勢是確保滴加液體過程中液體能順利滴下，同時(shí)又能使密閉的容器保持恒壓。

2.用于反應(yīng)容器

有10篇文獻(xiàn)中，注射器起到了反應(yīng)容器的作用，占30篇文章的33.33%，如朝陽市蒙古族中學(xué)李文新老師的“氯氣制取及性質(zhì)的微型無害化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”（圖3），通過注射器A向反應(yīng)器中注滿氯化鈉和硫酸的混合溶液，接通電源，打開醫(yī)用三通，用注射器B和C來收集氣體，通過用注射器很好解決了實(shí)驗(yàn)室制取氯氣操作繁瑣和污染的問題。如湖南岳陽第一中學(xué)彭超老師的“銅與濃硝酸反應(yīng)的簡易裝置”（圖4），調(diào)節(jié)醫(yī)用三通閥，將注射器B₁中濃硝酸注入A中與銅反應(yīng)產(chǎn)生紅棕色氣體，取下B₁接下來將準(zhǔn)備好的注射器B₂中的水注入A中至紅棕色氣體變成無色，取下B₂然后將備好的注射器B₃中的空氣注入A中又產(chǎn)生紅棕色氣體，最后調(diào)節(jié)三通閥將注射器C中的氫氧化鈉溶液注入A中進(jìn)行尾氣處理。此套裝置做了銅與濃硝酸、二氧化氮與水、一氧化氮和氧氣的連續(xù)反應(yīng)。很好解決了“銅與硝酸反應(yīng)”傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足：污染環(huán)境、無法控制用量、無法控制反應(yīng)速率、不能一氣呵成等。

3.用于抽送氣體

有10篇文獻(xiàn)中的注射器起到抽送氣體的作用，占30篇文獻(xiàn)的33.33%，如溫州市第一高級中學(xué)伍強(qiáng)老師的“銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)”（圖5），實(shí)驗(yàn)中關(guān)閉K₂打開K₁抽拉注射器活塞將濃硝酸吸入干燥管中與銅反應(yīng)產(chǎn)生紅棕色二氧化氮?dú)怏w，關(guān)閉K₁打開K₂抽拉注射器吸水，再打開K₁關(guān)閉K₂將注射器中水注入干燥管，與二氧化氮反應(yīng)生成一氧化氮?dú)怏w。通過注射器向裝置中注入空氣排出氮氧化物，將粗銅絲換成細(xì)銅絲，關(guān)閉K₂打開K₁抽拉注射器將稀硝酸吸入干燥管中與細(xì)銅絲反應(yīng)產(chǎn)生無色一氧化氮?dú)怏w，拉注射器將一氧化氮吸入注射器中，再吸入空氣生成紅棕色二氧化氮，此實(shí)驗(yàn)連續(xù)做了銅與濃硝酸、銅與稀硝酸、二氧化氮與水，一氧化氮與氧氣的一系列反應(yīng)，效果非常的明顯。如麗水市麗水中學(xué)羅穎等老師的“鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新”（圖6），在U型管中注入含酚酞溶液的飽和氯化鈉溶液，接通電源，然后向鐵電極附近加入鐵氰化鉀試劑，我們可以看到鐵電極附近出現(xiàn)普魯士藍(lán)沉淀，石墨電極附近出現(xiàn)紅色，用注射器向石墨電極通入氧氣，斷開電源接通顯示器，通過顯示器數(shù)據(jù)變化來探究氧氣濃度對金屬吸氧腐蝕的影響，效果明顯，操作簡單，宏微結(jié)合，有助于學(xué)生對鐵吸氧腐蝕原理的理解。

4.改變裝置內(nèi)壓強(qiáng)

如北京市第十一中學(xué)朱琳等老師的“酸的揮發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”（圖7），關(guān)閉K₂，打開K₁，拉注射器A，觀察到甲中無現(xiàn)象，乙中冒氣泡。關(guān)閉K₁，打開K₂，拉注射器B，觀察到乙中冒氣泡，丙中上方有大量白煙。將K₁、K₂同時(shí)打開靜置兩小時(shí)觀察甲乙丙中的變化，我們發(fā)現(xiàn)丙中有少量白煙，甲乙均無明顯變化。本實(shí)驗(yàn)通過拉動(dòng)注射器的活塞來改變裝置內(nèi)的壓強(qiáng)，形成壓強(qiáng)差從而達(dá)到快速反應(yīng)的目的，同時(shí)氨氣、氯化氫氣體、氯化銨等物質(zhì)均無外泄，對環(huán)境無污染，體現(xiàn)了綠色化學(xué)的理念。湘潭市第一中學(xué)張丹老師的“氣密性檢查與尾氣處理一體化裝置設(shè)計(jì)”（圖8），將待檢測裝置與接口1相連，拉動(dòng)活塞使U型管中液面左高右低，若U型管液面保持左高右低不變則待檢測裝置氣密性良好。將接口1與殘留尾氣處理裝置相連，關(guān)閉分液漏斗活塞，拉動(dòng)注射器通過5mm氟橡膠單向閥將尾氣吸入，然后將接口2與裝有尾氣處理溶液的燒杯相連，推動(dòng)注射器將尾氣通過5mm氟橡膠單向閥推入燒杯中處理。這套氣密性檢查與尾氣處理一體化裝置的設(shè)計(jì)，是通過改變裝置內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到了檢查裝置氣密性的目的。

5.測量氣體體積

如北海市銀灘中學(xué)唐祥梅老師的“空氣中氧氣含量的測定”（圖9），將白磷和銅片放入注射器中（白磷在銅片上）抽拉注射器將活塞停留在20.0mL處，采用水浴加熱，待注射器冷卻后可以直接讀出反應(yīng)前后氣體的體積，比課本上傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更加簡單方便、精確。

6.提供了密閉環(huán)境和刻度

如長春市吉大附中力旺實(shí)驗(yàn)中學(xué)徐瑛澤老師的“分子和原子性質(zhì)的微型化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”（圖10），將兩支20 mL注射器分別裝入20 mL水和20 mL滴有紅墨水的酒精，將兩支注射器連接起來水平放置觀察到紅色酒精擴(kuò)散到水的那一邊，且總體積小于40 mL，從而說明了分子在不斷地運(yùn)動(dòng)和分子之間有間隔兩個(gè)結(jié)論。該實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了教材中用濃氨水的不足，同時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，操作簡單。

二、文獻(xiàn)內(nèi)容分析

筆者通過閱讀這些文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)研究者們在同一研究內(nèi)容的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下所示。

從表1中我們發(fā)現(xiàn)研究者們在研究銅與硝酸反應(yīng)的一系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中多次用到注射器，篇數(shù)達(dá)到8篇，占30篇的26.67%。從表2我們發(fā)現(xiàn)高中內(nèi)容比初中多，初中占了11篇，內(nèi)容包含了氧氣、氫氣、二氧化碳以及分子、原子性質(zhì)研究等實(shí)驗(yàn)，高中占了19篇，內(nèi)容主要為銅、鐵、氮、氯等元素化學(xué)物相關(guān)實(shí)驗(yàn)。這些內(nèi)容本身都是中學(xué)化學(xué)元素化合物的核心知識(shí)，教材中都安排了經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)的也非常多。

三、注射器的小搭檔

經(jīng)常配合注射器使用到的小裝置：T型玻璃管、真空采血管、三通活塞、醫(yī)用三通、雙母魯爾接頭、魯爾接頭兩通閥、三通管、氟橡膠單向閥、硅橡膠軟管（圖11-圖19）。這些小裝置可以拓展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新范圍，可以根據(jù)自己研究的內(nèi)容選擇適合自己的注射器和配套使用裝置。

四、注射器的一般組合方案

采用三通閥的連接可以對圖4、圖8、圖10的裝置作統(tǒng)一改造，如圖20、圖21、圖22所示。

由此可見注射器與三通閥的組合很好地解決了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的一些實(shí)際問題。例如：操作方便，開閉自如，體積可控，連通方向可選擇等，可見注射器和三通閥的組合可以滿足很多的實(shí)驗(yàn)需求。

五、注射器創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)示例（探究二氧化氮和四氧化二氮轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)）

1.試劑、儀器與裝置

250 mL錐形瓶、濃硝酸、銅片、250 mL燒杯、4個(gè)醫(yī)用三通閥、氫氧化鈉溶液、3個(gè)50 mL注射器。

裝置見圖26。

2.實(shí)驗(yàn)操作

（1）錐形瓶中裝有銅片，旋轉(zhuǎn)K₁使K₁上下相通，將A中濃HNO₃注入錐形瓶中（與K₁、K₂、K₃相連的注射器分別為A、B、C）。

（2）旋轉(zhuǎn)K₁使K₁右下相通調(diào)節(jié)K₂、K₃使K₂、K₃三向相通，讓紅棕色氣體充滿注射器B、C。

（3）旋轉(zhuǎn)K₂、K₃，關(guān)閉三通使B、C都呈密閉狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)K₄使K₄左下相通，保證左邊過來的NO₂能被氫化鈉溶液吸收。

（4）推動(dòng)注射器B將體積壓縮一半，放置一段時(shí)間。再快速推動(dòng)注射器C使體積變?yōu)樵瓉淼囊话耄⒓赐ㄟ^色度儀對比B、C顏色深淺。

（5）重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)（1）、（2）、（3），將注射器B放入熱水中，注射器C放入冷水中。

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后旋轉(zhuǎn)K₂、K₃，使K₂右下相通，K₃三向相通，推動(dòng)注射器B、C讓氣體全部進(jìn)入燒杯中進(jìn)行尾氣處理。

3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論

通過改變注射器C的體積我們發(fā)現(xiàn)C中顏色比B中深，從而證明增大壓強(qiáng)（即增大二氧化氮的濃度）化學(xué)平衡向減小壓強(qiáng)的方向移動(dòng);通過改變注射器B、C的溫度，我們發(fā)現(xiàn)B中顏色深，C中顏色淺，升高溫度化學(xué)平衡向著生成二氧化氮的方向移動(dòng)，即向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，降低溫度化學(xué)平衡向著放熱方向移動(dòng)。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新，自然得出勒夏特列原理：改變影響平衡的一個(gè)條件（如溫度、壓強(qiáng)、濃度），平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動(dòng)。

六、結(jié)語

通過注射器的改進(jìn)和設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，豐富了我們的實(shí)驗(yàn)裝備，積累了教學(xué)資源，挖掘了常規(guī)儀器的使用途徑。在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新過程中，教師應(yīng)處理好實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的關(guān)系[5]，讓實(shí)驗(yàn)更好地服務(wù)于教學(xué)。注射器是高中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中重要的小幫手，用醫(yī)用三通連接注射器可以滿足大多數(shù)類型的設(shè)計(jì)需求，連接方便，密閉性好。既解決了密閉性問題，又能保證體積可變，透明可視，對高中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了一個(gè)很好的思路。一線教師樹立實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力、開展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動(dòng)應(yīng)該成為不斷提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的重要內(nèi)容和有效路徑改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅提升了教師的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，同時(shí)也養(yǎng)成了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，有利于學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。探究與創(chuàng)新是實(shí)驗(yàn)研究的重要方式，但將研究成果落實(shí)到教育實(shí)踐才是實(shí)驗(yàn)研究的最終落腳點(diǎn)[7]。

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