注射器在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的妙用

紹興文理學(xué)院(312000) 廖宇春 劉雪松 胡英杰

1 微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)

在化學(xué)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)具有十分重要的作用，如提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、幫助學(xué)生建立化學(xué)概念、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、觀察力、實(shí)踐能力等。然而，由于經(jīng)費(fèi)、安全、環(huán)境和高考導(dǎo)向等因素的影響，學(xué)生能夠直接參與的化學(xué)實(shí)驗(yàn)非常少，甚至存在教師演示實(shí)驗(yàn)也無法進(jìn)行的情況。毫無疑問，實(shí)驗(yàn)的缺失不僅影響學(xué)生化學(xué)知識的學(xué)習(xí)，更不利于學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)則可以改善上述情況。李增春[1]等人指出：相對于常規(guī)實(shí)驗(yàn)而言，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)有兩個突出特征，一是實(shí)驗(yàn)試劑用量更少，二是在微型化儀器裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在部分微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者除了控制化學(xué)試劑的用量外，還會使用一些生活中常見的廢棄物品，如塑料瓶、玻璃瓶、輸液管和一次性注射器等來代替微型化實(shí)驗(yàn)儀器。將生活物品引入微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)可在一定程度上提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的接受度和參與度，他們可以在已有的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行改進(jìn)，甚至可以自己設(shè)計(jì)一個完整的實(shí)驗(yàn)裝置。這不僅能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和環(huán)保意識。同時，學(xué)生在參與和改進(jìn)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)到的樂趣更有利于提高他們學(xué)習(xí)與鉆研化學(xué)的積極性。

在改進(jìn)的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，注射器應(yīng)用十分廣泛。一次性注射器在醫(yī)療過程中使用后，經(jīng)過消毒可以變廢為寶，可在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中循環(huán)利用，即使購買新注射器的價格相比化學(xué)儀器也更為實(shí)惠。注射器代替實(shí)驗(yàn)儀器可明顯降低實(shí)驗(yàn)成本，從而在一定程度上緩解中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)壓力。注射器為透明塑料制品，且自身帶有刻度，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中可以測量氣體或液體的體積。注射器的活塞能夠很好地控制加入液體試劑的量，起到分液漏斗或滴管的作用。注射器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用已有幾十年的歷史。早期，注射器在氣體制備、物質(zhì)活潑性比較、氣體氧化還原性能驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)中均有涉及[2]。近些年，注射器有了更為廣泛的應(yīng)用，如被用來抽送氣體、替代分液漏斗、代替量筒、替代反應(yīng)容器等[3]。在許多微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者僅僅依靠注射器、輸液管等簡單物品便能完成整個化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如李勇[4]以注射器為主，進(jìn)行了分子運(yùn)動、分子有間隔、測定空氣中氧氣含量等多個化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在廣東省2013年中學(xué)化學(xué)教師實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Υ筚愔校灿欣蠋熢米⑸淦鞔娣忠郝┒愤M(jìn)行碘單質(zhì)的萃取實(shí)驗(yàn)[5]。本文將在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上對注射器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行歸納和拓展，進(jìn)而為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

2 注射器的應(yīng)用

2.1 用作發(fā)生裝置

一次性注射器也稱一次性針筒，分為三件式和兩件式，三件式在日常生活中更普遍。三件式結(jié)構(gòu)由芯桿、膠塞、空筒以及注射針和外包裝組成。其中，芯桿和膠塞(通常為黑色)組成了注射器的活塞，活塞可在空筒內(nèi)自由推動，保持注射器氣密性良好。針尖、針梗、針?biāo)▌t構(gòu)成了針頭。一次性注射器的具體組成如圖1所示。

圖1 一次性注射器結(jié)構(gòu)圖

在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，注射器可以代替燒杯或試管作反應(yīng)發(fā)生的容器，在整個實(shí)驗(yàn)裝置中用作氣體發(fā)生裝置，用來制備氧氣、氫氣、二氧化碳等多種氣體。由于注射器是塑料制品，不宜高溫加熱，在此僅討論固液不加熱和液液不加熱兩種類型的發(fā)生裝置。

2.1.1 固液不加熱型裝置

在固體和液體發(fā)生反應(yīng)且不需要加熱的裝置中，可以用注射器來代替發(fā)生裝置，制取所需要的氣體。如張繼旺[6]在注射器中加入鋅粒，然后吸取稀硫酸，套上輸液管即可制取氫氣。同樣的，將注射器中的鋅粒換成大理石，然后吸取稀硫酸，則可制備二氧化碳。因此，如圖2所示，利用注射器制取二氧化碳、氧氣、氫氣等氣體時，我們可以在注射器中放入固體試劑，然后再拉動活塞吸取液體試劑，二者接觸后發(fā)生反應(yīng)，即可得到所需制備的氣體。

圖2 固液不加熱型裝置圖

同時，我們也可以把固體試劑和液體試劑分別裝入兩支注射器中，然后進(jìn)行反應(yīng)。如圖3所示，在一支注射器中放入固體試劑，另一支注射器吸入液體試劑，兩支注射器用輸液管連接。截去裝入固體試劑的注射器的芯桿，并在黑色膠塞上打孔，然后連接輸液管，推動裝有液體試劑的注射器的活塞，將液體壓入另一支注射器中，與固體試劑充分接觸，即可制取所需氣體。李俊等人[7]曾用兩支注射器自制了微型啟普發(fā)生器來制取二氧化碳，其中，大理石和稀鹽酸就是分別裝在兩支注射器中的。氫氣、二氧化碳、硫化氫氣體等需要用啟普發(fā)生器制取的氣體，均能用注射器來制備。

2.1.2 液液不加熱型裝置

注射器也可以用于液—液且不需要加熱的反應(yīng)中。在液—液反應(yīng)的過程中，選擇如圖3所示的連接方式進(jìn)行反應(yīng)更為合適。在兩支注射器內(nèi)分別裝入需要反應(yīng)的兩種液體試劑，推動左側(cè)注射器的活塞，將該注射器內(nèi)的液體試劑壓入另一支注射器中，兩種試劑即可發(fā)生反應(yīng)。在碳酸鈉溶液和稀鹽酸溶液發(fā)生反應(yīng)制備二氧化碳、氫氧化鈉溶液和氯化銨溶液反應(yīng)制備氨氣等過程中均可以此作為發(fā)生裝置。

圖3 液液不加熱型裝置圖

2.2 用作集氣裝置

在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，注射器可以充當(dāng)集氣裝置用來儲存氣體，同時還可利用注射器的刻度來測量所收集氣體的大致體積。如圖4所示，注射器一端與輸液管相連接來收集制得的氣體，氣體推動注射器的活塞向上移動，并根據(jù)注射器的示數(shù)來確定氣體體積。

圖4 集氣裝置圖

2.3 用作氣體干燥裝置

拔出注射器的活塞，在注射器中放入固體干燥劑，然后截去注射器的芯桿，并在膠塞上打孔，同時在注射器的兩端連接上輸液管。將裝有固體干燥劑的注射器水平放置，即可得到如圖5所示的氣體干燥裝置，它可以用來干燥氫氣、氧氣、一氧化碳等氣體。例如在實(shí)驗(yàn)中需要對氧氣進(jìn)行干燥，首先將裝入堿石灰的注射器水平放置，然后從左側(cè)的輸液管通入濕潤的氧氣，在右側(cè)輸液管口即可得到經(jīng)堿石灰干燥后的氧氣。

圖5 干燥裝置圖

2.4 用作檢驗(yàn)裝置

在某些化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，檢驗(yàn)?zāi)撤N雜質(zhì)是否被除盡，需要設(shè)計(jì)一個檢驗(yàn)裝置。如檢驗(yàn)氫氣是否干燥，則需要在裝置內(nèi)放入無水硫酸銅。若氣體干燥，則白色無水硫酸銅不變色；若氣體濕潤，則白色無水硫酸銅變藍(lán)。圖5所示干燥裝置也可被用來作為檢驗(yàn)裝置，其中只需把注射器內(nèi)的干燥劑換成檢驗(yàn)的試劑(如無水硫酸銅)即可。

2.5 用作防倒吸裝置

在對二氧化硫、二氧化氮等有毒氣體作尾氣處理時，往往需要考慮是否會發(fā)生倒吸現(xiàn)象，注射器能夠作為防倒吸裝置來解決這個問題。如圖6所示，去掉注射器的芯桿，并在膠塞上打孔，然后在注射器的兩端連接上輸液管，其中一端的輸液管通入除尾氣裝置，并保持注射器管呈豎直狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象時，倒吸進(jìn)來的液體則被儲存在注射器中，可以避免吸收液進(jìn)入受熱儀器或反應(yīng)容器，從而影響整個反應(yīng)的進(jìn)程。

圖6 防倒吸裝置

2.6 用作萃取裝置

在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，注射器由于其良好的密封性可用作萃取裝置。以萃取碘水中的碘為例，首先抽出注射器的活塞，加入碘水和四氯化碳后再裝回活塞，用力振蕩，靜置等待液體分層。由于注射器的材質(zhì)透明度良好，所以可以觀察到注射器中液體明顯的分層現(xiàn)象。然后向下推動活塞，即可從注射器的乳頭處得到含有碘的四氯化碳；抽出活塞則能夠從注射器上端倒出水溶液，從而完成萃取碘水中的碘這個實(shí)驗(yàn)。