例析一套多功能實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新

摘要： 流體參與的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中居多，利用注射器改進(jìn)的多功能實(shí)驗(yàn)裝置可以順利完成中學(xué)化學(xué)的大多數(shù)流體參與的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。利用改進(jìn)裝置完成實(shí)驗(yàn)安全可靠、試劑微量，并能有效防止有毒氣體的泄漏，有利于啟迪思維、誘導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)載體功能在學(xué)科素養(yǎng)滲透中的作用。

關(guān)鍵詞： 流體反應(yīng)實(shí)驗(yàn); 通用實(shí)驗(yàn)裝置; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）8-0074-03 ? ? ? ? ? ?中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 ?裝置設(shè)計(jì)概述

在中學(xué)化學(xué)教材有流體參與的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有許多實(shí)驗(yàn)存在一些不足，如現(xiàn)象不明顯、實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、藥品用量較多、有毒氣體排入空氣造成污染等等。鑒于此，從多個(gè)方面對(duì)該類(lèi)實(shí)驗(yàn)提出通用的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)新方法。

試劑取用： 液體試劑的取用可依據(jù)量的不同進(jìn)行操作，少量液體的取用一般采用膠頭滴管的負(fù)壓原理，吸進(jìn)滴管后，通過(guò)擠壓膠頭滴加液體控制試劑的用量。采用一次性塑料注射器可以完成負(fù)壓取用液體的要求。同時(shí)，注射器外徑刻度線為較多量液體的定量取用創(chuàng)造了條件。

反應(yīng)環(huán)境： 化學(xué)試劑的反應(yīng)大多包括液體的取用、試劑的混合反應(yīng)等兩個(gè)步驟，往往反應(yīng)器與試劑的取用是分開(kāi)的。圓筒狀注射器的筒部可作為反應(yīng)器完成該功能，使裝置系統(tǒng)更為簡(jiǎn)潔。

后續(xù)（尾氣）處理： 尾氣處理是綠色化學(xué)、生態(tài)化學(xué)的重要體現(xiàn)。在中學(xué)化學(xué)的許多實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中（如氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)）都是單獨(dú)設(shè)立一個(gè)尾氣處理裝置。注射器的可控與密封性為尾氣（后續(xù)）裝置的設(shè)計(jì)提供了非常便利的條件。

2 ?實(shí)驗(yàn)器材及裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)器材： 50mL注射器3支、100mL注射器2支、醫(yī)用輸液三通管2個(gè)、醫(yī)用輸液管若干、注射針頭1個(gè)、燒杯1個(gè)、酒精燈、固定板2塊

裝置設(shè)計(jì)： 如圖1所示，將一支三通管分別連接50mL的注射器、100mL的注射器以及長(zhǎng)玻

璃導(dǎo)管，在相應(yīng)的連接處加玻璃活塞，實(shí)現(xiàn)裝置的可控與密閉，以完成“一體兩管裝置”。另取一支三通管分別連接三支50mL的注射器，在相應(yīng)的連接處加玻璃活塞，實(shí)現(xiàn)裝置的可控與密閉，以完成“一體三管裝置”。

3 ?經(jīng)典實(shí)驗(yàn)例證

3.1 ?“一體兩管裝置”完成固體與液體反應(yīng)的流體實(shí)驗(yàn)（以濃硝酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為例）

3.1.1 ?教材實(shí)驗(yàn)分析

人教版《全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)（必修加選修）·化學(xué)》（第二冊(cè)）[1]第16頁(yè)實(shí)驗(yàn)1～7中，Cu和濃HNO3反應(yīng)，不能控制反應(yīng)的發(fā)生和停止，并且產(chǎn)生的氣體有部分易泄露或直接排入大氣，污染空氣。

在蘇教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1》[2]中，由于污染嚴(yán)重等原因，刪除了該實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)有毒氣體的“零排放”。并且還能做一系列有關(guān)NO2和銅鹽的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象明顯，可謂一舉多得。

3.1.2 ?實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置

3.1.3 ?實(shí)驗(yàn)操作

按圖2連接好裝置，檢查裝置的氣密性。

向50mL注射器中加入3片銅片，將輸液管及100mL注射器中吸入10mL濃硝酸，確保排盡空氣。重新連接好裝置。

關(guān)閉活塞A，打開(kāi)活塞B，將濃硝酸壓入50mL注射器中，觀察到濃硝酸與銅片反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生大量紅棕色氣體。

反應(yīng)結(jié)束時(shí)，將50mL注射器內(nèi)的液體壓回100mL注射器中，在50mL注射器中即可收集到純凈的NO2氣體。打開(kāi)A活塞，關(guān)閉B活塞，向上輕輕拉動(dòng)50mL注射器的活栓，燒杯內(nèi)的水即可噴入50mL注射器中，且可觀察到紅棕色氣體轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)色氣體，液面上升2/3體積。

3.1.4 ?實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)裝置是一個(gè)封閉體系，可以防止氮氧化物對(duì)空氣的污染。

該裝置可根據(jù)需要，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，用10mL、 20mL注射器替換，可以大大減少藥品的用量，并且該實(shí)驗(yàn)裝置不易破損，可重復(fù)使用，降低了實(shí)驗(yàn)的成本，非常適用于實(shí)驗(yàn)條件欠發(fā)達(dá)的地區(qū)。

可以隨時(shí)讓反應(yīng)發(fā)生和停止，操作一氣呵成，可以實(shí)現(xiàn)演示NO2溶于水壓強(qiáng)減小液體噴入的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象明顯直觀，有利于學(xué)生“宏微”轉(zhuǎn)化思維的培養(yǎng)。同時(shí)，紅棕色氣體轉(zhuǎn)變成無(wú)色氣體，說(shuō)明生成的稀硝酸與銅反應(yīng)產(chǎn)生的氣體是NO。

該裝置還適用于

制取H2、 O2、 NO、 NO2、 CO2、 Cl2、 C2H2、 H2S、 SO2等實(shí)驗(yàn);也可用于NH4NO3溶液和CaO制取NH3、 Na2O2與H2O反應(yīng)生成O2;利用金屬鈉與無(wú)水乙醇反應(yīng)來(lái)測(cè)定乙醇分子結(jié)構(gòu)的定量實(shí)驗(yàn)等[3]。

3.2 ?“一體三管裝置”完成固體與液體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[以Fe（OH）2沉淀制備實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為例]

3.2.1 ?原實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

制備Fe（OH）2時(shí)，產(chǎn)生的沉淀物只有瞬間的白色（幾乎分辨不出），很快就轉(zhuǎn)變?yōu)榛揖G色[甚至在離試管口近處看到了紅褐色Fe（OH）3]。根據(jù)課本上[4]介紹的原理——是因?yàn)樽畛醍a(chǎn)生的Fe（OH）2不穩(wěn)定，很快就被空氣中的氧氣氧化生成紅褐色的Fe（OH）3，因而影響了實(shí)驗(yàn)效果。

3.2.2 ?實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置

3.2.3 ?實(shí)驗(yàn)操作

按圖3連接好裝置，并檢查裝置的氣密性。

向注射器A中加入適量鐵粉，并吸入少許蒸餾水;將輸液管及注射器B吸入稀硫酸（1∶5），確保排盡空氣;注射器C中吸入過(guò)量的新制的NaOH溶液。重新連接好裝置（如圖3）。

打開(kāi)活塞1和活塞2，關(guān)閉活塞3，將B中稀硫酸壓入裝有鐵粉的A中，觀察到有氣泡產(chǎn)生。

待其反應(yīng)完畢后，關(guān)閉活塞2，打開(kāi)活塞1、活塞3，將生成的FeSO4壓入注射器C新制的NaOH溶液中，這時(shí)就可以看到有白色沉淀生成。

接著還可取下注射器A，接上注射針頭，在酒精燈上點(diǎn)燃收集到的氫氣[5]。

3.2.4 ?實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象更加明顯，能長(zhǎng)時(shí)間看到白色Fe（OH）2沉淀的存在。還可以演示Fe（OH）2轉(zhuǎn)化成Fe（OH）3的過(guò)程，使人信服[將產(chǎn)生Fe（OH）2沉淀的注射器中吸入空氣即可]。收集的氫氣純凈，點(diǎn)燃前不必驗(yàn)純。

該裝置還可用于以下對(duì)比型或混合型實(shí)驗(yàn)。

（1） 固體和液體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如Na2CO3和NaHCO3與HCl反應(yīng)的對(duì)比;CaCO3粉末和CaCO3塊狀固體與稀鹽酸反應(yīng)的比較;用濃、稀HNO3和銅片反應(yīng)同時(shí)制取NO2和NO的對(duì)比實(shí)驗(yàn);用于比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱的實(shí)驗(yàn)等。

（2） 氣體和液體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如乙烯的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)（乙烯和溴水、酸性KMnO4溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)）;SO2與品紅溶液、酸性KMnO4溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn);CO2與NaOH溶液、水反應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)等。

（3） 液體和液體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如NaOH溶液與CuSO4、 FeCl3溶液反應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn);同濃度的H2SO4與不同濃度Na2S2O3溶液反應(yīng)的速率比較等。

（4） 氣體和固體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如CO2分別與Na2O、 Na2O2粉末反應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn);鋼鐵銹蝕條件的探究實(shí)驗(yàn)等。

（5） 氣體和氣體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如氨氣與HCl、 HNO3蒸氣（可用注射器吸取濃鹽酸、濃硝酸上面的氣體得到）不同酸性氣體的“發(fā)煙”比較： 可預(yù)先在B注射器中吸滿(mǎn)氨氣，在A和C注射器中分別吸入1/3左右的HCl、 HNO3蒸氣，打開(kāi)3個(gè)活塞，輕輕推動(dòng)中間充滿(mǎn)氨氣B注射器的活栓，可在A和C注射器中看到白煙，說(shuō)明氨氣能與酸反應(yīng)得到銨鹽;H2S與SO2、 Cl2氣體氧化性不同的反應(yīng)對(duì)照： 可預(yù)先在B注射器中吸滿(mǎn)H2S，在A和C注射器中分別吸入1/3左右的SO2、 Cl2，打開(kāi)3個(gè)活塞，輕輕推動(dòng)中間充滿(mǎn)H2S B注射器的活栓，可在A注射器中看到黃色渾濁、C注射器中的黃綠色變淺并也看到黃色渾濁，說(shuō)明H2S能被弱氧化性的SO2和強(qiáng)氧化性的Cl2氧化，具有強(qiáng)還原性;用于NO2反應(yīng)的平衡實(shí)驗(yàn)： 在三個(gè)注射器中吸入等體積的NO2，關(guān)閉三個(gè)活塞，推動(dòng)A注射器的活栓氣體加壓，拉動(dòng)C注射器的活栓氣體減壓，B注射器壓強(qiáng)不變作對(duì)照，根據(jù)兩個(gè)注射器氣體顏色的變化驗(yàn)證壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響。

4 ?實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和改進(jìn)意義

該系列實(shí)驗(yàn)裝置為通用實(shí)驗(yàn)裝置，適用于有流體參與并且不需加熱的化學(xué)反應(yīng)，如果反應(yīng)放出熱量較多，可以更換成玻璃注射器。

該實(shí)驗(yàn)所用主要器材來(lái)源于生活，整套裝置簡(jiǎn)潔明了，安全高效。通過(guò)推、拉注射器活栓和操控玻璃活塞，使實(shí)驗(yàn)的發(fā)生和停止操控自如。利用該實(shí)驗(yàn)裝置制取、收集的氣體純凈，點(diǎn)燃不需驗(yàn)純。

采用該實(shí)驗(yàn)裝置，可以減少藥品用量，節(jié)約試劑，并且該實(shí)驗(yàn)裝置不易破損，可重復(fù)多次使用，降低實(shí)驗(yàn)的成本，非常適用于實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)落后的學(xué)校或地區(qū)。

通過(guò)應(yīng)用注射器組成全封閉實(shí)驗(yàn)裝置，不僅避免對(duì)環(huán)境的污染，而且使實(shí)驗(yàn)步驟和操作更簡(jiǎn)化，提高了課堂教學(xué)效益，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，樹(shù)立環(huán)保意識(shí)，增強(qiáng)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的自我保護(hù)能力。

裝置由“兩管”到“三管”的轉(zhuǎn)變，能很好地啟發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，培養(yǎng)和提升學(xué)生的思考力和“鏈?zhǔn)剿季S”。

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