注射器在微型化學實驗中的妙用

紹興文理學院(312000) 廖宇春 劉雪松 胡英杰

1 微型化學實驗

在化學教學過程中，實驗具有十分重要的作用，如提高學生學習化學的興趣、幫助學生建立化學概念、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、觀察力、實踐能力等。然而，由于經(jīng)費、安全、環(huán)境和高考導向等因素的影響，學生能夠直接參與的化學實驗非常少，甚至存在教師演示實驗也無法進行的情況。毫無疑問，實驗的缺失不僅影響學生化學知識的學習，更不利于學生化學實驗操作技能、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

微型化學實驗的出現(xiàn)則可以改善上述情況。李增春[1]等人指出：相對于常規(guī)實驗而言，微型化學實驗有兩個突出特征，一是實驗試劑用量更少，二是在微型化儀器裝置中進行實驗。在部分微型化學實驗中，實驗者除了控制化學試劑的用量外，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驗儀器。將生活物品引入微型化學實驗可在一定程度上提高學生對實驗的接受度和參與度，他們可以在已有的實驗裝置上進行改進，甚至可以自己設計一個完整的實驗裝置。這不僅能夠提高學生的實驗操作技能，而且能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和環(huán)保意識。同時，學生在參與和改進微型化學實驗中體驗到的樂趣更有利于提高他們學習與鉆研化學的積極性。

在改進的微型化學實驗中，注射器應用十分廣泛。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，可在化學實驗中循環(huán)利用，即使購買新注射器的價格相比化學儀器也更為實惠。注射器代替實驗儀器可明顯降低實驗成本，從而在一定程度上緩解中學化學實驗的經(jīng)濟壓力。注射器為透明塑料制品，且自身帶有刻度，在化學實驗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。注射器在化學實驗中的應用已有幾十年的歷史。早期，注射器在氣體制備、物質活潑性比較、氣體氧化還原性能驗證等實驗中均有涉及[2]。近些年，注射器有了更為廣泛的應用，如被用來抽送氣體、替代分液漏斗、代替量筒、替代反應容器等[3]。在許多微型化學實驗中，實驗者僅僅依靠注射器、輸液管等簡單物品便能完成整個化學實驗，如李勇[4]以注射器為主，進行了分子運動、分子有間隔、測定空氣中氧氣含量等多個化學實驗。在廣東省2013年中學化學教師實驗能力大賽中，也有老師曾用注射器代替分液漏斗進行碘單質的萃取實驗[5]。本文將在現(xiàn)有研究基礎上對注射器在化學實驗中的應用進行歸納和拓展，進而為中學化學實驗教學提供參考。

2 注射器的應用

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。三件式結構由芯桿、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，活塞可在空筒內自由推動，保持注射器氣密性良好。針尖、針梗、針栓則構成了針頭。一次性注射器的具體組成如圖1所示。

圖1 一次性注射器結構圖

在微型化學實驗中，注射器可以代替燒杯或試管作反應發(fā)生的容器，在整個實驗裝置中用作氣體發(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，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，然后進行反應。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中。在液—液反應的過程中，選擇如圖3所示的連接方式進行反應更為合適。在兩支注射器內分別裝入需要反應的兩種液體試劑，推動左側注射器的活塞，將該注射器內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。在碳酸鈉溶液和稀鹽酸溶液發(fā)生反應制備二氧化碳、氫氧化鈉溶液和氯化銨溶液反應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

在微型化學實驗中，注射器可以充當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。例如在實驗中需要對氧氣進行干燥，首先將裝入堿石灰的注射器水平放置，然后從左側的輸液管通入濕潤的氧氣，在右側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 用作檢驗裝置

在某些化學實驗中，檢驗某種雜質是否被除盡，需要設計一個檢驗裝置。如檢驗氫氣是否干燥，則需要在裝置內放入無水硫酸銅。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。圖5所示干燥裝置也可被用來作為檢驗裝置，其中只需把注射器內的干燥劑換成檢驗的試劑(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)。當出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象時，倒吸進來的液體則被儲存在注射器中，可以避免吸收液進入受熱儀器或反應容器，從而影響整個反應的進程。

圖6 防倒吸裝置

2.6 用作萃取裝置

在微型化學實驗中，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驗。