利用氣球設(shè)計(jì)多用途實(shí)驗(yàn)裝置

朱玉林

摘要：利用氣球等生活中常見(jiàn)材料，設(shè)計(jì)具有“產(chǎn)氣、儲(chǔ)氣、排氣”用途的一體化實(shí)驗(yàn)裝置，適合應(yīng)用于制作簡(jiǎn)易供氧器、簡(jiǎn)易滅火器、空氣質(zhì)量檢測(cè)站等初中化學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：氣球；一體化實(shí)驗(yàn)裝置；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：10056629（2023）06007204中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

新版義務(wù)教育課程方案以立德樹(shù)人、素養(yǎng)立意為指導(dǎo)，要求“在學(xué)科教學(xué)中設(shè)立跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)，加強(qiáng)學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，帶動(dòng)課程綜合化實(shí)施，強(qiáng)化實(shí)踐性”。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出了實(shí)施跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的要求^［1］，并提供了“基于特定需求設(shè)計(jì)和制作簡(jiǎn)易供氧器”和“微型空氣質(zhì)量‘檢測(cè)站的組裝與使用”等10個(gè)推薦項(xiàng)目。

在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生動(dòng)手完成這些跨學(xué)科實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)存在一定困難。尤其是涉及氣體的實(shí)驗(yàn)，有的學(xué)生照搬實(shí)驗(yàn)室裝置的設(shè)計(jì)，不考慮是否適合家用，脫離了生活情境；有的設(shè)計(jì)理念尚可，但很難從生活中找到實(shí)現(xiàn)所需功能的材料；還有的雖然嘗試采用生活中常見(jiàn)材料制作作品，但極容易出現(xiàn)漏氣的情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

本文利用氣球等生活中常見(jiàn)材料，設(shè)計(jì)制作了一款能夠?qū)崿F(xiàn)“產(chǎn)氣、儲(chǔ)氣、排氣”的多功能裝置。該裝置可用于完成新課標(biāo)中的“簡(jiǎn)易供氧器”和“空氣質(zhì)量檢測(cè)站”跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，還可用于“簡(jiǎn)易滅火器”等其他經(jīng)典的化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

1 裝置的設(shè)計(jì)

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

2 實(shí)驗(yàn)裝置

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

2.1 產(chǎn)氣

需要生產(chǎn)氣體時(shí)，只需要用手捏破自封袋，讓袋內(nèi)的液體流出，反應(yīng)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(yīng)物。

2.2 儲(chǔ)氣

氣球還可以充當(dāng)儲(chǔ)氣裝置，因?yàn)闅馇蚩诓康膶?dǎo)管裝有止水夾，關(guān)閉時(shí)，生成的氣體就無(wú)法排出。隨著氣體的生成，氣球逐漸變大。反應(yīng)結(jié)束后，只要不打開(kāi)止水夾，氣體就可以被長(zhǎng)時(shí)間地儲(chǔ)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(dòng)排氣的功能。使用時(shí)，只要打開(kāi)氣球口部的止水夾，就能讓氣體排出，通過(guò)導(dǎo)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(shí)）還可以刺破氣球，瞬間排氣。

3 裝置的應(yīng)用案例

該裝置具有一體化、多功能的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于“制作簡(jiǎn)易供氧器”“制作簡(jiǎn)易滅火器”和“制作空氣質(zhì)量檢測(cè)站”三個(gè)實(shí)踐活動(dòng)的案例如下。

3.1 制作簡(jiǎn)易供氧器

3.1.1 實(shí)驗(yàn)用品

10%～20% H₂O₂溶液、MnO₂粉末；乳膠氣球、擴(kuò)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(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。無(wú)需夾持裝置，使用時(shí)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?dāng)嚢璩珊隣睿缓笥闷浒粔K磁鐵，搓成小塊。等待3min凝固后就形成了表面負(fù)載MnO₂、內(nèi)部包裹磁鐵的堵漏王小球。如果不需要隨時(shí)關(guān)停，可以省略這一步。

（2） 在自封袋中裝入30mL 10%～20% H₂O₂溶液。用擴(kuò)口鉗將氣球口撐開(kāi)，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(gè)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(jié)合、密封。把氣球吹嘴套在氣球口，關(guān)閉流速調(diào)節(jié)器。

（4） 制氧氣時(shí)，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(guò)快需要停止反應(yīng)時(shí)，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(yīng)停止。

（5） 需要吸氧時(shí)，打開(kāi)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(guò)鼻氧管吸氧。

（6） 氧氣不足時(shí)，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(shí)啟用或停止。

3.1.4 裝置優(yōu)點(diǎn)

（1） 常規(guī)的供氧器一般用碳酸飲料瓶等硬殼容器來(lái)制作，但這樣就需要產(chǎn)氣（氧氣發(fā)生裝置）、儲(chǔ)氣（儲(chǔ)存氧氣裝置）、排氣（把氧氣導(dǎo)入鼻腔的動(dòng)力裝置）三部分裝置，至少需要2～3個(gè)硬殼容器，裝置復(fù)雜，且占用很大空間。本裝置在使用前只是一個(gè)癟的氣球，占用空間極小，便于攜帶。使用時(shí)用氣球?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)氣、儲(chǔ)氣、排氣一體化，不僅操作簡(jiǎn)單，還避免了多次導(dǎo)氣帶來(lái)的漏氣問(wèn)題。

（2） 采用表面負(fù)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(shí)現(xiàn)了低成本的隨開(kāi)隨用，非常方便。

3.2 制作簡(jiǎn)易滅火器

3.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

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

3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。無(wú)需夾持裝置，使用時(shí)手持即可。

3.2.3 制作方法

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

（2） 用擴(kuò)口鉗將氣球口撐開(kāi)，向氣球中放入2個(gè)自封袋。

（3） 用堵漏王把氣球吹嘴填實(shí)，把氣球吹嘴套在氣球口，充當(dāng)塞子。

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

（5） 需要滅火時(shí)，先判斷火勢(shì)大小，如果是小面積、可接近的火源，可把實(shí)心吹嘴拔出，用氣球口對(duì)準(zhǔn)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?xì)饬骱腿芤憾寄芷鸬綔缁鸬淖饔谩＝處煈?yīng)提醒學(xué)生此實(shí)驗(yàn)以模擬體驗(yàn)為主，因?yàn)楸狙b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(yīng)該使用專(zhuān)業(yè)滅火器或撤離現(xiàn)場(chǎng)。

3.2.4 裝置優(yōu)點(diǎn)

（1） 常規(guī)的自制滅火器裝置大多借鑒了“套管實(shí)驗(yàn)”裝置，能夠很快地使2種溶液混合，但平時(shí)也存在誤觸混合、水分蒸發(fā)等問(wèn)題，不易長(zhǎng)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(shì)。

（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(shí)驗(yàn)”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(cè)站

3.3.1 實(shí)驗(yàn)用品

空氣質(zhì)量檢測(cè)指示劑：本文以甲醛檢測(cè)為例，可以網(wǎng)購(gòu)“甲醛檢測(cè)試劑盒”，內(nèi)含現(xiàn)成的“甲醛檢測(cè)液”和“標(biāo)準(zhǔn)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(luò)中下載標(biāo)準(zhǔn)比色卡圖片。國(guó)標(biāo)建議每5mL檢測(cè)液需要吸收10L空氣中的甲醛。

其他實(shí)驗(yàn)用品為：10L透明氣球（約10英寸）、注射器、氣球吹嘴、導(dǎo)管、堵漏王、打氣筒、止水夾

3.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)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(cè)液。

（2） 把導(dǎo)管的一端插入氣球吹嘴中，用堵漏王把兩者結(jié)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?chē)諝夤娜霘馇蛑校箽怏w與甲醛檢測(cè)液充分接觸，同時(shí)氣球變大。

（4） 當(dāng)氣球變大到10L后，停止鼓入空氣，用止水夾夾住導(dǎo)管（也可以直接用手捏緊氣球口），然后用力晃動(dòng)氣球內(nèi)的溶液，再次確保空氣與溶液混合均勻。

（5） 把變色后的甲醛檢測(cè)液與標(biāo)準(zhǔn)比色卡比對(duì)，測(cè)出空氣中的甲醛含量。

3.3.4 裝置優(yōu)點(diǎn)

（1） 空氣質(zhì)量檢測(cè)準(zhǔn)確的關(guān)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(shí)，氣體流過(guò)液體（類(lèi)似洗氣），另一方面可以通過(guò)用力振蕩，進(jìn)一步讓空氣與指示劑充分混合，提高準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)可以通過(guò)測(cè)量氣球直徑來(lái)控制注入空氣的量，確保每次測(cè)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(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)的目的就是化繁為簡(jiǎn)，突出實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)約性和實(shí)用性^［2］。本裝置“一球多用”，雖簡(jiǎn)潔卻方便，充分說(shuō)明“簡(jiǎn)約不簡(jiǎn)單”的哲理^［3］。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這種簡(jiǎn)潔的裝置由于省去了許多連接導(dǎo)管和夾持裝置，避免了漏氣或粘合松開(kāi)的問(wèn)題，提高了成功率。一線化學(xué)教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還可對(duì)這個(gè)氣球裝置做更多的改進(jìn)和創(chuàng)新，使它應(yīng)用到更多的實(shí)驗(yàn)和跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)中，助力學(xué)生順利完成更多的科學(xué)探究活動(dòng)，進(jìn)而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

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