活塞可固定式注射器的制作及實驗改進

摘 要： 制作并基于活塞可固定式注射器，將壓強對氣體溶解度的影響實驗、不同壓強下氧氣溶解度測定實驗、壓強對化學平衡的影響實驗、壓強對化學反應速率影響的實驗以及利用壓強變化觸發反應的硫酸亞鐵與氫氧化亞鐵制備的一體化實驗進行了改進。改進后的實驗操作簡便、現象清晰，取得良好效果，新裝置不僅適用于教師演示實驗，也適合學生探究實驗。

關鍵詞： 活塞可固定式注射器； 壓強影響； 實驗改進

文章編號： 10056629（2024）10006805

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

壓強是表示壓力作用效果的重要物理量，在中學化學的教學過程中則不僅需要利用壓強變化檢驗裝置氣密性，還需要探究壓強等因素對物質溶解度、化學平衡、化學反應速率等的影響。在教學實踐中，受實驗時間、實驗儀器配備等多方面因素的影響，壓強條件的定量控制并不易實現，這也在一定程度上影響了不同壓強條件下的相關探究實驗的開展，不利于學生系統建構相關知識的結構體系。能否通過一套相對簡單的實驗裝置實現相對準確的壓強控制，讓學生能夠擁有更多的機會實現自己動手探究？由此，本文設計制作了一套活塞可固定式注射器，并利用活塞可固定式注射器嘗試對部分中學化學所涉及的壓強相關實驗進行了改進。

2 儀器的制作

設計制作的活塞可固定式注射器如圖1所示，活塞上安裝有兩個固定螺母（一個固定螺母在注射器主體內部，另一個固定螺母則在注射器主體外部），用于固定注射器活塞。注射器主體上設有螺口旋蓋，如需調節注射器主體內部螺母，則可通過旋開螺口旋蓋后調節［1］。實驗時，將活塞可固定式注射器密封后，通過推拉注射器活塞改變氣體體積從而實現內部壓強的變化，而活塞用固定螺母固定后，則可使內部壓強保持穩定。

3 實驗設計與現象

3.1 壓強對氣體溶解度的影響

教材中并沒有設計壓強對氣體溶解度影響的相關實驗，在教學過程中教師往往是通過單純的理論描述或是借助碳酸飲料開蓋后產生氣泡的現象進行介紹。但由于純理論的描述相對枯燥，學生往往難以快速將其內化，而對于碳酸飲料開蓋的現象，雖然較為常見且直觀，但其實大部分學生并不熟悉碳酸飲料開蓋前后壓強所發生的變化，還需教師進行補充說明。基于以上存在的問題，筆者借助活塞可固定式注射器（以下簡稱注射器）將壓強對氣體溶解度影響的實驗進行了如下設計。

3.1.1 實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖2所示。

3.1.2 實驗操作步驟

（1） 使用活塞可固定式注射器（100mL）抽取10mL碳酸飲料（以常溫常壓下不再產生氣泡為宜），然后用硅膠管將注射器口與壓強傳感器相連接。

（2） 將注射器倒置（注射器口朝上），快速抽拉注射器活塞至50mL刻度處，并旋動注射器外固定螺母將活塞固定。

（3） 調整（旋動）注射器外固定螺母，使活塞緩緩回升。

3.1.3 實驗現象及實驗數據

快速抽拉注射器活塞至50mL刻度處并固定后，可觀察到碳酸飲料中產生大量氣泡，壓強傳感器顯示壓強讀數由101.1kPa先快速減小至6.8kPa，后逐漸回升。

調整（旋動）固定螺母使活塞回升，則可觀察到碳酸飲料中氣泡逐漸減少，壓強傳感器顯示壓強讀數逐漸回升。實驗中亦可使用自來水等替代碳酸飲料，觀察到的實驗現象基本一致，快速抽拉注射器活塞至50mL刻度處并固定后，自來水中也產生明顯氣泡，但數量略少，氣壓回升速度也較慢。

3.1.4 實驗優點

運用活塞可固定式注射器可以較穩定地控制壓強變化，實驗現象明顯，學生可以輕松得出壓強對氣體溶解度影響的結論，而且實驗操作比較簡單，學生可獨立完成操作，也可安排用于學生探究實驗。

3.2 不同壓強下氧氣溶解度的測定

日常教學過程中，由于壓強等條件不易控制，實驗裝置復雜等問題，不同壓強下氣體溶解度的測定實驗在中學階段少有涉及。基于此，嘗試使用活塞可固定式注射器（100mL）、溶解氧傳感器、壓強傳感器、具支試管（大號）、膠塞、三通閥等組合裝置，進行了不同壓強下氧氣溶解度的簡單測定。

3.2.1 實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖3所示。

3.2.2 實驗操作步驟

（1） 在具支試管中加入已通入氧氣一段時間后的蒸餾水約25mL，將膠塞、溶解氧傳感器與具支試管上口相連接，再將三通閥一端通過硅膠管與具支試管支管相連，然后將壓強傳感器、活塞可固定式注射器（100mL）分別與三通閥另外兩端相連接。

（2） 打開三通閥，可通過抽拉注射器活塞減小具支試管內部壓強，并用活塞外部固定螺母固定，待壓強傳感器、溶解氧傳感器數據穩定后讀取并記錄數據。實驗中可通過抽拉注射器活塞至不同位置，調節不同氣壓。

（3） 若要測量更大壓強下氧氣的溶解度，則可以通過注射器加入氧氣以增大具支試管內部的壓強，并通過旋開注射器的螺口旋蓋，調節內部螺母的位置將活塞固定，然后再旋緊注射器的螺口旋蓋，同樣待壓強傳感器、氧氣傳感器數據穩定后讀取并記錄數據。實驗中可通過加入氧氣體積的不同，控制不同的氣壓增幅。

3.2.3 實驗現象及實驗數據

當抽拉活塞減小壓強時，可觀察到氣泡冒出，溶解氧數據變小，當加入氧氣增大壓強時，則可觀察到溶解氧數據變大，讀取記錄壓強傳感器、溶解氧傳感器的多組實驗數據，即可完成溶解度曲線的繪制。

3.2.4 實驗優點

本實驗操作簡單，學生可以較方便地獲得壓強與溶解氧數據，從而繪制溶解度曲線，幫助學生建構壓強與氣體溶解度變化的關系模型。

3.3 壓強對化學平衡狀態的影響

在教學實踐中，學生往往很難僅憑肉眼清晰觀察到實驗中壓強對化學平衡移動時氣體的顏色變化，雖然借助色度傳感器能觀察到迅速加壓后，吸光度數據先迅速增大，后變小，最終數據比原數據大，但實驗中快速推動注射器活塞會壓縮氣體做功產生熱量，快速抽拉注射器活塞則反之，均會造成溫度的影響，而且經計算該反應在壓強改變后達到新平衡的時間為微秒級，難以很好地說明混合氣體顏色變化就完全是因為壓強改變所導致［2］。基于以上問題，借助活塞可固定式注射器、色度傳感器等設計如下壓強對化學平衡影響的實驗。

3.3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖4所示。

3.3.2 實驗操作步驟

（1） 在比色皿（45mm×12.5mm×12.5mm，容量3.5mL）中充滿二氧化氮和四氧化二氮的混合氣體，通過膠塞將比色皿與活塞可固定式注射器（10mL）相連接。由于此時色度傳感器外蓋無法完全關閉，故可用黑布蓋住色度傳感器表面，防止數值受外部環境影響。

（2） 實驗開始前，先讀取并記錄色度傳感器的初始數據，然后抽拉注射器活塞至3.5mL刻度處，并用注射器外部固定螺母將活塞固定。此處需要注意的是：由于快速抽拉注射器活塞會對氣體做功，在一定程度上導致注射器內部溫度發生變化，故可緩慢拉動注射器活塞，并需待吸光度數值保持穩定后再讀取記錄數據。

（3） 將實際吸光度數據與不考慮平衡移動時的吸光度數據相比較，即可判斷出壓強對化學平衡移動的影響。實驗中亦可通過推動注射器活塞至目標刻度，并通過旋開注射器的螺口旋蓋后，調節內部螺母的位置將活塞固定，然后再旋緊注射器的螺口旋蓋，同樣待吸光度讀數穩定后再讀取最終數據并與不考慮平衡移動的理論數據作比較得出結論。

3.3.3 實驗現象及實驗數據

色度傳感器的初始數據吸光度為0.36AU，抽拉注射器至3.5mL刻度處（即體積增大一倍）測得平衡后的吸光度為0.28AU，根據比爾朗伯定律，與不考慮平衡移動時的吸光度數據0.18AU相比較，即可判斷出壓強對化學平衡移動的影響。

3.3.4 實驗優點

本實驗裝置可以較為精準地改變氣體的體積從而控制壓強的變化，而通過將實驗最終所得色度數據與不考慮平衡移動時計算得出的色度數據相比較，則可避免溫度等因素的干擾，成功得出壓強對化學平衡狀態影響的相關結論。

3.4 壓強對化學反應速率的影響

不少同行已對該實驗進行了設計，取得了一定的教學效果，但仍然存在一些問題。例如設計選用線香燃燒反應，卻存在學生并不了解線香的化學組成，且氧氣濃度不易控制，使實驗的成功率不高；設計選用二氧化碳與水反應、二氧化硫與氫氧化鈉溶液反應等，卻又存在氣體溶解、平衡移動等多方面因素共同影響的問題；設計選用各類傳感器，又存在實驗操作復雜，實驗耗時較長，實驗現象不夠直觀等問題［3］。基于此，嘗試使用活塞可固定式注射器（100mL）、二通閥等儀器，設計選用學生較為熟悉的硫化氫氣體與二氧化硫氣體常溫下反應相關壓強對反應速率影響的實驗。

3.4.1 實驗裝置

實驗裝置如圖5所示。

3.4.2 實驗操作步驟

（1） 在同等壓強條件下，用一支活塞可固定式注射器（100mL）收集20mL硫化氫氣體后再抽入30mL空氣，另一支活塞可固定式注射器收集10mL二氧化硫氣體，將兩支注射器通過二通閥相連接（在實驗開始前使二通閥處于關閉狀態），記為A組。

（2） 取兩支活塞可固定式注射器分別在同等壓強條件下收集20mL硫化氫氣體、10mL二氧化硫氣體，用于對照實驗（實驗開始前二通閥處于關閉狀態），記為B組。將A、 B兩組收集有10mL二氧化硫氣體的注射器的內部螺母均固定于30mL刻度處。

（3） 同時打開A、 B兩組的二通閥，推動收集有硫化氫氣體的注射器活塞，迅速將其中氣體全部推入收集有二氧化硫氣體的注射器后，關閉二通閥。由于收集有二氧化硫氣體的注射器在實驗前已調節過活塞內部螺母，故活塞僅能被推動至30mL刻度處，而A組注入的氣體中除了等量的硫化氫外還有空氣，故壓強相對較大。

（4） 快速調節兩組收集有二氧化硫注射器的外部螺母，將活塞完全固定，防止氣體相互反應后造成注射器活塞回落。

3.4.3 實驗現象及實驗數據

在實驗中可清晰地觀察到A組收集有二氧化硫氣體的注射器壁上約8s后產生淡黃色固體，B組注射器壁上雖然在約20s后也逐漸產生淡黃色固體，但相對A組而言明顯較慢。

3.4.4 實驗優點

本實驗現象直觀、明顯，實驗用時較短，完全可以讓學生自己動手在課堂中去探索。

3.5 利用壓強變化觸發反應的硫酸亞鐵與氫氧化亞鐵制備的一體化實驗設計

一體化實驗往往具備實驗步驟連貫、實驗耗時相對較短等優點，但也存在所用儀器較多，裝置搭建較復雜，不便于課堂教學推廣等問題。為此，嘗試使用活塞可固定式注射器（100mL）、單向閥等儀器，利用壓強變化觸發化學反應進行硫酸亞鐵與氫氧化亞鐵的制備一體化實驗設計。

3.5.1 實驗裝置

實驗裝置如圖6所示。

3.5.2 實驗操作步驟

（1） 取一支活塞可固定式注射器（100mL）打開螺口旋蓋，抽出活塞后，加入10g鐵片（過量）后裝好活塞，調節注射器內部固定螺母于40mL刻度處，旋上螺口旋蓋，推動活塞排出注射器內部空氣后，將注射器與三通閥上端相連。

（2） 另取一支普通注射器吸取10mL 3mol/L稀硫酸，連接向外開啟的單向閥后，再將單向閥與三通閥的下端相連。

（3） 再取一支普通注射器吸取煮沸后的15mL 6mol/L氫氧化鈉溶液，連接向內開啟的單向閥后，再將單向閥與三通閥右端相連。

（4） 抽拉裝有鐵片的注射器活塞，使裝有稀硫酸注射器中的稀硫酸全部進入活塞可固定式注射器。

3.5.3 實驗現象及實驗數據

可以觀察到鐵片與稀硫酸反應迅速產生氣泡，氣體推動注射器活塞至40mL刻度處，由于螺母固定，故此時活塞不再移動，注射器中反應后的溶液被氣體排出注射器，進入裝有氫氧化鈉溶液的注射器，并生成白色沉淀氫氧化亞鐵，由于實驗裝置密閉，可以保存白色沉淀較長時間不變色。

3.5.4 實驗優點

利用壓強變化觸發化學反應，實驗操作難度低，實驗耗時短，實驗現象清晰可見，氫氧化亞鐵白色沉淀保存時間長，有助于激發學生的學習興趣和對反應原理的理解。

4 結語

基于活塞可固定式注射器對部分中學化學所涉及的壓強相關實驗進行了設計與改進，取得了良好的效果。在教學實踐中，還可以引導學生思考實驗裝置原理、實驗的本質，引導學生完成實驗裝置的再改進的探索，培養學生的創新意識。

參考文獻：

［1］趙雯， 馬力. 化學氣體實驗一體化裝置的新改進［J］.化學教學， 2022， （5）： 72～74.

［2］王磊， 信欣， 孫影. 壓強對化學平衡影響的再探究［J］. 化學教與學， 2023， （14）： 86～91.

［3］顧仲良， 周學工. 壓強對反應速率的影響實驗探索——應用溴百里香酚藍的色變［J］. 化學教與學， 2020， （4）： 93～95.