医用“留置针原理”在化学实验中的应用

严春建

（如皋市教育局教研室江苏南通226500）

医用“留置针原理”在化学实验中的应用

严春建

（如皋市教育局教研室江苏南通226500）

借鉴医用静脉留置针的原理，通过添加注射器、医用氧气袋等附件的方式，对“测定空气里氧气的含量”“加热高锰酸钾制取氧气”“氧气的实验室制取与性质”“铁的吸氧腐蚀”“溶解时的吸热或放热现象”“铁丝在氧气中燃烧”等实验进行优化设计，增加实验的可视性、对比性、成功率，有利于学生理解问题、加深印象。

静脉留置针；注射器；医用氧气袋；燃烧瓶

一、问题的提出

在初中化学日常教学中，我们经常会遇到这样的问题：在“测定空气里氧气的含量”实验［1］（如图1）中，红磷燃烧消耗氧气，待红磷熄灭，装置冷却至室温后，水沿导管进入集气瓶中。此实验中，进入集气瓶中的水的体积就是消耗氧气的体积。对于“进入的水”、“消耗的氧气”二者体积上的等量关系，学生往往是被动接受、半信半疑，很难真正认可此结论。如何解释才能明晰关系？才能让学生认可？才能让学生印象深刻？

图2 静脉留置针

在解答上述问题时，教师最为常用的方法是“黑板实验+口头表述”，但其效果并不理想，一定比例的学生很难真正理解老师的分析。究其原因，往往是因为这样的分析过于抽象，学生缺少直观的认识。

如果在化学实验时借鉴医学上的“留置针原理”，即在实验装置上增加一个注射器，就可以很好地解决这个问题。

二、留置针及其原理的初步运用

留置针，医学名词是“静脉留置针”（如图2）。静脉留置针核心的组成部件包括导管和针芯，使用时将导管和针芯一起穿刺入血管内，当导管全部进入血管后，抽出针芯，仅将柔软的导管留置在患者血管内，从而可以进行多次输液治疗，其优点是减少护士多次针刺给患者带来痛苦，且提升工作效益。

留置针的原理对解决上面的问题很有启发，实验装置中所增加的注射器，在不影响原有实验效果的前提下，可以借助实验呈现隐形的思维推理过程，使抽象问题直观化，更好地为学生释疑解惑。改进后，学生能真正认可“消耗气体的体积＝进入水的体积”，具体的改进方法如下。

学生按如下步骤进行实验：【步骤1】组装好装置（如图3），检查装置的气密性；【步骤2】打开止水夹1、2，拉动注射器活塞，吸进一定体积的水，使导管中注满水，集气瓶（容量约为250mL）中底部留存一些水，关闭止水夹1；【步骤3】取下注射器，将活塞移至刻度为50mL处；【步骤4】关闭止水夹2，接上注射器；【步骤5】取出橡皮塞，在集气瓶外点燃燃烧匙中的红磷，迅速将燃烧匙伸入集气瓶中并塞紧橡皮塞；【步骤6】待装置冷却至室温后，打开止水夹2，观察注射器活塞向右移动的体积，记为V1；【步骤7】再次将活塞移至刻度为50mL处；【步骤8】打开止水夹1，读取量筒中减少的水的体积，记为V2；比较V1、V2二者之间的关系并分析原因。

通过“步骤1”至“步骤6”的实验，学生可发现“红磷燃烧消耗氧气的体积为V1”；通过“步骤7”和“步骤8”的实验，学生可发现“进入集气瓶的水的体积为V2”；对比可发现“V1＝V2”。学生在动手实验的基础上，通过数据的对比，对于“消耗气体的体积＝进入水的体积”有了更直观、更深刻的认识；在探寻现象背后原因的过程中，学生的认识得以加深、记忆得以巩固、思维能力得以提升。

图3 “留置针原理”的运用1

图4 加热高锰酸钾制取氧气

三、“留置针原理”的拓展运用

1．“排水法收集纯净气体”适切时机的选择展示

义务教育化学课程标准（2011年版）要求学生能完成8个基础的学生实验，“氧气的实验室制取与性质”实验是其中之一。实验过程中，明晰化学反应原理、熟练运用基本的化学实验技能、理解实验操作要领背后的原因，对刚刚接触化学的初三学生而言，其重要性不言而喻。

实验室用排水法收集氧气时（如图4），操作要领：导管口开始有气泡放出时，不宜立即收集，当气泡连续并比较均匀地放出时，再把导管口伸入盛满水的集气瓶中［1］。为什么要这样操作？能否让学生“看到”空气的运动？

为让学生清楚如此操作的原因，教师可按如下步骤进行演示实验：连接实验装置（如图5）并检查装置的气密性；在注射器中充入红棕色的二氧化氮气体，并接上注射器；推动注射器活塞，将二氧化氮气体慢慢推入导管中（提醒学生关注水槽中刚开始产生气泡时二氧化氮气体到达的位置）。

实验过程中，学生观察到的现象为“水槽中刚开始产生气泡时，二氧化氮气体并未进入水中”，由此可体会到：实验室制取气体时，当生成的气体尚未进入集气瓶中时，装置中的空气已进入集气瓶中。从而进一步认识到：要收集纯净的气体，导管口开始有气泡时不能立即收集。

2.充当“先行者”角色，让“生成气体体积＝排出水的体积”的推论更清晰

在某些以定量实验为背景的试题中，常常需要测定产生气体的体积，通常采用的方法是将气体的体积转化为排出水的体积，排出水的体积等于反应产生气体的体积。但因为学生没有能亲眼观察到气体以及气体的运动，常常对此心存疑惑：为什么二者的体积之间会存在等量关系呢？

为让学生明晰“生成气体体积＝排出水的体积”，教师可按如下步骤进行演示实验：连接实验装置（如图6）并检查装置的气密性；推动注射器活塞，使一定体积（记为V1）的二氧化氮气体进入容器中；上下移动量筒，使集气瓶与量筒中液面保持水平，观察量筒中水的体积（记为V2）；进行数据分析。

实验过程中，学生可以亲眼看到红棕色的二氧化氮气体进入容器中，通过观察注射器中气体体积变化，即可判断出“‘生成’气体的体积”。实验时观察到集气瓶中的水进入量筒中，学生可读取“排出水的体积”，再通过数据对比可发现进入容器中的二氧化氮气体体积等于进入量筒中的水的体积，从而得到结论：“生成”气体体积＝排出水的体积。

图5 “留置针原理”的运用2

图6 “留置针原理”的运用3

3.用于“导管装水”，优化实验设计

（1）减小“测定空气里氧气的含量”实验的误差

“测定空气里氧气的含量”实验［1］（如图1）是人教版初中化学的第一个定量实验，该实验中，导致实验产生误差的原因是多方面的，可从实验药品（或实验原理）、实验装置、实验操作等方面寻找原因。虽然由于红磷燃烧时无法耗尽装置中的氧气，该实验无论如何改进，也仅能粗略测定空气中氧气的体积分数，但是该实验有利于学生理解拉瓦锡经典实验的原理，也是提高学生实验误差分析能力、培养学生规范实验意识的极佳范例。故进行教学时，有必要让学生学会寻找实验误差产生的原因及减小误差的方法。

按教材要求进行实验时，由于导管中含有空气，会导致实验结果有偏小的倾向。为消除这一因素的影响，可采用图3所示装置进行实验，在点燃红磷前通过拉动注射器活塞，使导管中充满水，可防止因“烧杯中水倒流时，导管中空气进入集气瓶中，抵消一部分红磷燃烧消耗的氧气”使测定的氧气含量偏小。

（2）节省“铁的吸氧腐蚀”实验的时间

在使用人教版高中化学教材（选修4）所示装置（如图7）进行“实验4-3：铁的吸氧腐蚀”实验［2］时，一般需要5～8分钟才会出现较为明显的现象，耗时较长的原因之一是：组装仪器时，无论是先塞紧橡皮塞，还是先将导管伸入水中，都会使得体系内压强增大，导致试管内液面高于导管内液面；铁钉发生吸氧腐蚀使液面上升时，要首先弥补这一段高度差。

为消除这一因素的影响，节约实验的时间，可采用图8所示装置进行实验。实验开始时，在连接好实验装置后，打开弹簧夹，向左拉动活塞，使导管中液面和试管中液面位于同一水平面上，然后夹紧弹簧夹。

图7 铁的吸氧腐蚀实验

图8 “留置针原理”的运用4

（3）提高“溶解时的吸热或放热现象”实验的可视性

物质溶解于水时，常常会产生温度的变化，有些物质溶解时会产生放热现象，有些物质则会产生吸热现象。为探究物质溶解于水时是吸收热量还是放出热量，教师常采用如图9所示装置进行实验。实验原本的设计思路是：先在试管中加入一定体积的水，再加入其他试剂，若U型管中左边的液面高于右边的液面，则说明溶解时出现吸热现象；若右边的液面高于左边的液面，则说明溶解时出现放热现象。但是，由于塞入橡皮塞时集气瓶内空气被压缩，使得右边的液面高于左边，会对后续实验的分析产生不利影响，比如判断是否出现放热现象时，不能通过比较“加入试剂后左右两端液面的高低”得到结论，只能通过比较“加入试剂前后左右两端液面的高度差”进行判断。

为消除这一因素的影响，提高实验的可视性，可采用图10所示装置进行实验。实验时，先在试管中加入一定体积的水，然后塞紧橡皮塞；向左拉动注射器活塞，当U型管中左右两边的液面齐平时，停止拉动活塞，并夹紧弹簧夹。在此基础上再进行后续实验，并进行分析判断。

图9 溶解时的吸热或放热现象

图10 “留置针原理”的运用5

三、“留置针原理”的变式运用

“留置针原理”应用于化学实验时，所添加的附件不局限于注射器，还可使用其他的器材，比如气囊、医用氧气袋等。以下改进实验中用于盛放氧气和空气的即为医用氧气袋，改进后的实验有利于提高人教版初中化学教材（2012年教育部审定）上册“铁丝在氧气中燃烧”实验［1］的成功率和探究性。

“铁丝在氧气中燃烧”实验是初中化学重要的演示实验，教师在演示时，成功率并不高，学生难以留下深刻的印象。另外，此实验主要用于验证氧气“能支持燃烧”这一化学性质，学生的主要学习活动是“观察实验——描述现象——回答问题”，主动参与实验设计的机会较少。那么，如何才能大幅度地提高这个实验的成功率呢？如何增加学生参与实验探究的机会呢？

为解决以上两个问题，笔者自制了一套玻璃材质的教具——燃烧瓶，其主体为空心的圆柱体，立体造型如图11（a）所示，并利用“燃烧瓶”改进了“铁丝在氧气中燃烧”实验装置，如图11（b）所示。

教师首先按照教材所示方式进行演示实验：在空气中加热铁丝、在集有纯氧的集气瓶中引燃铁丝，并引导学生思考和研讨如下问题：【问题①】实验中观察到“铁丝在空气中红热、在氧气中剧烈燃烧”，实验现象的差异与何种气体有关？【问题②】结合生活经验及演示实验，你认为氧气的浓度对燃烧的剧烈程度有何影响？【问题③】实验过程中，常因为“集气瓶容量小，氧气总量不足；刚点燃铁丝下端所系火柴，就将铁丝伸入集气瓶中”等因素，导致“铁丝无法燃烧”“燃烧时间较短”“燃烧不够剧烈”等现象的发生，结合问题②的结论，你有办法提高实验的成功率吗？

对于问题①和②，绝大部分学生独立思考后能达成共识：现象的差异与氧气有关；在其他条件相同时，氧气浓度越大，燃烧越剧烈。而问题③需要学生运用问题②的结论解决问题，要给予学生思考和交流的时间。实际教学过程中，较多的学生通过独立思考能提供的思路是“增大氧气浓度”，但不少学生忽视了“集气瓶中最初收集的是纯净的氧气”这一前提，通过小组交流，大部分学生都能认可“实验过程中通入氧气，以补充消耗的氧气、增大集气瓶中氧气的浓度”这一思路。

在此基础上，教师展示如图11（b）所示装置，并要求学生按如下步骤进行实验：取一根较长的细铁丝，绕成螺旋状，在其末端系一根火柴，再将另一端系在燃烧匙的金属丝上；按压氧气袋，使燃烧瓶中充满氧气；引燃铁丝下端的火柴，立即将铁丝伸入燃烧瓶中；待铁丝燃烧剧烈程度明显变弱时，按压氧气袋，持续通入氧气，关注铁丝燃烧的剧烈程度是否加剧；再按压空气袋，观察铁丝燃烧的剧烈程度是否变弱。

按照课本所示方式进行实验时，学生一般会机械记忆实验成功的关键要素之一是“实验时，一定要待火柴快燃尽时，才可将铁丝插入充满氧气的集气瓶中”，而忽视了操作背后的化学原理。改进后的实验，有利于学生突破思维定势，更多地关注实验操作背后的化学知识。改进后，学生观察到铁丝持续燃烧、火星四射，实验的成功率可达100%，有利于激发学生学习的兴趣、保持探究的欲望、树立学好化学的信心。

需要补充说明的是，教材所设计的“硫分别在空气和氧气里燃烧”实验［1］，由于硫粉分别在不同时间段、在不同集气瓶中燃烧，现象对比不同步，实验的对比性略有欠缺。可使用图11（b）所示装置增加实验的对比性，具体实验步骤和现象为：将点燃的硫粉伸入充满空气的燃烧瓶中[可使用图11（c）所示装置，以防止二氧化硫污染环境]，观察到产生微弱的淡蓝色火焰；按压氧气袋，通入纯净的氧气，硫粉燃烧明显加剧，发出明亮的蓝紫色火焰；按压空气袋，通入空气，硫粉燃烧剧烈程度变弱……实验过程中可反复增大、减小氧气的浓度，燃烧的剧烈程度随之加剧、变弱，现象对比鲜明，给学生以较强的视觉震撼。

图11 “留置针原理”的运用6、7

对于初中化学另一基础学生实验“实验活动3燃烧的条件”，清华大学宋心琦教授指出：“所谓条件至少应当包括与燃烧现象的发生、控制和终止等有关的三个方面，才能够算是一组比较完整的科学探究活动”［3］，而人教版教材上册第七单元并未出现对燃烧现象进行控制的实验设计，所以很有必要抓住这个教学契机。学生使用图11（b）所示装置进行实验过程中，当他们改变氧气浓度时，铁丝、硫粉等可燃物燃烧的剧烈程度也随之改变，故改进后的实验，对学生后续学习学会对“燃烧现象的控制”是大有裨益的。

［1］人民教育出版社课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心．义务教育教科书·化学（九年级上册）［M］.北京：人民教育出版社，2012：27，33，34，45

［2］人民教育出版社课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心．普通高中课程标准实验教科书·化学（选修4）［M］.北京：人民教育出版社，2004：85

［3］宋心琦.化学实验教学改革建议之五——燃烧的条件［J］.化学教学，2012（12）：3

1008-0546（2017）09-0078-04

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.026