例析一套多功能实验装置的创新

摘要： 流体参与的反应实验在中学化学教学中居多，利用注射器改进的多功能实验装置可以顺利完成中学化学的大多数流体参与的反应实验。利用改进装置完成实验安全可靠、试剂微量，并能有效防止有毒气体的泄漏，有利于启迪思维、诱导发现，真正实现化学实验载体功能在学科素养渗透中的作用。

关键词： 流体反应实验; 通用实验装置; 实验改进

文章编号： 1005-6629（2019）8-0074-03            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

1  装置设计概述

在中学化学教材有流体参与的化学实验中，有许多实验存在一些不足，如现象不明显、实验装置复杂、药品用量较多、有毒气体排入空气造成污染等等。鉴于此，从多个方面对该类实验提出通用的实验改进新方法。

试剂取用： 液体试剂的取用可依据量的不同进行操作，少量液体的取用一般采用胶头滴管的负压原理，吸进滴管后，通过挤压胶头滴加液体控制试剂的用量。采用一次性塑料注射器可以完成负压取用液体的要求。同时，注射器外径刻度线为较多量液体的定量取用创造了条件。

反应环境： 化学试剂的反应大多包括液体的取用、试剂的混合反应等两个步骤，往往反应器与试剂的取用是分开的。圆筒状注射器的筒部可作为反应器完成该功能，使装置系统更为简洁。

后续（尾气）处理： 尾气处理是绿色化学、生态化学的重要体现。在中学化学的许多实验设计中（如氯气的性质实验）都是单独设立一个尾气处理装置。注射器的可控与密封性为尾气（后续）装置的设计提供了非常便利的条件。

2  实验器材及装置设计

实验器材： 50mL注射器3支、100mL注射器2支、医用输液三通管2个、医用输液管若干、注射针头1个、烧杯1个、酒精灯、固定板2块

装置设计： 如图1所示，将一支三通管分别连接50mL的注射器、100mL的注射器以及长玻

璃导管，在相应的连接处加玻璃活塞，实现装置的可控与密闭，以完成“一体两管装置”。另取一支三通管分别连接三支50mL的注射器，在相应的连接处加玻璃活塞，实现装置的可控与密闭，以完成“一体三管装置”。

3  经典实验例证

3.1  “一体两管装置”完成固体与液体反应的流体实验（以浓硝酸与铜反应实验改进为例）

3.1.1  教材实验分析

人教版《全日制普通高级中学教科书（必修加选修）·化学》（第二册）[1]第16页实验1～7中，Cu和浓HNO3反应，不能控制反应的发生和停止，并且产生的气体有部分易泄露或直接排入大气，污染空气。

在苏教版《普通高中课程标准实验教科书·化学1》[2]中，由于污染严重等原因，删除了该实验。本实验通过对装置的创新设计和改进，能實现有毒气体的“零排放”。并且还能做一系列有关NO2和铜盐的实验，现象明显，可谓一举多得。

3.1.2  实验改进装置

3.1.3  实验操作

按图2连接好装置，检查装置的气密性。

向50mL注射器中加入3片铜片，将输液管及100mL注射器中吸入10mL浓硝酸，确保排尽空气。重新连接好装置。

关闭活塞A，打开活塞B，将浓硝酸压入50mL注射器中，观察到浓硝酸与铜片反应剧烈，产生大量红棕色气体。

反应结束时，将50mL注射器内的液体压回100mL注射器中，在50mL注射器中即可收集到纯净的NO2气体。打开A活塞，关闭B活塞，向上轻轻拉动50mL注射器的活栓，烧杯内的水即可喷入50mL注射器中，且可观察到红棕色气体转变为无色气体，液面上升2/3体积。

3.1.4  实验改进后的优点

改进装置是一个封闭体系，可以防止氮氧化物对空气的污染。

该装置可根据需要，实现小型化设计，用10mL、 20mL注射器替换，可以大大减少药品的用量，并且该实验装置不易破损，可重复使用，降低了实验的成本，非常适用于实验条件欠发达的地区。

可以随时让反应发生和停止，操作一气呵成，可以实现演示NO2溶于水压强减小液体喷入的实验，现象明显直观，有利于学生“宏微”转化思维的培养。同时，红棕色气体转变成无色气体，说明生成的稀硝酸与铜反应产生的气体是NO。

该装置还适用于

制取H2、 O2、 NO、 NO2、 CO2、 Cl2、 C2H2、 H2S、 SO2等实验;也可用于NH4NO3溶液和CaO制取NH3、 Na2O2与H2O反应生成O2;利用金属钠与无水乙醇反应来测定乙醇分子结构的定量实验等[3]。

3.2  “一体三管装置”完成固体与液体反应的实验[以Fe（OH）2沉淀制备实验改进为例]

3.2.1  原实验存在的问题

制备Fe（OH）2时，产生的沉淀物只有瞬间的白色（几乎分辨不出），很快就转变为灰绿色[甚至在离试管口近处看到了红褐色Fe（OH）3]。根据课本上[4]介绍的原理——是因为最初产生的Fe（OH）2不稳定，很快就被空气中的氧气氧化生成红褐色的Fe（OH）3，因而影响了实验效果。

3.2.2  实验改进装置

3.2.3  实验操作

按图3连接好装置，并检查装置的气密性。

向注射器A中加入适量铁粉，并吸入少许蒸馏水;将输液管及注射器B吸入稀硫酸（1∶5），确保排尽空气;注射器C中吸入过量的新制的NaOH溶液。重新连接好装置（如图3）。

打开活塞1和活塞2，关闭活塞3，将B中稀硫酸压入装有铁粉的A中，观察到有气泡产生。

待其反应完毕后，关闭活塞2，打开活塞1、活塞3，将生成的FeSO4压入注射器C新制的NaOH溶液中，這时就可以看到有白色沉淀生成。

接着还可取下注射器A，接上注射针头，在酒精灯上点燃收集到的氢气[5]。

3.2.4  实验改进后的优点

操作简单，现象更加明显，能长时间看到白色Fe（OH）2沉淀的存在。还可以演示Fe（OH）2转化成Fe（OH）3的过程，使人信服[将产生Fe（OH）2沉淀的注射器中吸入空气即可]。收集的氢气纯净，点燃前不必验纯。

该装置还可用于以下对比型或混合型实验。

（1） 固体和液体反应的实验，如Na2CO3和NaHCO3与HCl反应的对比;CaCO3粉末和CaCO3块状固体与稀盐酸反应的比较;用浓、稀HNO3和铜片反应同时制取NO2和NO的对比实验;用于比较金属活动性强弱的实验等。

（2） 气体和液体反应的实验，如乙烯的性质实验（乙烯和溴水、酸性KMnO4溶液反应的实验）;SO2与品红溶液、酸性KMnO4溶液反应的实验;CO2与NaOH溶液、水反应的对比实验等。

（3） 液体和液体反应的实验，如NaOH溶液与CuSO4、 FeCl3溶液反应的对比实验;同浓度的H2SO4与不同浓度Na2S2O3溶液反应的速率比较等。

（4） 气体和固体反应的实验，如CO2分别与Na2O、 Na2O2粉末反应的对比实验;钢铁锈蚀条件的探究实验等。

（5） 气体和气体反应的实验，如氨气与HCl、 HNO3蒸气（可用注射器吸取浓盐酸、浓硝酸上面的气体得到）不同酸性气体的“发烟”比较： 可预先在B注射器中吸满氨气，在A和C注射器中分别吸入1/3左右的HCl、 HNO3蒸气，打开3个活塞，轻轻推动中间充满氨气B注射器的活栓，可在A和C注射器中看到白烟，说明氨气能与酸反应得到铵盐;H2S与SO2、 Cl2气体氧化性不同的反应对照： 可预先在B注射器中吸满H2S，在A和C注射器中分别吸入1/3左右的SO2、 Cl2，打开3个活塞，轻轻推动中间充满H2S B注射器的活栓，可在A注射器中看到黄色浑浊、C注射器中的黄绿色变浅并也看到黄色浑浊，说明H2S能被弱氧化性的SO2和强氧化性的Cl2氧化，具有强还原性;用于NO2反应的平衡实验： 在三个注射器中吸入等体积的NO2，关闭三个活塞，推动A注射器的活栓气体加压，拉动C注射器的活栓气体减压，B注射器压强不变作对照，根据两个注射器气体颜色的变化验证压强对化学平衡的影响。

4  实验创新和改进意义

该系列实验装置为通用实验装置，适用于有流体参与并且不需加热的化学反应，如果反应放出热量较多，可以更换成玻璃注射器。

该实验所用主要器材来源于生活，整套装置简洁明了，安全高效。通过推、拉注射器活栓和操控玻璃活塞，使实验的发生和停止操控自如。利用该实验装置制取、收集的气体纯净，点燃不需验纯。

采用该实验装置，可以减少药品用量，节约试剂，并且该实验装置不易破损，可重复多次使用，降低实验的成本，非常适用于实验条件相对落后的学校或地区。

通过应用注射器组成全封闭实验装置，不仅避免对环境的污染，而且使实验步骤和操作更简化，提高了课堂教学效益，有利于培养学生的科学探究能力，树立环保意识，增强在化学实验过程中的自我保护能力。

装置由“两管”到“三管”的转变，能很好地启发学生的发散思维，培养和提升学生的思考力和“链式思维”。

参考文献：

[1]宋心琦主编. 全日制普通高级中学教科书·化学（必修加选修）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007.

[2]王祖浩主编. 普通高中课程标准试验教科书·化学1（必修）[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2004.

[3]贾同全. “内燃负压”式密闭燃烧喷泉装置[J]. 化学教学， 2013， （7）： 47～48.

[4]王磊主编. 普通高中课程标准试验教科书·化学1（必修）[M]. 济南： 山东科学技术出版社， 2007.

[5]胡筱岩， 李耀军. 一则喷泉实验的微型化设计和应用[J]. 教学仪器与实验， 2014， （03）： 43.