注射器在微型化学实验中的妙用

绍兴文理学院(312000) 廖宇春 刘雪松 胡英杰

1 微型化学实验

在化学教学过程中，实验具有十分重要的作用，如提高学生学习化学的兴趣、帮助学生建立化学概念、培养学生的创新精神、观察力、实践能力等。然而，由于经费、安全、环境和高考导向等因素的影响，学生能够直接参与的化学实验非常少，甚至存在教师演示实验也无法进行的情况。毫无疑问，实验的缺失不仅影响学生化学知识的学习，更不利于学生化学实验操作技能、创新思维和创新能力的培养。

微型化学实验的出现则可以改善上述情况。李增春[1]等人指出：相对于常规实验而言，微型化学实验有两个突出特征，一是实验试剂用量更少，二是在微型化仪器装置中进行实验。在部分微型化学实验中，实验者除了控制化学试剂的用量外，还会使用一些生活中常见的废弃物品，如塑料瓶、玻璃瓶、输液管和一次性注射器等来代替微型化实验仪器。将生活物品引入微型化学实验可在一定程度上提高学生对实验的接受度和参与度，他们可以在已有的实验装置上进行改进，甚至可以自己设计一个完整的实验装置。这不仅能够提高学生的实验操作技能，而且能够培养学生的创新能力和环保意识。同时，学生在参与和改进微型化学实验中体验到的乐趣更有利于提高他们学习与钻研化学的积极性。

在改进的微型化学实验中，注射器应用十分广泛。一次性注射器在医疗过程中使用后，经过消毒可以变废为宝，可在化学实验中循环利用，即使购买新注射器的价格相比化学仪器也更为实惠。注射器代替实验仪器可明显降低实验成本，从而在一定程度上缓解中学化学实验的经济压力。注射器为透明塑料制品，且自身带有刻度，在化学实验中可以测量气体或液体的体积。注射器的活塞能够很好地控制加入液体试剂的量，起到分液漏斗或滴管的作用。注射器在化学实验中的应用已有几十年的历史。早期，注射器在气体制备、物质活泼性比较、气体氧化还原性能验证等实验中均有涉及[2]。近些年，注射器有了更为广泛的应用，如被用来抽送气体、替代分液漏斗、代替量筒、替代反应容器等[3]。在许多微型化学实验中，实验者仅仅依靠注射器、输液管等简单物品便能完成整个化学实验，如李勇[4]以注射器为主，进行了分子运动、分子有间隔、测定空气中氧气含量等多个化学实验。在广东省2013年中学化学教师实验能力大赛中，也有老师曾用注射器代替分液漏斗进行碘单质的萃取实验[5]。本文将在现有研究基础上对注射器在化学实验中的应用进行归纳和拓展，进而为中学化学实验教学提供参考。

2 注射器的应用

2.1 用作发生装置

一次性注射器也称一次性针筒，分为三件式和两件式，三件式在日常生活中更普遍。三件式结构由芯杆、胶塞、空筒以及注射针和外包装组成。其中，芯杆和胶塞(通常为黑色)组成了注射器的活塞，活塞可在空筒内自由推动，保持注射器气密性良好。针尖、针梗、针栓则构成了针头。一次性注射器的具体组成如图1所示。

图1 一次性注射器结构图

在微型化学实验中，注射器可以代替烧杯或试管作反应发生的容器，在整个实验装置中用作气体发生装置，用来制备氧气、氢气、二氧化碳等多种气体。由于注射器是塑料制品，不宜高温加热，在此仅讨论固液不加热和液液不加热两种类型的发生装置。

2.1.1 固液不加热型装置

在固体和液体发生反应且不需要加热的装置中，可以用注射器来代替发生装置，制取所需要的气体。如张继旺[6]在注射器中加入锌粒，然后吸取稀硫酸，套上输液管即可制取氢气。同样的，将注射器中的锌粒换成大理石，然后吸取稀硫酸，则可制备二氧化碳。因此，如图2所示，利用注射器制取二氧化碳、氧气、氢气等气体时，我们可以在注射器中放入固体试剂，然后再拉动活塞吸取液体试剂，二者接触后发生反应，即可得到所需制备的气体。

图2 固液不加热型装置图

同时，我们也可以把固体试剂和液体试剂分别装入两支注射器中，然后进行反应。如图3所示，在一支注射器中放入固体试剂，另一支注射器吸入液体试剂，两支注射器用输液管连接。截去装入固体试剂的注射器的芯杆，并在黑色胶塞上打孔，然后连接输液管，推动装有液体试剂的注射器的活塞，将液体压入另一支注射器中，与固体试剂充分接触，即可制取所需气体。李俊等人[7]曾用两支注射器自制了微型启普发生器来制取二氧化碳，其中，大理石和稀盐酸就是分别装在两支注射器中的。氢气、二氧化碳、硫化氢气体等需要用启普发生器制取的气体，均能用注射器来制备。

2.1.2 液液不加热型装置

注射器也可以用于液—液且不需要加热的反应中。在液—液反应的过程中，选择如图3所示的连接方式进行反应更为合适。在两支注射器内分别装入需要反应的两种液体试剂，推动左侧注射器的活塞，将该注射器内的液体试剂压入另一支注射器中，两种试剂即可发生反应。在碳酸钠溶液和稀盐酸溶液发生反应制备二氧化碳、氢氧化钠溶液和氯化铵溶液反应制备氨气等过程中均可以此作为发生装置。

图3 液液不加热型装置图

2.2 用作集气装置

在微型化学实验中，注射器可以充当集气装置用来储存气体，同时还可利用注射器的刻度来测量所收集气体的大致体积。如图4所示，注射器一端与输液管相连接来收集制得的气体，气体推动注射器的活塞向上移动，并根据注射器的示数来确定气体体积。

图4 集气装置图

2.3 用作气体干燥装置

拔出注射器的活塞，在注射器中放入固体干燥剂，然后截去注射器的芯杆，并在胶塞上打孔，同时在注射器的两端连接上输液管。将装有固体干燥剂的注射器水平放置，即可得到如图5所示的气体干燥装置，它可以用来干燥氢气、氧气、一氧化碳等气体。例如在实验中需要对氧气进行干燥，首先将装入碱石灰的注射器水平放置，然后从左侧的输液管通入湿润的氧气，在右侧输液管口即可得到经碱石灰干燥后的氧气。

图5 干燥装置图

2.4 用作检验装置

在某些化学实验中，检验某种杂质是否被除尽，需要设计一个检验装置。如检验氢气是否干燥，则需要在装置内放入无水硫酸铜。若气体干燥，则白色无水硫酸铜不变色；若气体湿润，则白色无水硫酸铜变蓝。图5所示干燥装置也可被用来作为检验装置，其中只需把注射器内的干燥剂换成检验的试剂(如无水硫酸铜)即可。

2.5 用作防倒吸装置

在对二氧化硫、二氧化氮等有毒气体作尾气处理时，往往需要考虑是否会发生倒吸现象，注射器能够作为防倒吸装置来解决这个问题。如图6所示，去掉注射器的芯杆，并在胶塞上打孔，然后在注射器的两端连接上输液管，其中一端的输液管通入除尾气装置，并保持注射器管呈竖直状态。当出现倒吸现象时，倒吸进来的液体则被储存在注射器中，可以避免吸收液进入受热仪器或反应容器，从而影响整个反应的进程。

图6 防倒吸装置

2.6 用作萃取装置

在微型化学实验中，注射器由于其良好的密封性可用作萃取装置。以萃取碘水中的碘为例，首先抽出注射器的活塞，加入碘水和四氯化碳后再装回活塞，用力振荡，静置等待液体分层。由于注射器的材质透明度良好，所以可以观察到注射器中液体明显的分层现象。然后向下推动活塞，即可从注射器的乳头处得到含有碘的四氯化碳；抽出活塞则能够从注射器上端倒出水溶液，从而完成萃取碘水中的碘这个实验。