利用气球设计多用途实验装置
2023-07-11朱玉林
朱玉林
摘要：利用气球等生活中常见材料，设计具有“产气、储气、排气”用途的一体化实验装置，适合应用于制作简易供氧器、简易灭火器、空气质量检测站等初中化学实践活动。新设计的实验装置结构简洁但功能多样，与常规装置相比具有不易漏气、占用空间小、操作简便等优点。
关键词：气球；一体化实验装置；实验探究
文章编号：10056629（2023）06007204中图分类号：G633.8文献标识码：B
新版义务教育课程方案以立德树人、素养立意为指导，要求“在学科教学中设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联，带动课程综合化实施，强化实践性”。《义务教育化学课程标准（2022年版）》明确提出了实施跨学科实践活动的要求［1］，并提供了“基于特定需求设计和制作简易供氧器”和“微型空气质量‘检测站的组装与使用”等10个推荐项目。
在教学实践中发现，学生动手完成这些跨学科实践的实验存在一定困难。尤其是涉及气体的实验，有的学生照搬实验室装置的设计，不考虑是否适合家用，脱离了生活情境；有的设计理念尚可，但很难从生活中找到实现所需功能的材料；还有的虽然尝试采用生活中常见材料制作作品，但极容易出现漏气的情况，导致实验失败。
本文利用气球等生活中常见材料，设计制作了一款能够实现“产气、储气、排气”的多功能装置。该装置可用于完成新课标中的“简易供氧器”和“空气质量检测站”跨学科实践活动，还可用于“简易灭火器”等其他经典的化学基础实验。
1 装置的设计
如图1所示，该装置的主体是一个橡胶材质的透明气球，利用扩口钳可以将气球口撑大，放入反应物。粉末、颗粒等固体反应物直接放入，液体反应物封在自封袋内后放入。然后撤去扩口钳，连接一个气球吹嘴（如有内置阀门可用剪刀去除），气球吹嘴中内置导管，气球吹嘴和导管之间用堵漏王密封，软质的导管上带有一个止水夹。堵漏王是一种类似水泥但可在3min内快速凝固的防水材料。
2 实验装置
当装置处于未启用的状态时，气球是瘪的，占用空间很小，而且可以长期存放。启用后，根据需要，可以用于“产气、储气或排气”。
2.1 产气
需要生产气体时，只需要用手捏破自封袋，让袋内的液体流出，反应物混合后充分接触，就能生成所需气体。如表1所示，根据需要生产的气体不同，仅需在气球内放入不同的反应物。
2.2 储气
气球还可以充当储气装置，因为气球口部的导管装有止水夹，关闭时，生成的气体就无法排出。随着气体的生成，气球逐渐变大。反应结束后，只要不打开止水夹，气体就可以被长时间地储存在气球内。
2.3 排气
气球自身具有收缩力，所以还有自动排气的功能。使用时，只要打开气球口部的止水夹，就能让气体排出，通过导管输送到指定部位。还可以把止水夹换成流速调节器，就能以需要的流速排气。在特殊情况下（如自制灭火器时）还可以刺破气球，瞬间排气。
3 装置的应用案例
该装置具有一体化、多功能的特点，将其应用于“制作简易供氧器”“制作简易灭火器”和“制作空气质量检测站”三个实践活动的案例如下。
3.1 制作简易供氧器
3.1.1 实验用品
10%～20% H2O2溶液、MnO2粉末；乳膠气球、扩口钳、自封袋、气球吹嘴、堵漏王、鼻氧管、流速调节器、磁铁
3.1.2 实验装置
设计的实验装置如图2所示。无需夹持装置，使用时手持即可。
3.1.3 制作方法
（1） 把3 g MnO2粉末与10 g堵漏王混合均匀，加少量水搅拌成糊状，然后用其包裹一块磁铁，搓成小块。等待3min凝固后就形成了表面负载MnO2、内部包裹磁铁的堵漏王小球。如果不需要随时关停，可以省略这一步。
（2） 在自封袋中装入30mL 10%～20% H2O2溶液。用扩口钳将气球口撑开，向气球中放入自封袋和堵漏王小球或二氧化锰粉末。
（3） 在鼻氧管上套一个流速调节器。把鼻氧管的一端插入气球吹嘴中，用堵漏王把两者结合、密封。把气球吹嘴套在气球口，关闭流速调节器。
（4） 制氧气时，捏破自封袋，使H2O2溶液从自封袋口流出，与堵漏王小球表面的MnO2接触并产生氧气。待到制得足够氧气或气球涨大过快需要停止反应时，用另一块磁铁吸引堵漏王小球内的磁铁，使堵漏王小球脱离H2O2液面，反应停止。
（5） 需要吸氧时，打开流速调节器，调节排出氧气的流速到合适大小，通过鼻氧管吸氧。
（6） 氧气不足时，重新用磁铁把堵漏王小球吸引到H2O2液面下，又可以重新制取氧气，随时启用或停止。
3.1.4 装置优点
（1） 常规的供氧器一般用碳酸饮料瓶等硬壳容器来制作，但这样就需要产气（氧气发生装置）、储气（储存氧气装置）、排气（把氧气导入鼻腔的动力装置）三部分装置，至少需要2～3个硬壳容器，装置复杂，且占用很大空间。本装置在使用前只是一个瘪的气球，占用空间极小，便于携带。使用时用气球实现产气、储气、排气一体化，不仅操作简单，还避免了多次导气带来的漏气问题。
（2） 采用表面负载MnO2、内部包裹磁铁的堵漏王小球，用外部磁铁控制该小球是否与H2O2溶液接触，实现了低成本的随开随用，非常方便。
3.2 制作简易灭火器
3.2.1 实验用品
30%白醋、NaHCO3粉末、纯净水；8英寸乳胶气球、扩口钳、自封袋、气球吹嘴、堵漏王
3.2.2 实验装置
设计的实验装置如图3所示。无需夹持装置，使用时手持即可。
3.2.3 制作方法
（1） 如图3，在一个自封袋中装入30mL 30%白醋，另一个自封袋中装入20g纯净水和10g NaHCO3粉末。
（2） 用扩口钳将气球口撑开，向气球中放入2个自封袋。
（3） 用堵漏王把气球吹嘴填实，把气球吹嘴套在气球口，充当塞子。
（4） 需要制取二氧化碳时，捏破2个自封袋，使白醋与碳酸氢钠溶液接触，迅速发生反应，使气球迅速撑大。
（5） 需要灭火时，先判断火势大小，如果是小面积、可接近的火源，可把实心吹嘴拔出，用气球口对准火源根部喷气。如果是小面积但不易靠近的火源，可以直接把气球投掷到火源根部，气球遇热爆炸，二氧化碳气流和溶液都能起到滅火的作用。教师应提醒学生此实验以模拟体验为主，因为本装置只能扑灭可控状态下的小面积火源，遇到紧急情况仍然应该使用专业灭火器或撤离现场。
3.2.4 装置优点
（1） 常规的自制灭火器装置大多借鉴了“套管实验”装置，能够很快地使2种溶液混合，但平时也存在误触混合、水分蒸发等问题，不易长期保存。本装置把2种溶液分装在自封袋内，在同样能保证立刻生成二氧化碳的前提下，还具有不易误触、免产气保存的优势。
（2） 本装置巧妙地利用了气球的两种特性：一是收缩性，使本装置可以像常规的“套管实验”装置那样喷射二氧化碳；二是易爆性，如果直接投掷到火源中，可以用爆炸产生的气流灭火。这样丰富了装置的功能性。
3.3 制作空气检测站
3.3.1 实验用品
空气质量检测指示剂：本文以甲醛检测为例，可以网购“甲醛检测试剂盒”，内含现成的“甲醛检测液”和“标准比色卡”。也可以按GB/T 18204.262000提供的步骤，用酚试剂和硫酸铁铵的配方自制，然后从网络中下载标准比色卡图片。国标建议每5mL检测液需要吸收10L空气中的甲醛。
其他实验用品为：10L透明气球（约10英寸）、注射器、气球吹嘴、导管、堵漏王、打气筒、止水夹
3.3.2 实验装置
设计的实验装置见图4所示。需用木架夹持气球吹嘴处。
3.3.3 制作方法
（1） 把透明气球的气球口朝上，用注射器加入5mL甲醛检测液。
（2） 把导管的一端插入气球吹嘴中，用堵漏王把两者结合、密封。把气球吹嘴套在气球口，然后把气球倒置（气球口朝下）。
（3） 用打气筒把周围空气鼓入气球中，使气体与甲醛检测液充分接触，同时气球变大。
（4） 当气球变大到10L后，停止鼓入空气，用止水夹夹住导管（也可以直接用手捏紧气球口），然后用力晃动气球内的溶液，再次确保空气与溶液混合均匀。
（5） 把变色后的甲醛检测液与标准比色卡比对，测出空气中的甲醛含量。
3.3.4 装置优点
（1） 空气质量检测准确的关键，在于样品空气与指示剂溶液的充分混合。本装置一方面在注入空气时，气体流过液体（类似洗气），另一方面可以通过用力振荡，进一步让空气与指示剂充分混合，提高准确性。
（2） 常规的方法是把指示剂溶液放在小碟中与空气接触，但容易受到气流速度等诸多因素干扰。本实验可以通过测量气球直径来控制注入空气的量，确保每次测定的空气的量是恒定的。
（3） 采用透明气球，可以直接观察指示剂颜色的变化，直观且方便。
初中化学实验进行创新改进的目的就是化繁为简，突出实验的简约性和实用性［2］。本装置“一球多用”，虽简洁却方便，充分说明“简约不简单”的哲理［3］。
4 结束语
在实践中发现，这种简洁的装置由于省去了许多连接导管和夹持装置，避免了漏气或粘合松开的问题，提高了成功率。一线化学教师在实验教学中，还可对这个气球装置做更多的改进和创新，使它应用到更多的实验和跨学科实践活动中，助力学生顺利完成更多的科学探究活动，进而培养他们的创新精神和实践能力。
参考文献：
［1］占小红. 《义务教育化学课程标准（2022年版）》的变化、特征及启示［J］. 化学教学，2022，（8）： 9～13.
［2］李德前. 例谈初中化学实验创新的思维方法［J］. 化学教学，2013，（3）： 65～68.
［3］刘瑶，李德前，李为为. 巧用直角玻璃管改进初中化学实验［J］. 化学教学，2019，（4）： 77～79.
