用魯爾三通和注射器整合中學(xué)化學(xué)實驗的案例

霍本斌

摘要： 充分利用魯爾三通氣流流向的可控性、注射器功能的多樣性，分別對空氣中氧氣含量的測定、某些有毒氣體（如氯氣、氨氣、硫化氫、二氧化硫）的制備與性質(zhì)實驗、“鋁三角”中物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化實驗、含氮化合物之間的相互轉(zhuǎn)化及其異?，F(xiàn)象的探究實驗等內(nèi)容進行整合和一體化設(shè)計，不僅可以消除教材實驗自身存在的某些缺陷所導(dǎo)致的學(xué)生認知困難，還可以提升實驗教學(xué)質(zhì)量，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 魯爾三通; 注射器; 化學(xué)實驗; 一體化設(shè)計; 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2020）11-0072-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

注射器是一種十分常見的醫(yī)療器材，因其具有多種功能而受到中學(xué)化學(xué)教師的青睞并將其用于改進現(xiàn)行初、高中化學(xué)教材中的部分實驗，如用于檢測特定裝置的氣密性、制作減壓裝置[1]、某些易被空氣氧化的物質(zhì)的制備[2]、研究某些有毒物質(zhì)（如NOx）的性質(zhì)及實驗改進[3]、研究乙醇的催化氧化[4]等。這些關(guān)于注射器的應(yīng)用研究成果，往往針對某個單一的知識點或某一物質(zhì)的制備與性質(zhì)實驗進行改進，鮮有結(jié)合魯爾三通（見圖1）進行實驗設(shè)計。本文將介紹四則運用注射器和魯爾三通整合中學(xué)化學(xué)實驗的一體化設(shè)計案例，這些案例在教學(xué)中均取得較好的實驗效果。

1? 優(yōu)化測定空氣中O2含量的實驗

人教版九年級《化學(xué)》上冊中“空氣中O2含量的測定”實驗（見圖2），因下列原因而造成較大測量誤差： （1）無法利用加熱法檢測裝置的氣密性。若空氣受熱時的膨脹速率大于裝置的漏氣速率，燒杯中導(dǎo)管末端依然會產(chǎn)生氣泡，這會對裝置的氣密性產(chǎn)生誤判;（2）構(gòu)成密閉系統(tǒng)部分的氣體是個變化量，無法準確判定具體體積。這是由于燃燒的紅磷伸入廣口瓶時造成瓶內(nèi)空氣膨脹而部分逸出，致使廣口瓶上的原有刻度標識失準;（3）打開止水夾時，回流到廣口瓶中的水還有少量殘留在導(dǎo)管中;（4）無論使用紅磷還是白磷，氧氣都會有一定殘留[5]等。

為了解決上述問題，魯通老師[6]借助壓力傳感器并利用鋼絲絨生銹法來測定空氣中O2的含量，解決了測定結(jié)果的準確性問題，卻存在耗時長、不便于課堂演示等缺陷。王培明、徐寶剛等[7]則提出采用電烙鐵頭部纏繞銅絲，在自制的玻璃鐘罩內(nèi)，用電加熱銅絲引燃白磷，白磷再引燃紅磷，從而達到控制封閉體系中的氣體為不變量，實現(xiàn)O2含量的準確測定。這種實驗方法在一定程度上解決了教材裝置中封閉系統(tǒng)氣體是變化量的問題，但由于需要用電加熱的電鉻鐵，會產(chǎn)生一定的不安全因素，測量也不夠精確。如何才能確保實驗結(jié)果的可靠性、安全性并適宜于課堂演示？筆者結(jié)合以往研究成果，借助脈沖電子點火器、壓力傳感器、魯爾三通和注射器設(shè)計改進裝置（見圖3），輕松達成實驗?zāi)繕恕?/p>

按圖3連接好實驗裝置，旋轉(zhuǎn)魯爾三通的控制閥，打通三頸瓶與注射器B之間的氣流通道。緊接著打開正方體軟件Lab studio并選擇“壓力傳感器”，在“按取樣頻率記點”欄選擇“10點每秒”，時間選擇“1分鐘”。在“采集”菜單下選擇“開始采集”，記下此時的初始壓強p起（p起=98.2kPa）。啟動脈沖電子點火器，點燃白磷。由于白磷燃燒放熱，使三頸瓶內(nèi)氣體受熱膨脹，導(dǎo)致瓶內(nèi)氣壓增大，部分空氣從瓶內(nèi)進入注射器B中，注射器B的活塞緩慢向上移動，直至白磷燃燒結(jié)束。當白磷燃燒結(jié)束后，瓶內(nèi)溫度開始下降、氣體體積不斷收縮，三頸瓶內(nèi)氣壓下降?？捎^察到注射器B的活塞在外界大氣壓作用下又開始往下移，直至恢復(fù)原狀。冷卻至室溫，當瓶內(nèi)氣壓穩(wěn)定時停止數(shù)據(jù)采集，記下此時壓強p終（p終=78.20kPa）。最后旋轉(zhuǎn)控制閥，連通三頸瓶與注射器A間的氣流通道，將注射器A中的NaOH溶液全部推入三頸瓶中，搖動三頸瓶，除去其瓶內(nèi)的有毒物質(zhì)。根據(jù)氣體方程pV=nRT推知恒溫條件下： p起-p終p起=V起-V終V起，即ΔVV起=Δpp起。由于燒瓶內(nèi)氣體的減少量為空氣中氧氣的量，即V（氧氣）=ΔV，所以空氣中氧氣的體積分數(shù)為（O2%）=ΔVV起×100%=Δpp起×100%=98.2-78.298.2×100%=20.34%。該結(jié)果與空氣中氧氣的體積分數(shù)約為21%非常接近，測試值略低是由于白磷燃燒結(jié)束后氧氣仍有殘余，大約為2%～3%的緣故[8]。

2? 借助魯爾三通和注射器對有毒氣體的制備及其性質(zhì)實驗進行一體化設(shè)計

諸如Cl2、 SO2、 NO2等有毒氣體的制備和性質(zhì)實驗，往往因其在實驗過程中存在氣體泄漏、環(huán)境污染、不符合綠色化學(xué)理念等原因，被現(xiàn)行教材刪掉或由教師在教學(xué)中用口頭實驗、黑板實驗來代替，這對學(xué)生正確認識元素化合物的性質(zhì)造成一定的認知障礙。如何解決上述問題？筆者認為可以將其制備和性質(zhì)進行一體化的綠色設(shè)計。如在進行Cl2的制備和性質(zhì)實驗教學(xué)時，可采用圖4所示裝置來完成Cl2的教學(xué)。

操作過程如下： （1）按圖4連接儀器并添加試劑。（2）打開止水夾，旋轉(zhuǎn)控制閥1，連通注射器1和錐形瓶。往下推注射器1活塞，使?jié)釮Cl全部推入錐形瓶。然后再旋轉(zhuǎn)控制閥1，切斷注射器1和錐形瓶之間的氣流通道?？捎^察到左側(cè)導(dǎo)管口產(chǎn)生氣泡。當黃綠色Cl2充滿整個錐形瓶時，旋轉(zhuǎn)控制閥1，連通注射器1和錐形瓶，同時關(guān)閉止水夾。此時可觀察到注射器1的活塞往上移。（3）當注射器1收集到30mL Cl2時，旋轉(zhuǎn)控制閥1，連通控制閥2和注射器1，同時打開止水夾，讓錐形瓶內(nèi)的Cl2逸出后可被NaOH溶液吸收。（4）旋轉(zhuǎn)控制閥2，使注射器2與注射器1連通。通過緩慢下推注射器1的活塞，使部分Cl2進入注射器2，可見淀粉-KI試紙（濕潤）變藍，時間稍長一點，試紙又會變成無色。（5）旋轉(zhuǎn)控制閥2，連通注射器3和1，再向下推注射器1活塞，讓Cl2進入注射器3中?？梢娛镌囈合茸兗t后褪色。（6）實驗結(jié)束時，用盛有NaOH溶液的注射器替換注射器1，并將NaOH溶液注入錐形瓶中，振蕩錐形瓶，使其瓶內(nèi)Cl2全部被NaOH溶液吸收。上述實驗過程將Cl2的制備、顏色觀察、收集、化學(xué)性質(zhì)以及尾氣處理融為一體，既環(huán)保又節(jié)省試劑，還體現(xiàn)化學(xué)實驗的生活化。

如果將燒杯、錐形瓶、注射器1、注射器2、注射器3中的試劑進行更換，該裝置還可用于研究NH3、 H2S、 SO2等的制備與性質(zhì)（見表1）。

3? 借助魯爾三通和注射器整合“鋁三角”中物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化實驗并進行一體化設(shè)計

在高中化學(xué)中，對于那些滴加順序不同產(chǎn)物也不同的反應(yīng)原理的探究實驗，也可通過控制用量和反應(yīng)物的流向來設(shè)計實驗。如利用圖5可研究“鋁三角”中物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化。其操作過程如下。

（1） 按圖5連接好裝置，并在注射器1加入20mL 1mol·L-1的NaOH溶液，注射器2中加入5mL 1mol·L-1 AlCl3溶液，在注射器3中加入20mL 1mol·L-1鹽酸。

（2） 旋轉(zhuǎn)控制閥，使注射器1與注射器2連通，緩慢推動注射器1的活塞，使NaOH溶液緩慢注入到AlCl3溶液中，直至反應(yīng)結(jié)束?？捎^察到AlCl3溶液中立即產(chǎn)生白色沉淀，沉淀達到最大量后又開始逐漸溶解。其反應(yīng)原理為Al3++3OH-Al（OH）3↓， Al（OH）3+OH-AlO-2+2H2O。

（3） 旋轉(zhuǎn)控制閥，使注射器2和注射器3連通。推動注射器2的活塞，使注射器2中的液體緩緩注入到注射器3中，可觀察到注射器3中起初沒有明顯現(xiàn)象，過一段時間后才產(chǎn)生白色沉淀。其反應(yīng)原理為Al（OH）-4+4H+Al3++4H2O、 3AlO-2+Al3++6H2O4Al（OH）3↓[或緩慢推動注射器3的活塞，使鹽酸注入到注射器2中，可觀察到先產(chǎn)生沉淀，然后沉淀溶解，反應(yīng)原理為AlO-2+H++H2OAl（OH）3↓，Al（OH）3+3H+Al3++3H2O]。通過上述操作，可實現(xiàn)“鋁三角”中各物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，即，加深學(xué)生對含鋁化合物性質(zhì)的認識。

如果將上述注射器1中試劑換成5mL 1mol·L-1 NaHCO3溶液，注射器2中試劑換成5mL 1mol·L-1 Na2CO3溶液。注射器3中1mol·L-1鹽酸的體積換成15mL。則利用圖4、圖5的實驗裝置，可以解釋NaHCO3與鹽酸反應(yīng)的速率比Na2CO3要快，是因為HCl與Na2CO3的反應(yīng)分兩步完成（CO2-3+H+HCO-3， HCO-3+H+CO2↑+H2O），且滴加順序不同，反應(yīng)原理及現(xiàn)象也不同。

4? 借助魯爾三通和注射器對銅與稀、濃HNO3的反應(yīng)及其產(chǎn)物驗證進行一體化設(shè)計

對于銅與硝酸反應(yīng)的實驗改進，有的研究者只對Cu與稀HNO3反應(yīng)及產(chǎn)物進行綜合設(shè)計，如劉會文、金麗麗設(shè)計的實驗裝置[9]（見圖6）;也有研究者對Cu與濃、稀HNO3反應(yīng)及產(chǎn)物驗證進行綜合設(shè)計，如楊香濤、阮方來設(shè)計的裝置[10]（見圖7）等。這些裝置的改進，都能在一定程度上滿足防污染等實驗的要求，基本達成實驗教學(xué)目標。但裝置相對復(fù)雜，一般只能在講臺上演示使用，不便于教師邊演示邊走動，讓學(xué)生都能觀察到實驗現(xiàn)象。

為了能夠?qū)u與濃HNO3、稀HNO3的反應(yīng)及其產(chǎn)物的性質(zhì)進行綜合設(shè)計，達到實驗方式靈活，又不影響實驗的可視化效果，筆者參考前人的研究成果，借助注射器和魯爾三通實現(xiàn)了這一目標，裝置如圖8所示。

操作步驟如下： （1）按圖8連接裝置并在注射器中加入相關(guān)物質(zhì)。（2）旋轉(zhuǎn)控制閥1和2，分別使注射器A和B、注射器C和D連通。向右推動注射器B的活塞，使?jié)釮NO3全部注入到注射器A中?？捎^察到銅片不斷溶解并產(chǎn)生紅棕色氣體、無色溶液逐漸變成綠色;注射器B的活塞開始向左移動，當反應(yīng)結(jié)束時，在注射器B中收集到氣體6mL左右（注： 此步可驗證Cu和濃硝酸的反應(yīng)）。（3）旋轉(zhuǎn)控制閥1和控制閥2，關(guān)閉注射器A和注射器B、注射器C和注射器D之間的氣體通道，連通注射器A和注射器D之間的氣體通道。緩慢推動注射器D的活塞，使注射器D中的O2進入注射器A中，并晃動整套裝置，可觀察到A中溶液由綠色逐漸變成藍色[注： 說明溶液呈現(xiàn)綠色是因為生成的NO2溶解在Cu（NO3）2溶液中所致]。（4）旋轉(zhuǎn)控制閥1和2，連通注射器B和C，關(guān)閉注射器A和B、 C和D之間的氣體通道。推動C的活塞，使水進入B中，并搖動整套裝置?？捎^察到B中紅棕色氣體逐漸變成無色氣體，剩余氣體約占原氣體的1/3（注： 此步可驗證NO2溶于水）。（5）旋轉(zhuǎn)控制閥2，使注射器B與D連通，推動注射器D的活塞，使O2進入注射器B中，并搖動整個裝置。可見注射器B中的無色氣體逐漸減少，活塞向右移動，直到氣體消耗殆盡。旋轉(zhuǎn)控制閥1，關(guān)閉注射器A和注射器B之間的氣體通道（注： 此步可以驗證NO、 O2與H2O的反應(yīng)4NO+3O2+2H2O4HNO3）。（6）再次旋轉(zhuǎn)控制閥2，切斷A和D、連通A和C間的氣體通道。將C中的水換成銅片，同時將注射器A中形成的稀HNO3推入注射器C中，可觀察到注射器C中產(chǎn)生無色氣體，溶液變藍[注： 此步可與第（2）步構(gòu)成對比，讓學(xué)生明確Cu與稀HNO3、濃HNO3反應(yīng)現(xiàn)象不同、產(chǎn)物不同]。（7）旋轉(zhuǎn)控制閥2，使注射器C和D連通，推動注射器D的活塞，使O2進入注射器C中，C中氣體由無色變成紅棕色;搖動裝置，紅棕色氣體又逐漸消失。