注射器与三通阀组合在化学实验设计中的应用

摘要

注射器与三通阀等医用设备已成为中学化学实验常用的替代品，将它们巧妙组合起来可以设计多个化学实验，如“混合物的性质”实验、“二氧化碳与氢氧化钠溶液反应”实验、“制备氢氧化亚铁”实验等。上述创新方案既改进了课本实验的不足，又补充了课本上没有编排的实验，而且操作过程便捷、实验现象清晰。

Graphical abstract

关键词

注射器 / 三通阀 / 组合装置 / 化学实验设计 / 实验创新 / 应用

注射器与三通阀是医疗卫生领域常用的器械，具有经久耐用、价格低廉的优点。在化学实验教学中，笔者将注射器、三通阀（图1）与实验室常用仪器（如试管、导气管等）巧妙搭配，可以改进和设计不少的化学实验。

1 “混合物的性质”实验

几乎所有的初中化学课本都是通过文本告诉学生“混合物是由多种物质组成的，这些物质之间没有发生化学反应，各成分保持原有的化学性质不变”。多年来，一线化学教师对此知识点鲜有实验印证。为了化抽象为具体，增强教学的直观性，笔者借助注射器、三通阀、试管等仪器设计了“混合物的性质”实验。

1.1 实验原理

白色的无水硫酸铜接触到水会生成蓝色的硫酸铜晶体，其化学方程式为：\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}+\mathrm{5}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}=\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}·\mathrm{5}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}；乙醇具有可燃性，经完全燃烧后生成二氧化碳和水，其化学方程式为：{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{5}}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{3}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\stackrel{\mathrm{点燃}}{̿}\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

1.2 实验用品

器材：注射器（20 mL）、三通阀、试管（18 mm×180 mm）、表面皿、胶头滴管、药匙、软胶管、导气管、铁架台；药品：乙醇溶液（90%），无水硫酸铜粉末。

1.3 实验装置

实验装置如图2所示（省略用于固定装置的仪器）。

1.4 实验步骤

（1） 取少量无水硫酸铜粉末放入表面皿中，滴加适量的水，观察到白色的硫酸铜粉末变为蓝色。向另一个表面皿中倒入少量的无水乙醇，用火柴将其点燃，观察到乙醇燃烧，并产生淡蓝色的火焰。以上现象说明，水能与无水硫酸铜化合生成蓝色的硫酸铜晶体，乙醇具有可燃性。

（2） 准备一支20 mL的注射器，在针筒里放入适量的无水硫酸铜粉末，再将活塞推至零刻度；取一支18 mm×180 mm的试管，向其中注入约20 mL 90%的乙醇溶液。

（3） 借助软胶管，按图2所示连好整套实验装置（确保装置不漏气）。

（4） 旋转三通阀仅使导管a、b相通，再后拉注射器活塞缓缓抽取足量的乙醇溶液，发现无水硫酸铜粉末立即变为蓝色，该现象说明乙醇溶液中水的化学性质没有改变。再次旋转三通阀仅使导管a、c相通，然后缓缓推动注射器活塞，排出注射器针筒内残留的液体，随之在导管口点燃液体，观察到液体能燃烧，并产生淡蓝色的火焰，该现象说明乙醇溶液中乙醇的化学性质没有发生改变。综上可知，混合物中各种成分均保持原有的化学性质不变。

（5） 实验结束后，指导学生完成实验报告。

1.5 两点说明

（1） 上述实验中的无水硫酸铜粉末也可以用蓝色硅胶来代替（蓝色硅胶遇水变为红色）。

（2） 选用体积分数约为90%的乙醇溶液，该浓度下乙醇可被点燃并维持燃烧，能满足实验需求。

2 “二氧化碳与氢氧化钠溶液反应”实验

初中化学教材都是直接告诉学生“氢氧化钠溶液能够吸收二氧化碳气体发生化学反应”，但是没有编排对应的化学实验，这给学生认识氢氧化钠的化学性质增加了难度^［2］。已有的补充实验多是定量设计，操作与分析相对烦琐。为了弥补上述不足并提高化学教学的趣味性，笔者借助注射器、三通阀、试管等仪器设计了“二氧化碳与氢氧化钠溶液反应”的定性实验。

2.1 实验原理

氢氧化钠水溶液能够吸收二氧化碳气体生成碳酸钠，由于碳酸钠易溶于水，因此反应没有伴随明显的现象，其化学方程式为：\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}=\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}；氢氧化钠的乙醇溶液吸收二氧化碳气体时，生成的碳酸钠难溶于乙醇，因此观察到白色沉淀出现，其化学方程式为：\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{\mathrm{乙醇}}{̿}\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\downarrow +{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

2.2 实验用品

器材：注射器（20 mL）、三通阀、试管（18 mm×180 mm），软胶管、导气管、铁架台；药品：二氧化碳气体、氢氧化钠溶液、氢氧化钠的乙醇溶液。

2.3 实验装置

实验装置如图3所示（省略固定装置的仪器）。

2.4 实验步骤

（1） 准备两支18 mm×180 mm的试管，分别注入约15 mL的氢氧化钠水溶液、氢氧化钠的乙醇溶液。

（2） 取一支20 mL的注射器，然后抽取约20 mL的二氧化碳气体；借助软胶管，按图3所示连接好整套实验装置（要保证装置不漏气）。

（3） 旋转三通阀使导管a、b、c三通，然后将注射器针筒内的气体直接推入两种氢氧化钠溶液中，观察到氢氧化钠水溶液没有明显变化、氢氧化钠的乙醇溶液变浑浊。上述实验现象证明，二氧化碳能与氢氧化钠溶液反应，生成的碳酸钠易溶于水、难溶于乙醇。

（4） 实验结束后，指导学生完成实验报告。

2.5 两点说明

（1） 为了确保反应生成足量的碳酸钠，并体现实验的对比性，使用的氢氧化钠水溶液、氢氧化钠的乙醇溶液的浓度均以10%左右为宜^［3］。

（2） 该实验也可以通过控制三通阀，将二氧化碳先后通入氢氧化钠水溶液、氢氧化钠的乙醇溶液中（进行先后对比），这样操作的实验效果是一样的。

3 “制备氢氧化亚铁”实验

苏教版普通高中化学课本采用亚铁盐溶液与碱溶液反应来制备氢氧化亚铁沉淀，虽然在亚铁盐溶液的表面覆盖了一层液态的有机物，但是仍然难以获得理想的白色沉淀，究其原因主要还是实验体系的无氧化程度不够^［4］。另外，已有的改进方案多是利用铁粉与稀硫酸反应制备亚铁盐^［5］，但是反应速率很慢；有的改进实验则没有提及亚铁盐的来源^［6］，其实制备不稳定的亚铁盐溶液也是该实验的重要操作。

笔者借助注射器、三通阀、试管等仪器组成新的实验装置，着力创造无氧环境，较为简便地制得了白色的氢氧化亚铁沉淀。

3.1 实验原理

钢丝棉与硫酸铜溶液快速反应，得到浅绿色的硫酸亚铁溶液，其化学方程式为：\mathrm{F}\mathrm{e}+\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}=\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}+\mathrm{C}\mathrm{u}；硫酸亚铁溶液与氢氧化钠溶液发生复分解反应，生成白色沉淀氢氧化亚铁，其化学方程式为：\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}+\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}=\mathrm{F}\mathrm{e}{(\mathrm{O}\mathrm{H})}_{\mathrm{2}}\downarrow +\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}。另外，在无氧的强碱性环境中容易生成稳定的氢氧化亚铁沉淀。

3.2 实验用品

器材：注射器（20 mL、40 mL）、三通阀、软胶管、铁架台、超细钢丝棉（以下简称钢丝棉）；药品：去氧蒸馏水、硫酸铜溶液（0.4 mol/L）、氢氧化钠溶液（1.6 mol/L）。

3.3 实验装置

实验装置如图4所示（省略固定装置的仪器）。

3.4 实验步骤

（1） 取一支20 mL的注射器（编号为A），在注射器A的针筒内放入足量的钢丝棉，再吸入适量的去氧蒸馏水（浸没钢丝棉）；将注射器A的吸入口与三通阀的a导管连接起来，并使三通阀处于三通状态，然后将注射器A的吸入口向上，缓慢推动注射器活塞，以最大限度地排出针筒里的空气和蒸馏水，这样就使三通阀的各支导管里充满了去氧蒸馏水。

（2） 取一支40 mL的注射器（编号为B），在注射器B的针筒内吸入约15 mL 1.6 mol/L的氢氧化钠溶液；再取一支20 mL的注射器（编号为C），在注射器C的针筒内吸入约15 mL 0.4 mol/L的硫酸铜溶液；借助乳胶管，按图4所示快速连好整套实验装置（保证装置不漏气）。

（3） 旋转三通阀仅使导管a、c相通，再缓慢推动注射器C的活塞，将15 mL硫酸铜溶液全部推入注射器A的针筒内，钢丝棉立即与硫酸铜溶液反应，观察到铁的表面析出红色粉末，同时蓝色溶液逐渐变为浅绿色溶液。

（4） 待硫酸铜溶液完全反应后，旋转三通阀仅使导管a、b相通，再缓慢下拉注射器B的活塞，把硫酸亚铁溶液全部吸入注射器B的针筒内，立刻观察到有大量的白色沉淀出现；装置放置几天后，白色沉淀依然存在。

（5） 实验结束后，指导学生完成实验报告。

3.5 三点说明

（1） 该实验所需试剂均要用去氧蒸馏水配制，取用的氢氧化钠溶液浓度要高一些并过量。由关系式CuSO₄～FeSO₄～2NaOH可知，该实验取用的氢氧化钠溶液（15 mL 1.6 mol/L）在完全反应后还剩1/2。

（2） 制取硫酸亚铁溶液时，钢丝棉必须过量；如果硫酸铜溶液过量，后续与氢氧化钠溶液的反应中就会生成蓝色的氢氧化铜沉淀，干扰实验的正常进行。选用的硫酸铜溶液其浓度不能过高（以6%为宜），否则硫酸铜溶液与钢丝棉反应时会生成副产物氢气，这不利于学生观察正常的实验现象，同时增加了“排气”操作。

（3） 由于氢氧化钠溶液与硫酸亚铁溶液的反应在注射器B的针筒内进行，注射器B的容积要大一些（以40 mL为宜）。

4 结语

上述3个创新实验案例，装置整齐美观，操作简便，现象清晰直观，结论科学可信。另外，注射器与三通阀组合装置还能用于金属铜与浓稀硝酸的反应、探究二氧化硫的化学性质、组装氢气的制备及性质一体化装置等。因此，注射器与三通阀组合装置能够丰富化学实验教学资源，从而不断提升实验教学的简约性、趣味性和实用性。

参考文献

[1] 李德前，魏海，张羿.“铜与稀硝酸反应”一体化实验设计［J］.化学教学，2020（09）：70-72.

[2] 王绍凯，陈玉梅，李德前.巧用对比实验探究二氧化碳与NaOH溶液的反应［J］.中国现代教育装备，2023（20）：36-38.

[3] 秦丙昌，张贺飞，陈传战.溴乙烷与氢氧化钠或氢氧化钾乙醇溶液反应的研究［J］.化学教学，2002（06）：13-15.

[4] 王伟佳，林清强，游瑞云，等.制备氢氧化亚铁实验装置的改进［J］.实验教学与仪器，2024，41（05）：64-65.

[5] 李周平.氢氧化亚铁制备及氧化实验的改进［J］.化学教学，2023（02）：68-71.

[6] 杨茵，龚文莲.对氢氧化亚铁制备实验的评析及再设计［J］.化学教学，2024（08）：81-84.

基金资助

江苏省教育科学规划2025年度课题“融合设计思维的化学实验教学改革策略研究”(B/2025/03/47)