利用气球设计多用途实验装置.pdf

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：10 0 5-6 6 2 9(2 0 2 3)0 6-0 0 7 2-0 4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（2 0 2 2 年版）明确提出了实施跨学科实践活动的要求 ，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。扩口钳止水夹导管气球吹嘴气球自封袋粉末/颗粒图1利用气球制作的装置示意图2实验装置当装置处于未启用的状态时，气球是癌的，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。732023年第6 期实验研究创新设计表1更换反应物能产生不同的气体生成自封袋内的自封袋外的特点气体液体药品固体药品随时启用，一02H,02溶液MnO2粉末次性反应完负载MnO2、包随时启用，随02H,02溶液裹磁铁的堵漏时关停，可分王小球多次反应随时启用，一02MnO2悬浊液过碳酸钠粉末次性反应完CO2随时启用，速稀盐酸大理石率较慢CO220%30%浓白醋NaHCO,粉末随时启用，速率较快20%30%浓白醋、CO2NaHCO,溶液（分装无随时启用，速率更快在2 个自封袋）挑选表面圆滑H2白醋的锌粒（避免扎随时启用，一次性反应完破气球）把锌粒和磁铁随时启用，随H2白醋一起装在滤网时关停，可分袋中多次反应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%H,02溶液、Mn0，粉末；乳胶气球、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。鼻氧管流速调节器堵漏王小球H,O2溶液图2“简易供氧器”装置示意图3.1.3制作方法（1）把3gMnO，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）在自封袋中装人30 mL10%20%H,0，溶液。用扩口钳将气球口撑开，向气球中放人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。把鼻氧管的一端插人气球吹嘴中，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H,0，溶液从自封袋口流出，与堵漏王小球表面的MnO，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H,O，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H,O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（把氧气导人鼻腔的动力装置）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癌的气球，占用空间极小，便于携带。使用时用气球实现产气、储气、74化学教学个自封袋中装人30 mL(1)如图3,在-创新设计实验研究排气一体化，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H,O，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、NaHCO，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30%白醋，另一个自封袋中装人2 0 g纯净水和10 gNaHCO,粉末。（2）用扩口钳将气球口撑开，向气球中放人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灭火的作用。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：一是实心吹嘴白醋-NaHCO溶液图3“简易灭火器”装置示意图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。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CB/T18204.26-2000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10 L空气中的甲醛。其他实验用品为：10 L透明气球（约10 英寸）、注射器、气球吹嘴、导管、堵漏王、打气筒、止水夹气球气球样品打气筒指示剂溶液图4“空气检测站”装置示意图（2）把导管的一端插人气球吹嘴中，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10 L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。本装置一方面在注人空气时，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人空气的量，确保752023年第6 期（上接第6 6 页）实验研究创新设计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3.2.3实验结论同温同压下，相同物质的量的不同气体体积相等。3.3测量气体摩尔体积根据表1数据，计算出1mol气体的体积V,=24.95 L/molP,=100.696 kPat;=33.36根据表2 数据，计算出1mol气体的体积V,=25.50 L/molP2=100.781 kPat2=34.13由理想气体方程pV=nRT可得：PiV_PaVT,T,换算标况下（2 7 3.15K，10 1k Pa）的气体摩尔体积：PiV,TmP2V.TmVml十+VPMTPmT,m2Vm:22.20 L/mol2m2（T.、Pm、V.分别代表气体在标况下的温度、压强和摩尔体积）IVmVm标准m实验相对误差8=100%=0.89%Vm标准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（2 0 2 2 年版）的变化、特征及启示 J化学教学，2 0 2 2，（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，2 0 13,(3)：6 5 6 8.3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，2 0 19，（4）：7 7 7 9.4结束语本项目利用自制组合测试装置为高中化学的实验探究提供了有利条件，推进了课堂教学方式的改变和学生学习方式的转变，实现了学生从“读化学”“听化学”向“做化学”“探究化学”的转变，促进了学生合作交流和个性发展，激发了学生学习化学的积极性。掌上实验室可以准确地采集实验数据，具备函数处理功能，同时实现实验和信息技术的融合，对培养学生数图结合能力、发展定量思维、提升综合分析能力起到关键作用。借用掌上实验室中数字传感器的设计，融合化学、物理、数学和信息技术等多学科知识，渗透STEM教育，培养学生的科学探究、创新意识和跨学科综合能力和素养。参考文献：【1中华人民共和国教育部制定普通高中化学课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）S北京：人民教育出版社，2 0 2 0.2 王洋气体摩尔体积测定实验的改进J化学教学，2019,(8):6971.【3李嘉智能手机在气体摩尔体积测定实验中的应用J化学教育（中英文），2 0 2 0，（11）：9 8 10 0.【4卢苗苗气体摩尔体积测定的数字化实验设计 J化学教学，2 0 2 1，（5)：7 2 7 6.5陈剑峰基于ESP32与Phyphox的多功能振动实验装置的设计与实验 J.物理教师，2 0 2 2，43（8）：49 51.