用雙具支試管設(shè)計新的實驗裝置及其應(yīng)用

摘要：

設(shè)計制作了雙具支試管，借助雙具支試管和注射器設(shè)計了新的實驗裝置，可用于“加熱碳酸氫銨”“二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)”“銅與濃硫酸反應(yīng)”等實驗。這些實驗?zāi)茉诜忾]的體系內(nèi)進(jìn)行，且實驗用品簡約、操作簡便、現(xiàn)象直觀、過程環(huán)保、效果顯著。不僅適合教師的演示實驗，而且適合學(xué)生的探究實驗。關(guān)鍵詞：雙具支試管；實驗新設(shè)計；演示實驗；分組實驗近日團(tuán)隊設(shè)計制作了一種新型的玻璃儀器——雙具支試管，在普通試管的前端（離試管口約25mm）兩側(cè)對應(yīng)位置分別熔接一個短支管。如圖1所示，規(guī)格20mm×200mm，容積約60mL。利用雙具支試管改進(jìn)并設(shè)計了“加熱碳酸氫銨”“二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)”和“銅與濃硫酸反應(yīng)”等實驗，取得了良好的教學(xué)效果。1

加熱碳酸氫銨實驗現(xiàn)行上海教育出版社（全國版）九年級化學(xué)教科書中編排了“加熱碳酸氫銨”實驗（裝置見圖2）。課本上該實驗設(shè)計簡約，遺憾的是沒有驗證分解產(chǎn)物，不利于學(xué)生認(rèn)識碳酸氫銨的消失是化學(xué)變化；另外實驗過程缺少環(huán)保措施，不利于學(xué)生樹立綠色化學(xué)的理念［1］。我們借助雙具支試管和注射器設(shè)計出新的實驗裝置，較好地改善了原實驗的不足。1.1

實驗用品碳酸氫銨固體，澄清石灰水，酚酞溶液；20mm×200mm雙具支試管，20mL注射器（潤滑性良好），酒精燈，無孔橡皮塞，乳膠管，藥匙，鐵架臺等1.2

實驗裝置新設(shè)計的實驗裝置如圖3所示（夾具略，下同）。1.3

實驗操作（1）準(zhǔn)備兩個20mL注射器（分別標(biāo)注為A、B），在注射器A的針筒里吸入10mL澄清石灰水，在注射器B的針筒里吸入10mL酚酞溶液。（2）取一支20mm×200mm的雙具支試管，用藥匙向試管里加入適量的碳酸氫銨固體，再將大小合適的橡皮塞塞到試管口上，然后將雙具支試管固定到鐵架臺上。（3）將注射器A、B與雙具支試管有序連接起來（要確保整個裝置不漏氣）。（4）點燃酒精燈，先預(yù)熱試管，然后用外焰對準(zhǔn)試管底部的藥品加熱。很快觀察到白色固體逐漸減少，試管內(nèi)壁附有大量的水霧，注射器A、B的活塞均緩慢向外移動，針筒內(nèi)澄清石灰水變渾濁、無色的酚酞溶液變紅色。至此，停止加熱。（5）實驗結(jié)束，整理實驗用品，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗現(xiàn)象、完成實驗報告。1.4

現(xiàn)象分析加熱碳酸氫銨后試管內(nèi)壁很快就出現(xiàn)大量的水霧、澄清的石灰水變渾濁、無色的酚酞溶液變紅色，說明碳酸氫銨受熱易分解，分解的產(chǎn)物有水、二氧化碳和氨氣（有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是NH4HCO3△H2O+CO2↑+NH3↑）。1.5

實驗優(yōu)點（1）實驗過程氨氣沒有外逸，保護(hù)了室內(nèi)環(huán)境。（2）實驗現(xiàn)象明顯，有利于學(xué)生驗證碳酸氫銨分解的產(chǎn)物、認(rèn)識化學(xué)變化的特征。（3）可以促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成合理使用化學(xué)物質(zhì)的習(xí)慣，并激發(fā)學(xué)生探究物質(zhì)世界的興趣。2

二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)現(xiàn)行化學(xué)教科書一般都是直接告訴學(xué)生氫氧化鈉溶液能吸收二氧化碳?xì)怏w，并給出有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式。這樣編排缺少說服力，不利于學(xué)生掌握新知識［2］。我們借助雙具支試管和注射器設(shè)計了新的實驗裝置，可以清晰地顯示二氧化碳能與氫氧化鈉溶液反應(yīng)。2.1

實驗用品二氧化碳?xì)怏w，氫氧化鈉溶液，蒸餾水，氮氣（可用燃磷法除氧后獲得）；20mm×200mm雙具支試管，20mL注射器（潤滑性良好），50mL注射器（潤滑性良好），單向閥，單孔橡皮塞，無孔橡皮塞，橡皮帽，乳膠管，鐵架臺等2.2

實驗裝置新設(shè)計的實驗裝置如圖4所示。2.3

實驗操作（1）準(zhǔn)備兩個20mL的注射器（分別標(biāo)注為A、C），在注射器A的針筒里吸入5mL蒸餾水，在注射器C的針筒里吸入5mL氫氧化鈉溶液。（2）再準(zhǔn)備一個50mL的注射器（標(biāo)注為B），在注射器B的針筒里吸入50mL氮氣（此注射器吸入口接有一個單向閥，使流體只能流出注射器而不能流入注射器［3］，從而防止蒸餾水或氫氧化鈉溶液在注入試管時將二氧化碳?xì)怏w壓入注射器B中）。（3）取一支20mm×200mm的雙具支試管，用向上排空氣法在雙具支試管里收集二氧化碳?xì)怏w（兩個支管口要用橡皮帽臨時封閉）。集滿氣體（約60mL）后，立即將大小合適的無孔橡皮塞塞到試管口上（防止二氧化碳逃逸），再將雙具支試管固定在鐵架臺上。（4）按圖4，將注射器A、B、C與雙具支試管有序連接起來（要確保整個裝置的氣密性良好）。（5）推動注射器A的活塞，將5mL蒸餾水一次性緩緩注入雙具支試管里，觀察到注射器B的活塞保持靜止。稍后再推動注射器C的活塞，將5mL氫氧化鈉溶液一次性緩緩注入雙具支試管里，發(fā)現(xiàn)注射器B的活塞快速向下移動，并且50mL氮氣全部被吸入雙具支試管里。（6）實驗結(jié)束，整理實驗用品，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗現(xiàn)象、完成實驗報告。2.4

現(xiàn)象分析將5mL蒸餾水全部注入盛有二氧化碳的雙具支試管內(nèi)，注射器B中的活塞靜止不動，說明雙具支試管內(nèi)的壓強(qiáng)基本不變，進(jìn)而可知5mL水最多溶解5mL二氧化碳；再將5mL氫氧化鈉溶液全部注入盛有二氧化碳的雙具支試管內(nèi)，注射器B中的50mL氮氣被全部吸入雙具支試管里，說明雙具支試管內(nèi)的壓強(qiáng)明顯減小，進(jìn)而可知5mL氫氧化鈉溶液至少能夠溶解50mL二氧化碳。對比上述實驗現(xiàn)象可知，二氧化碳能與氫氧化鈉溶液反應(yīng)（有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是CO2+2NaOHNa2CO3+H2O）。2.5

實驗優(yōu)點（1）實驗涉及定量數(shù)據(jù)，促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的定量意識和理性思維。（2）實驗現(xiàn)象對比鮮明，有利于培養(yǎng)學(xué)生的比較思維，發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知能力。（3）實驗增強(qiáng)了化學(xué)教學(xué)的直觀性，有利于突出重點、突破難點。3

銅和濃硫酸的反應(yīng)普通高中化學(xué)教科書中一直編排有銅與濃硫酸反應(yīng)的經(jīng)典實驗。現(xiàn)行人教版普通高中化學(xué)教科書在設(shè)計該實驗時充分考慮了操作的簡便性、實驗的環(huán)保性（裝置見圖5），但仍存在不少弊端，如實驗裝置較為復(fù)雜、銅絲在橡皮塞中上下抽動不太方便、半開放的實驗體系對尾氣的吸收不夠徹底、將二氧化硫通入溶液中容易發(fā)生倒吸現(xiàn)象等。借助雙具支試管和注射器設(shè)計了新的實驗裝置，進(jìn)一步優(yōu)化了課本實驗。3.1

實驗用品直徑約0.5mm的細(xì)銅絲（取自八芯網(wǎng)線），98%的濃硫酸［4］，蒸餾水，氫氧化鈉濃溶液，品紅溶液；20mm×200mm雙具支試管，20mL注射器（潤滑性良好），30mL注射器（潤滑性良好），酒精燈，單孔橡皮塞，乳膠管，鑷子，鐵架臺等3.2

實驗裝置新設(shè)計的實驗裝置如圖6所示。3.3

實驗步驟（1）準(zhǔn)備兩個20mL注射器（分別標(biāo)注為A、C），在注射器A的針筒里吸入約10mL蒸餾水，在注射器C的針筒里吸入約10mL氫氧化鈉濃溶液（這兩個注射器的吸入口均接有一個單向閥，使流體只能流出注射器而不能流入注射器，以阻止反應(yīng)產(chǎn)生的氣體進(jìn)入注射器A、C中）。（2）再準(zhǔn)備一個30mL的注射器（標(biāo)注為B），在注射器B的針筒里吸入5～6mL品紅溶液。（3）取一支20mm×200mm的雙具支試管，用鑷子向試管里加入3～4cm長的細(xì)銅絲，再緩緩注入3～4mL濃硫酸（過量），然后將試管固定在鐵架臺上。（4）按圖6將注射器A、B、C與雙具支試管有序連接起來（要確保整個裝置的氣密性良好）。（5）點燃酒精燈，先預(yù)熱試管，然后用外焰對準(zhǔn)試管底部的藥品加熱。很快觀察到銅絲表面變黑，溶液中劇烈冒氣泡，試管內(nèi)有白霧，B注射器的活塞緩緩向上移動（約產(chǎn)生24.5mL二氧化硫氣體，最終注射器的活塞停留在30mL刻度處），同時品紅溶液褪色。加熱約90s，銅絲完全消失，試管內(nèi)液體呈現(xiàn)墨綠色，此時熄滅酒精燈。待試管冷卻至常溫后，將注射器A中的蒸餾水緩慢注入試管內(nèi)，稀釋后的墨綠色液體很快變?yōu)樗{(lán)色溶液［5］。（6）將注射器C中的氫氧化鈉濃溶液緩緩注入試管內(nèi)，然后輕輕搖晃試管，以充分吸收實驗體系內(nèi)的二氧化硫氣體。（7）實驗結(jié)束，整理實驗用品，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗現(xiàn)象、完成實驗報告。3.4

現(xiàn)象分析加熱銅與濃硫酸的混合物不久，品紅溶液褪色，說明反應(yīng)生成了二氧化硫氣體。雙具支試管內(nèi)最終得到藍(lán)色溶液，說明反應(yīng)生成了硫酸銅。從而可知，濃硫酸具有強(qiáng)氧化性（有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是Cu+2H2SO4（濃）△CuSO4+2H2O+SO2↑）。3.5

實驗優(yōu)點（1）藥品用量少，產(chǎn)生的有害氣體少，縮短了反應(yīng)進(jìn)程，提高了實驗效益。（2）實驗體系完全封閉，避免了二氧化硫氣體的外逸，并對尾氣進(jìn)行吸收處理，有利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識。（3）實驗現(xiàn)象清晰直觀，有利于學(xué)生認(rèn)識反應(yīng)產(chǎn)物的性質(zhì)，增強(qiáng)證據(jù)推理能力。雙具支試管還可遷移用來演示加熱氯化銨、煤的干餾、金屬銅與硝酸反應(yīng)、亞硫酸鈉與濃硫酸反應(yīng)、乙醇催化氧化等實驗［6，7］。總之，由雙具支試管構(gòu)成的實驗裝置美觀、簡約、實用，特別適合涉及有毒物質(zhì)、有害氣體的化學(xué)實驗。在上述實驗教學(xué)中，針對某些實驗方案的質(zhì)疑與改進(jìn)，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，充分發(fā)揮了化學(xué)實驗的啟智、育人功能。參考文獻(xiàn)：［1］以“三個一行動”開展化學(xué)實驗創(chuàng)新的嘗試［J］.化學(xué)教學(xué)，2023，（1）：58～62.［