U形管在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的妙用

許大雨 魏 海

U形管因其外形酷似英文字母U而得名，其實(shí)質(zhì)是將一根玻璃管彎曲成U形。U形管既是結(jié)構(gòu)對(duì)稱的彎曲玻璃管，又是無縫相連的兩支彎底試管，因其特殊的結(jié)構(gòu)，所以在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有很多巧妙地應(yīng)用。

一、探究蠟燭燃燒的產(chǎn)物

1.原實(shí)驗(yàn)的不足

教科書上介紹的實(shí)驗(yàn)方法，是在蠟燭火焰上罩一個(gè)干冷的燒杯，觀察燒杯內(nèi)壁是否有水珠出現(xiàn)(如圖1所示)；然后再把燒杯快速翻轉(zhuǎn)過來，倒入適量的澄清石灰水，觀察石灰水是否變渾濁。

圖1 教科書上檢驗(yàn)蠟燭燃燒產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)裝置

由于燒杯口大，因而難以聚集較多的燃燒產(chǎn)物，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯；再者，由于燒杯壁薄，易吸熱發(fā)燙，造成水蒸氣不易在杯壁上冷凝。

2.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示(夾持裝置略)。

圖2 利用U形管檢驗(yàn)蠟燭燃燒的產(chǎn)物

(2)實(shí)驗(yàn)操作

①取一個(gè)小燒杯，內(nèi)盛適量的澄清石灰水；再取一個(gè)20 mm×200 mm的U形管。

②取一支長短合適的細(xì)蠟燭，點(diǎn)燃，然后如圖2所示連好實(shí)驗(yàn)裝置。

③當(dāng)蠟燭燃燒大約1 min時(shí)，可以觀察到澄清的石灰水變渾濁，U形管內(nèi)壁附有大量的水霧。

④拿起U形管，然后吹滅蠟燭；最后整理實(shí)驗(yàn)儀器。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

①澄清的石灰水變渾濁，說明蠟燭燃燒的產(chǎn)物有二氧化碳；U形管內(nèi)壁附有大量的水霧，說明蠟燭燃燒的產(chǎn)物還有水。

②根據(jù)蠟燭燃燒的產(chǎn)物，還可以知道蠟燭中含有碳、氫元素。

(4)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

①本實(shí)驗(yàn)中，熱氣流大量上升，澄清石灰水中會(huì)有氣泡冒出，且很快變渾濁。由于U形管較長，因而水蒸氣容易在遠(yuǎn)離火焰的管壁上液化。

②實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可以反復(fù)演示，也可以用作學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分組。

二、演示“空中生煙”實(shí)驗(yàn)

1.原實(shí)驗(yàn)的不足

教科書上介紹的實(shí)驗(yàn)方案，其操作是完全暴露在空氣中的(把兩根分別蘸有濃鹽酸、濃氨水的玻璃棒相互靠近，兩根玻璃棒之間會(huì)生成一股白煙，如圖3所示)。

圖3 教科書上“空中生煙”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

這樣設(shè)計(jì)雖然實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但對(duì)室內(nèi)環(huán)境造成了一定的污染，違背了綠色化學(xué)的理念。

2.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示(夾持裝置略)。

圖4 利用U形管演示“空中生煙”實(shí)驗(yàn)

(2)實(shí)驗(yàn)操作

①取一個(gè)25 mm×250 mm的U形管。

②在U形管的兩個(gè)支管中部，分別塞入一團(tuán)大小合適的棉花；然后在靠近管口處，分別粘貼一張濕潤的藍(lán)色石蕊試紙、一張濕潤的紅色石蕊試紙。

③往兩個(gè)支管內(nèi)的棉花團(tuán)上分別滴加少量的濃鹽酸、濃氨水，然后立即在兩個(gè)管口上分別塞緊橡皮塞。

④很快觀察到，濕潤的藍(lán)色石蕊試紙變成了紅色，濕潤的紅色石蕊試紙變成藍(lán)色；并且U形管的中下部(靠近濃鹽酸的一側(cè))“濃煙滾滾”，進(jìn)而整個(gè)U形管中下部都充滿了白煙。

⑤等到白煙完全消失，拆開裝置，整理實(shí)驗(yàn)儀器。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

①濕潤的藍(lán)色石蕊試紙沒有直接接觸濃鹽酸卻變成了紅色，濕潤的紅色石蕊試紙沒有直接接觸濃氨水卻變成了藍(lán)色，說明氯化氫分子、氨分子都在不停地運(yùn)動(dòng)。

②在U形管的中下部靠近濃鹽酸的一側(cè)，最先出現(xiàn)白煙，說明氨分子運(yùn)動(dòng)的速率明顯快于氯化氫分子。

③氯化氫與氨氣化合產(chǎn)生氯化銨固體：NH4+HCl=NH4Cl。

(4)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

①本實(shí)驗(yàn)在封閉的體系內(nèi)進(jìn)行，對(duì)環(huán)境沒有污染，有利于學(xué)生樹立保護(hù)環(huán)境的意識(shí)。

②實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象豐富、明顯，增強(qiáng)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的趣味性。

③本實(shí)驗(yàn)不僅說明微粒不斷運(yùn)動(dòng)，還說明不同的分子在相同條件下的運(yùn)動(dòng)速率有所不同，從而拓展學(xué)生的視野。

三、利用U形管做活性炭的吸附實(shí)驗(yàn)

1.原實(shí)驗(yàn)的不足

教科書上說明活性炭具有吸附性的實(shí)驗(yàn)(如圖5所示)，需要的活性炭較多，因此實(shí)驗(yàn)不夠簡約。

圖5 教科書上活性炭凈水器示意圖

2.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示(夾持裝置略)。

圖6 借助U形管做活性炭的吸附實(shí)驗(yàn)

(2)實(shí)驗(yàn)操作

①取一個(gè)25 mm×250 mm的U形管，在其中下部裝入足量的活性炭(約占U形管容積的一半)，然后在兩個(gè)支管的活性炭表面各塞上一團(tuán)棉花，并用玻璃棒將棉花分別壓實(shí)一些。

②向U形管的左支管中緩慢的注入適量的紅色水(可在自來水中滴加幾滴紅墨水即可)，靜置。紅色水會(huì)慢慢向下滲透，并進(jìn)入U(xiǎn)形管的底部，在U形管的右支管里緩慢上升，進(jìn)而在右支管的活性炭表面會(huì)持續(xù)冒出無色的水。

③當(dāng)左右兩個(gè)支管里的水面離管口有大約2 cm的距離時(shí)，停止加水。最終，兩個(gè)支管內(nèi)的水面持平。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

當(dāng)紅色的水穿過活性炭層以后，變?yōu)闊o色的水，充分說明活性炭可以吸附色素。

(4)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

①實(shí)驗(yàn)操作方便，實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性強(qiáng)。

②有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法，如對(duì)比法、移植法、替換法等。

四、結(jié)語

U形管雖然是常規(guī)儀器，但只要我們勤于嘗試、善于發(fā)現(xiàn)、勇于思考，就能依托U形管開發(fā)出更多的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，這不僅豐富了中學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備，也為化學(xué)教學(xué)開展素質(zhì)教育提供了更大的平臺(tái)，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性，發(fā)展學(xué)生在化學(xué)課中的創(chuàng)造性。

(致謝：本文在寫作過程中，得到江蘇省特級(jí)教師李德前的幫助，謹(jǐn)表謝意)。

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