多變U型管在初中化學(xué)實驗教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

摘要：U型管是化學(xué)實驗室中的一種常用儀器，U型管的結(jié)構(gòu)經(jīng)過設(shè)計和改進后，既能節(jié)約實驗時間和藥品，又現(xiàn)象鮮明.通過改進U型管裝置驗證二氧化錳對氯酸鉀起催化作用、類似啟普發(fā)生器的簡易裝置改進、燃燒條件的對比實驗等多個實驗教學(xué)，取得了較好的實驗效果.

關(guān)鍵詞：U型管;創(chuàng)新實驗;對比

作者簡介：林家平（1971-），男，江蘇南京人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：化學(xué)學(xué)科教學(xué)研究和區(qū)域教科研管理工作. 化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，同時又是研究物質(zhì)變化的科學(xué)，化學(xué)學(xué)科的形成、發(fā)展和應(yīng)用的研究過程，都是以實驗為基礎(chǔ)的，化學(xué)實驗對于初中化學(xué)課程目標的落實有著重要的作用.在初中化學(xué)的實驗教學(xué)中，氣體的制取、驗證氣體的性質(zhì)實驗以及一些對比性的實驗占有很大的比例.而在教材中對于上述的許多實驗，有的實驗在儀器的裝配上、具體實驗的操作過程都設(shè)計的比較繁瑣.如何使得這些實驗操作既簡便又安全？實驗產(chǎn)生的現(xiàn)象既有利于觀察，又能體現(xiàn)出儀器多用的特點？U型管是化學(xué)實驗室中的一種常用儀器， U型管的結(jié)構(gòu)經(jīng)過設(shè)計和改進后，很適合完成上述相關(guān)實驗，既能節(jié)約實驗時間和藥品，又現(xiàn)象鮮明.筆者結(jié)合多年的教學(xué)實踐，將U型管或改進后的U型管引入初中化學(xué)常見的實驗教學(xué)中，取得了較好的實驗效果.現(xiàn)舉例如下：

【實驗一】教材中二氧化錳對氯酸鉀起催化作用產(chǎn)生氧氣的演示對比探索研究實驗

教材中對該實驗的組織教學(xué)時，采用三支試管進行3次相對獨立的實驗，進行對比驗證，最后才得出實驗結(jié)論：二氧化錳在化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)沒有發(fā)生改變，是該反應(yīng)的催化劑.如果使用變形后的U型管，就可以在同一儀器中，同時將3個步驟鮮明的展現(xiàn)出來，即節(jié)約時間，又增強了該實驗的直觀效果（如圖1）.

1. 藥品的加入.在U型管的底部加入實驗所需的藥品氯酸鉀，再將二氧化錳加入到變形后的U型管一側(cè).

2. 實驗裝置的組裝.在未變形的U型管一側(cè)塞緊橡皮塞，并用試管夾或鐵架臺的鐵夾夾持此側(cè).

3.進行相關(guān)對比實驗.

（1）先用酒精燈單獨加熱二氧化錳，并用帶火星的木條檢驗，木條不能復(fù)燃.

（2）加熱U型管底部的氯酸鉀，直至融化后，緩慢放出氧氣，帶火星木條不易復(fù)燃（復(fù)燃比較困難，經(jīng)過反復(fù)實驗，一段時間后，木條復(fù)燃）.

（3）撤去U型管底部的酒精燈，停止加熱，降溫到氯酸鉀快要凝固時快速將二氧化錳與氯酸鉀混合，用帶火星的木條靠近進行實驗，帶火星木條迅速復(fù)燃.

利用了一個變形的U型管，在同一儀器中能夠很直觀地把二氧化錳的催化作用很好地進行了驗證，同時也有利于學(xué)生對催化劑這一概念的理解.

【實驗二】啟普發(fā)生器原理的裝置改進

如圖2所示，在U型管一端中部放有一個帶孔的塑料墊片，上部接一個帶活塞的導(dǎo)管（或者連一個帶鐵夾的橡皮管）就可以隨時控制反應(yīng)的發(fā)生和停止，把此裝置變成一個簡易的啟普發(fā)生器，可用于實驗室制二氧化碳、氫氣等氣體.

【實驗三】作對比實驗的反應(yīng)器

如圖3所示，將具支U型管從底部用液體（如：瓊脂）封住或隔板隔開，就可以形成兩個相同的儀器.利用此裝置進行對比性實驗探究，一方面易于控制，便于操作和觀察，形成對比，另一方面由此得出的結(jié)論也比較可靠，易于被學(xué)生接受.例如：用此裝置來做碳酸鈉、碳酸氫鈉分別與鹽酸反應(yīng)的對比實驗探究.（1）分別用粉末狀固體碳酸鈉和碳酸氫鈉（顆粒大小相同）與等濃度等體積的鹽酸溶液反應(yīng)，來探究比較二者反應(yīng)速率的大?。ㄍ瑫r加深學(xué)生對對比實驗需要控制相關(guān)變量進行強化）.（2）用等體積等濃度的碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液與同濃度的鹽酸反應(yīng)，并調(diào)節(jié)分液漏斗的活塞控制兩側(cè)滴速相同，根據(jù)反應(yīng)現(xiàn)象可探究碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)的過程，進一步探究兩個化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)，加深對復(fù)分解反應(yīng)本質(zhì)的理解.

【實驗四】對可燃物燃燒所需條件的實驗改進

1.教材上的實驗內(nèi)容

在500mL燒杯中加入300mL熱水，并放入硬紙圈圈住的一小塊白磷，在燒杯上蓋一片薄銅片，銅片上一端放一小堆干燥的紅磷，另一端放一小塊已用濾紙吸去表面水的白磷（如圖4Ⅰ），觀察現(xiàn)象.

用導(dǎo)管對準上述燒杯中的白磷，通入少量氧氣（或空氣，如圖4Ⅱ）觀察現(xiàn)象.

2.教材中該實驗的不足

教材中對可燃物“燃燒條件”實驗裝置的設(shè)計是在非密閉的空間進行的，白磷和紅磷在開放的體系中燃燒，產(chǎn)生的白煙（P2O5）會對環(huán)境造成污染，不利于學(xué)生和教師的身心健康，因此教材特別注明了該實驗需要在通風(fēng)櫥里或抽風(fēng)設(shè)備下進行.然而事實上我們許多的化學(xué)教師通常都是在普通教室里完成該實驗的演示.部分學(xué)校實驗室中也缺少通風(fēng)櫥或抽風(fēng)設(shè)備，部分教師雖然對該實驗進行了一些改進設(shè)計，但是效果也不是很理想.由于白磷和紅磷燃燒產(chǎn)生的污染問題沒有得到很好的解決，因而有不少化學(xué)教師對該實驗往往采用“黑板講實驗”或利用現(xiàn)成“多媒體播實驗”的方式來處理，一定程度上弱化了這一經(jīng)典實驗的教學(xué)功能，同時也弱化了學(xué)生的動手能力、解決問題的能力及創(chuàng)造性思維能力.

3.用U型管改進實驗后的裝置及藥品，如圖5所示.

4. U型管改進實驗后的操作及產(chǎn)生的現(xiàn)象及原因分析.

（1）在半封閉式U型管的兩端分別加入體積相同的冷水和熱水.并分別在冷水和熱水中加入兩塊大小相同的白磷，然后迅速塞上橡皮塞（橡皮塞上帶有銅絲繞成的隔板），觀察U型管內(nèi)兩塊白磷都沒有燃燒.說明可燃物燃燒的條件之一是可燃物需要與氧氣或空氣接觸.

（2）將該裝置倒置，能夠觀察到熱水中的白磷開始燃燒，而冷水中的白磷仍然沒有燃燒.說明可燃物燃燒的又一條件是所需溫度必須達到該可燃物的著火點.

（3）所有實驗完成后，將U型管再次倒置，振蕩，這樣就消除了產(chǎn)生的P2O5對空氣可能造成的污染.

5.對比教材實驗，該改進實驗的優(yōu)點體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）實驗在封閉體系中進行，綠色環(huán)保、無污染，這是教材實驗所不具備的最大優(yōu)點.

（2）實驗的操作簡便易行，且有很好的重復(fù)性，實用性強，有利于在各種不同類型的學(xué)校中推廣和普及.

（3）改進后的實驗使用的藥品種類少（只用了白磷，沒有使用紅磷）、藥品使用量也減少，即節(jié)約了資源，又避免了藥品的浪費.

（4）該改進實驗不僅可以作為教師的演示實驗，同時也適合在教師指導(dǎo)下的學(xué)生分組探究實驗.

總之，U型管看似普通，但在初中化學(xué)實驗中的作用不可小覷，通過使用變形或改進后的U型管組合成不同類型的實驗裝置，簡化實驗操作和步驟，增強教師演示和學(xué)生分組探究的實驗效果，充分發(fā)揮化學(xué)實驗的探究功能，為學(xué)生的科學(xué)探究和意義建構(gòu)提供直接或間接的證據(jù)，為實驗教學(xué)的有效開展發(fā)揮積極的作用.

參考文獻：

[1]王晶，鄧長龍.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級上冊） [M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]謝丹敏，湯中華.封閉式U型管在對比實驗中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2016（04）：81-84.

（收稿日期：2019-06-15）