借助直角玻璃管開發(fā)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的嘗試

甘磊 李德前 張羿 李為才

摘要：借助直角玻璃管和某些常規(guī)儀器，設(shè)計(jì)并開發(fā)了混合物性質(zhì)、生成白煙、氫氣性質(zhì)等化學(xué)實(shí)驗(yàn)。新開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新穎、裝置簡(jiǎn)約、操作方便、現(xiàn)象明顯、結(jié)論可靠，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：直角玻璃管; 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì); 混合物性質(zhì); 生成白煙; 氫氣性質(zhì)

文章編號(hào)：1005-6629（2021）08-0068-04

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

直角玻璃管是徐州市李德前化學(xué)名師工作室研發(fā)的一種小而美的簡(jiǎn)單儀器[1～3]，它既可以自行加工成型，也可以通過淘寶網(wǎng)店定制。最近我們借助直角玻璃管又開發(fā)出多個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了很好的教學(xué)效果。

1 混合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

“混合物”是初中化學(xué)啟蒙階段學(xué)習(xí)的基本概念[4，5]，初中化學(xué)教科書一直都是通過文字介紹混合物的特性：“組成混合物的各種成分之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它們各自保持著原來的性質(zhì)”。這段看似簡(jiǎn)單的語言表述，對(duì)剛接觸化學(xué)的學(xué)生來說還是較為抽象的。

為了增強(qiáng)教學(xué)的直觀性，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)混合物的特性，我們借助直角玻璃管設(shè)計(jì)了混合物的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

10mm×80mm×80mm的直角玻璃管、鐵架臺(tái)、火柴、脫脂棉、蒸發(fā)皿、濕抹布;70%的酒精溶液、無水硫酸銅等

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、圖2所示（夾持裝置略）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取一根10mm×80mm×80mm的直角玻璃管，先向彎曲部位的玻璃管內(nèi)塞入少許脫脂棉，再向棉花上方加入足量的無水硫酸銅，然后將直角玻璃管固定在鐵架臺(tái)上，保持一個(gè)支管豎直、一個(gè)支管水平，如圖1所示。

（2） 從直角玻璃管的豎直支管口注入6mL左右的70%酒精溶液，立即觀察到無水硫酸銅變?yōu)樗{(lán)色。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，在酒精與水組成的混合物中，水的化學(xué)性質(zhì)沒有改變。再劃燃火柴，點(diǎn)燃從水平支管口流入蒸發(fā)皿內(nèi)的無色液體，觀察到無色液體燃燒，產(chǎn)生藍(lán)色火焰;該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，在酒精與水的混合物中，酒精的化學(xué)性質(zhì)沒有改變。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1.4 幾點(diǎn)說明

（1） 考慮到酒精是易燃易爆物，因此取用的酒精溶液不要過多（6mL左右即可）;為了確保從水平支管里流出來的是較濃酒精，取用的無水硫酸銅量大約3g左右。

（2） 在直角玻璃管水平支管口處點(diǎn)燃酒精也可以，但要小心酒精燃燒時(shí)可能發(fā)生的爆鳴現(xiàn)象。

（3） 也可用氧氣和二氧化碳的混合氣代替酒精溶液，并按圖2所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。需要注意的是，混合氣中氧氣濃度不能低于36%、二氧化碳濃度不能低于1%，這樣才能確保澄清石灰水變渾濁、帶火星木條復(fù)燃。

2 生成白煙實(shí)驗(yàn)

中學(xué)化學(xué)教科書為了說明微粒的運(yùn)動(dòng)性，大都安排了濃鹽酸與濃氨水生成白煙的實(shí)驗(yàn)。有的教科書是借助兩根分別蘸有濃鹽酸、濃氨水的玻璃棒在空氣中相互靠近而出現(xiàn)白煙[6]，這樣設(shè)計(jì)直觀性雖強(qiáng)但實(shí)驗(yàn)過程污染環(huán)境。還有的教科書是在封閉的直形玻璃管兩端分別放置濃鹽酸、濃氨水而出現(xiàn)白煙[7]，這樣的改進(jìn)對(duì)環(huán)境友好但實(shí)驗(yàn)的觀賞性不強(qiáng)。

在教學(xué)中借助直角玻璃管改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不僅環(huán)保，而且通過變式操作增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，還能啟迪思維。

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

15mm×150mm×150mm的直角玻璃管、橡皮塞（或橡皮泥）、脫脂棉;濃氨水（14mol/L）、濃鹽酸（12mol/L）等

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3、圖4所示（夾持裝置略）。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取一根15mm×150mm×150mm的直角玻璃管，將其平放在水平桌面上。

（2） 找兩個(gè)大小合適的橡皮塞，借助大頭針在橡皮塞反面固定少許脫脂棉，再往兩團(tuán)脫脂棉上分別滴加14滴濃鹽酸、12滴濃氨水，然后同時(shí)將兩個(gè)橡皮塞分別塞到直角玻璃管的兩個(gè)支管口上。

（3） 大約25s后可觀察到，在放有濃鹽酸的支管的中部最先出現(xiàn)白煙（即白煙在靠近濃鹽酸的一端最先出現(xiàn)，如圖3所示）。大約10min，整個(gè)直角玻璃管內(nèi)充滿了白煙（有關(guān)的化學(xué)方程式是NH3+HClNH4Cl）。若手摸玻璃管會(huì)感覺發(fā)熱，稍后玻璃管內(nèi)壁附有白色小顆粒。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，氯化氫與氨氣反應(yīng)生成細(xì)小的白色固體并放出熱量，氨分子、氯化氫分子都在不停地運(yùn)動(dòng)，而且氨分子運(yùn)動(dòng)速率明顯大于氯化氫分子運(yùn)動(dòng)速率。進(jìn)而說明，在相同條件下分子的質(zhì)量越小其運(yùn)動(dòng)速率越快，反之亦然。

（4） 再取一根15mm×150mm×150mm的直角玻璃管，使其直角向下固定在鐵架臺(tái)上。在兩個(gè)橡皮塞反面的脫脂棉上分別滴加14滴濃鹽酸、12滴濃氨水，然后同時(shí)將兩個(gè)橡皮塞分別塞到兩個(gè)支管口上。

（5） 大約20s后可觀察到，放有濃氨水的支管的中下部最先出現(xiàn)白煙（即白煙在靠近濃氨水的一端最先出現(xiàn)，如圖4所示）。大約8min左右，整個(gè)直角玻璃管內(nèi)充滿了白煙，如果手摸玻璃管會(huì)感覺發(fā)熱，稍后玻璃管內(nèi)壁附有白色小顆粒。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以說明，氯化氫氣體向下擴(kuò)散的速率明顯快于氨氣向下擴(kuò)散的速率;進(jìn)而推知，相同條件下氯化氫氣體的密度大于氨氣密度[8，9]。

再比較圖3、圖4實(shí)驗(yàn)中最先出現(xiàn)白煙的位置及時(shí)間可知，氯化氫氣體向下位移的速率明顯大于其在水平方向位移的速率，氨氣向下位移的速率明顯小于其在水平方向位移的速率，進(jìn)而推知氯化氫氣體密度大于空氣、氨氣密度小于空氣。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.4 幾點(diǎn)說明

（1） 本實(shí)驗(yàn)是在室溫20℃時(shí)進(jìn)行的，在不同溫度下進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)略有差別，但實(shí)驗(yàn)結(jié)論應(yīng)該是一致的。

（2） 本實(shí)驗(yàn)使用的濃鹽酸（12mol/L）、濃氨水（14mol/L）均是沒有稀釋的原裝化學(xué)純?cè)噭?，兩者的體積比為7∶6[10]（即14滴濃鹽酸與12滴濃氨水）時(shí)實(shí)驗(yàn)效果較好。

（3） 為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性，要確保附有兩種試劑的橡皮塞同時(shí)塞到支管口上（建議兩人合作完成該實(shí)驗(yàn)操作）。

（4） 如果是學(xué)生實(shí)驗(yàn)，直角玻璃管的管徑可以選用稍小一些的（如8mm），封閉玻璃管口可以使用橡皮泥（橡皮泥切成橡皮塞形狀，在小頭外裹脫脂棉）。還可以通過變換直角玻璃管的放置方向（如 、）、對(duì)換試劑位置（如濃氨水在上或在下）進(jìn)行其他四種變式實(shí)驗(yàn)。

3 氫氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

氫氣的可燃性、還原性一直是初中化學(xué)的教學(xué)重點(diǎn)。為了突出重點(diǎn)，教科書上編排了氫氣在空氣中燃燒、氫氣還原氧化銅等實(shí)驗(yàn)，但有關(guān)的操作較為繁瑣。

借助直角玻璃管和試管等常規(guī)儀器，對(duì)氫氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了成功的改進(jìn)和優(yōu)化。

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

6mm×100mm×200mm的石英材質(zhì)直角玻璃管、50mL小燒杯、鐵架臺(tái);10%的稀硫酸、長(zhǎng)約20cm鎂條、5mm×70mm的銅片（表面燒黑）等

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見圖5[11]（夾持裝置略）。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取一根6mm×100mm×200mm的直角玻璃管，備用;截取長(zhǎng)約20cm的一段鎂條，將其對(duì)折四次，然后插入直角玻璃管的長(zhǎng)支管里。

（2） 取一個(gè)50mL小燒杯，將直角玻璃管的長(zhǎng)支管放入燒杯中，然后將直角玻璃管固定到鐵架臺(tái)上。

（3） 剪取5mm×70mm的一塊銅片，在酒精燈外焰上將銅片表面燒黑，然后用濕抹布拭去表面可能附著的炭黑。在銅片最右端約8mm處，將銅片折成120°，再將銅片插入直角玻璃管的短支管內(nèi)，并使銅片最右端的彎折部分露出支管口（使露出的銅片處于氫焰之中）。

（4） 向小燒杯中注入約30mL稀硫酸，觀察到鎂條表面快速冒氣泡（有關(guān)的化學(xué)方程式是Mg+H2SO4MgSO4+H2↑）。待鎂條與稀硫酸反應(yīng)5～7s（此時(shí)玻璃管內(nèi)空氣基本上排完），即可劃燃火柴，在短支管口處點(diǎn)燃?xì)錃?，產(chǎn)生淡藍(lán)色的火焰（如圖5所示）。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，氫氣具有可燃性（有關(guān)的化學(xué)方程式是2H2+O2點(diǎn)燃2H2O）。

（5） 稍后可以觀察到，銅片從右向左逐漸由黑變紅（因?yàn)殂~片最右端處于氫焰中，使整個(gè)銅片的溫度很快升高，從而引發(fā)氧化銅與氫氣反應(yīng)），同時(shí)氫氣火焰明顯變小。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，氫氣具有還原性，可以將氧化銅中的銅還原出來（有關(guān)的化學(xué)方程式是H2+CuO△Cu+H2O）。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.4 幾點(diǎn)說明

（1） 稀硫酸和鎂條要足量，以保證產(chǎn)生的氣體足夠氫氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)使用。稀硫酸的濃度以10%左右為宜，不能過高，以免產(chǎn)生氫氣的速率太快，影響氫氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的有序推進(jìn)。

（2） 直角玻璃管的外徑不能太粗，以不超過6mm為宜;如果管徑過大，氫氣不能充滿玻璃管，導(dǎo)致氫氣不能持續(xù)燃燒，還有可能引起“回火”。

（3） 如果反應(yīng)放出的氫氣量不足，可能銅片表面不能完全變紅（屬于正常情況）。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，教師正好可以通過銅片表面的兩種顏色對(duì)比，以此突出氫氣的還原性。

（4） 也可以將幾根極細(xì)的銅絲扭在一起使用。不建議使用氧化銅粉末（因其導(dǎo)熱性很差）。雖然氫氣與氧化銅反應(yīng)放熱，但在本實(shí)驗(yàn)條件下，要使氧化銅粉末與氫氣持續(xù)發(fā)生還原反應(yīng)是難以實(shí)現(xiàn)的[12]。

總之，依托直角玻璃管還可以開發(fā)出更多綠色化、簡(jiǎn)潔化、直觀化、低成本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而為化學(xué)實(shí)驗(yàn)落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)提供簡(jiǎn)易實(shí)用的儀器裝備。基于直角玻璃管開發(fā)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究活動(dòng)，可以增強(qiáng)化學(xué)教師的專業(yè)素養(yǎng)，將有關(guān)直角玻璃管的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)，也有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

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