借助長柄V形玻璃管的化學(xué)實驗創(chuàng)新

摘要 針對人教版和仁愛版教科書中“物質(zhì)燃燒的條件”實驗設(shè)計存在的不足之處，從不割裂實驗本身和培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的視角出發(fā)，利用自制長柄V形硬質(zhì)玻璃管和注射器等實驗用品設(shè)計密閉裝置，進(jìn)行一體化實驗創(chuàng)新設(shè)計。再利用長柄V形硬質(zhì)玻璃管和注射器等儀器設(shè)計密閉裝置，在進(jìn)行銨態(tài)氮肥的檢驗實驗創(chuàng)新設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成氯化氫和氨氣混合產(chǎn)生白煙實驗和分子不斷運動實驗，從而放大實驗的效益，體現(xiàn)實驗設(shè)計的一體化、綠色化思想。

關(guān)鍵詞 長柄V形硬質(zhì)玻璃管? 物質(zhì)燃燒的條件? 銨態(tài)氮肥的檢驗? 一體化實驗創(chuàng)新

引用格式 胡巢生.借助長柄V形玻璃管的化學(xué)實驗創(chuàng)新[J].教學(xué)與管理，2022（19）：60-62.

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”列為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，要求學(xué)生具有安全意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，具有探索未知、崇尚真理的意識;提出培養(yǎng)實驗安全、環(huán)境保護(hù)意識以及科學(xué)態(tài)度等學(xué)業(yè)要求[1]。人教版和仁愛版教科書中“物質(zhì)燃燒的條件”的實驗設(shè)計，將紅磷、白磷置于開放環(huán)境中，白磷燃燒產(chǎn)生大量白煙;滬教版教科書中“銨態(tài)氮肥的檢驗”實驗設(shè)計在敞口試管中進(jìn)行，氨氣直接逸散。這兩個實驗設(shè)計不僅造成室內(nèi)環(huán)境污染，影響師生身體健康，而且造成學(xué)生對化學(xué)學(xué)科本身產(chǎn)生不良的印象，不利于培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)。筆者認(rèn)為實驗教學(xué)不僅應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的實驗知識和技能，而且應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的實驗思維和方法、實驗情意和品性。因此，受李德前老師長柄V形硬質(zhì)玻璃管作用的啟發(fā)[2]，嘗試對長柄V形硬質(zhì)玻璃管進(jìn)行再設(shè)計。其中長柄直徑約1cm，長度約12cm，每側(cè)支管的長度分別約5cm和4cm，V形管的彎曲度約為45°（如圖1）。嘗試?yán)迷搶嶒瀮x器和注射器等儀器組裝密閉裝置，對上述兩個實驗進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

一、實驗一：物質(zhì)燃燒的條件

“物質(zhì)燃燒的條件”是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》規(guī)定的8個“學(xué)生實驗活動”之一。人教版教科書的實驗設(shè)計更加關(guān)注實驗安全，僅保留“燃燒的條件”實驗中使用白磷，可見這個實驗設(shè)計之經(jīng)典！該實驗設(shè)計為學(xué)生正確理解物質(zhì)“燃燒條件”提供了必要的和充分的認(rèn)識。水既能隔絕氧氣，又有提供溫度至白磷的著火點的作用[3]，如圖2所示。但該實驗存在白磷燃燒產(chǎn)生大量白煙，白磷在水中不固定，通入氣體容易漂浮或游動，水溫過高易導(dǎo)致熔化等問題，給實驗操作帶來一定的難度。仁愛版教科書則利用倒扣的漏斗對水下白磷的燃燒進(jìn)行了優(yōu)化[4]，如圖3所示。

筆者選用自制長柄V形硬質(zhì)玻璃管、50mL注射器、氣球、橡膠塞等組裝密閉裝置，依舊選取白磷和紅磷作為反應(yīng)物，通入氧氣，熱源改為酒精燈加熱。學(xué)生可以在短時間內(nèi)清晰地觀察到實驗現(xiàn)象，通過對比分析，邏輯推理過程，最終能夠準(zhǔn)確地得出燃燒需要的3個條件。該實驗設(shè)計不僅承擔(dān)了演示功能，而且培養(yǎng)了學(xué)生“實驗探究與創(chuàng)新意識”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.實驗儀器及藥品

長柄V形硬質(zhì)玻璃管、酒精燈、鐵架臺、橡膠塞、50mL注射器、O2氣囊、氣球、鑷子、帶旋塞的導(dǎo)氣管、玻璃棒、脫脂棉球、細(xì)沙;白磷、紅磷、銅片、蒸餾水、O2、5%NaOH溶液等。

2.實驗裝置、操作方法和實驗現(xiàn)象

（1）連接裝置，如圖4所示。關(guān)閉導(dǎo)管旋塞，推動注射器活塞，氣球鼓起，一段時間不變癟，說明裝置氣密性良好。向長柄V形硬質(zhì)玻璃管底先塞入一團(tuán)鐵絲棉，并用玻璃棒將其移至V形硬質(zhì)玻璃管底偏右側(cè)，以防止通入氧氣時白磷游動。再加入少量細(xì)沙和少量蒸餾水至液面略高于上管壁。迅速投入1枚半顆綠豆大小的白磷顆粒并沒入水中，兩端塞上帶導(dǎo)管的塞子。長柄端導(dǎo)管用氣球密封，并插入50mL裝有氧氣的注射器。短柄端帶旋塞的導(dǎo)管與氧氣氣囊連接，導(dǎo)管另一端剛好位于白磷的上部。向長柄V形硬質(zhì)玻璃管的長柄口塞入一小團(tuán)蘸有5%NaOH溶液的脫脂棉球至交接處，在長約8cm的貼合玻璃管的凹型銅片擋板兩側(cè)分別放一小堆干燥的紅磷和1枚半顆綠豆大小的白磷顆粒，迅速塞入長柄端中部，再塞入一小團(tuán)蘸有5%NaOH溶液的脫脂棉球。

（2）用酒精燈對長柄V形硬質(zhì)玻璃管長柄端進(jìn)行均勻預(yù)熱，再對準(zhǔn)紅磷與白磷的中間部位集中加熱，同時緩緩擠壓注射器活塞，使進(jìn)入的氧氣先通過紅磷，再到白磷，紅磷無明顯變化，白磷卻劇烈燃燒;停止推入氧氣，白磷逐漸停止燃燒。說明當(dāng)溫度達(dá)到白磷的著火點，且與氧氣接觸時，可以燃燒。

（3）待裝置冷卻至室溫，打開旋塞，擠壓O2氣囊向冷水中的白磷中通入氧氣，冷水中白磷無明顯變化。說明溫度達(dá)不到著火點，可燃物雖與氧氣接觸，也不會燃燒。

（4）點燃酒精燈，先預(yù)熱長柄V形硬質(zhì)玻璃管底部，再集中白磷部位進(jìn)行加熱，白磷熔化并附著于細(xì)沙表面，打開帶旋塞的導(dǎo)管的活塞，從O2氣囊中緩緩鼓入氧氣與白磷充分接觸，白磷立即被點燃并持續(xù)燃燒;停通氧氣，水回流浸沒白磷，白磷立即熄滅。說明與氧氣接觸是可燃物燃燒的一個必要條件。

（5）實驗結(jié)束拆開裝置，清洗、整理儀器;如果白磷有殘留，可以向?qū)嶒瀼U液里加入適量的硫酸銅溶液或酸性高錳酸鉀溶液。

3.實驗改進(jìn)的優(yōu)點

（1）利用銅片的良好導(dǎo)熱性，確保受熱均勻，中間的擋板可有效地防止白磷燃燒濺出而引燃紅磷，保證了實驗的安全有效性。長柄端兩側(cè)的氫氧化鈉溶液可以有效地吸收白磷燃燒生成的白煙。氣球具有緩沖氣壓和防白煙進(jìn)入空氣的作用。

（2）實驗操作時間適宜，條件變量控制較好。將三個實驗合為一體和密閉裝置的設(shè)計，實現(xiàn)了實驗設(shè)計的一體化、綠色化，增強了實驗的環(huán)保性、趣味性、對比性。

（3）V形管的彎曲度約為45°的設(shè)計，鐵絲絨和細(xì)沙的加入，一定程度上既可以有效地阻止白磷隨水流動，又可以使液態(tài)白磷附著在細(xì)沙表面，限制白磷的游動，也便于將熱源設(shè)置為盛有80℃熱水的燒杯。

二、實驗二：銨態(tài)氮肥的檢驗

為了檢驗銨態(tài)氮肥，若干版本教科書都設(shè)計了類似于滬教版教科書“活動與探究”安排的實驗設(shè)計：把少量硫酸銨放在試管中，加入3mL氫氧化鈉溶液，在酒精燈上微熱，把濕潤的紅色石蕊試紙放在試管口，觀察試紙顏色變化[5]。該實驗為敞口設(shè)計，氨氣直接散逸至空氣中，有刺鼻的氣味，對班級的空氣環(huán)境和師生的健康都會造成一定的影響。為了解決這一難題，筆者設(shè)計密閉實驗裝置，同時將該實驗與滬教版教科書中的“兩種無色氣體——氯化氫和氨氣混合產(chǎn)生白煙”實驗和“分子不斷運動”實驗合為一體，最大限度地放大了實驗的效益。既實現(xiàn)了三個實驗完美的結(jié)合，又實現(xiàn)了反應(yīng)產(chǎn)物氨氣的有效去除，可謂一箭三雕。

選用長柄V形硬質(zhì)玻璃管、10mL注射器、氣球、橡膠塞等組裝密閉裝置，依舊選取硫酸銨和氫氧化鈉溶液作為反應(yīng)物，酒精燈加熱，實驗結(jié)束后，輕輕推動注射器活塞，注入少量濃鹽酸至脫脂棉上，觀察到有白煙產(chǎn)生，且白煙逐漸由長管口向內(nèi)逐漸蔓延。學(xué)生可以在短時間內(nèi)不僅觀察到氨氣能使紅色石蕊試紙變藍(lán)的實驗現(xiàn)象，同時利用加入脫脂棉上的濃鹽酸，有效地完成了氯化氫和氨氣混合產(chǎn)生白煙的實驗和分子不斷運動實驗。

1.實驗儀器和藥品

長柄V形硬質(zhì)玻璃管、酒精燈、鐵架臺、橡膠塞、10mL注射器、氣球;紅色石蕊試紙、蒸餾水、NH4Cl、濃鹽酸、NaOH溶液等。

2.實驗裝置、操作方法和實驗現(xiàn)象

（1）連接裝置，如圖5所示。推動注射器活塞，氣球鼓起，一段時間不變癟，說明裝置氣密性良好。向長柄V形硬質(zhì)玻璃管底先加入少量NH4Cl固體，兩端塞上帶導(dǎo)管的塞子。長柄端導(dǎo)管用氣球密封，短柄端塞子上插入裝有NaOH溶液的10mL注射器，長柄V形硬質(zhì)玻璃管的長柄內(nèi)上部用不干膠固定一塊約5cm長濕潤的紅色石蕊試紙。

（2）稍用力擠壓注射器活塞注入少量NaOH溶液，用酒精燈預(yù)熱長柄V形硬質(zhì)玻璃管底部，再對準(zhǔn)藥品部位微熱，觀察到氣球稍許漲大，濕潤的紅色石蕊試紙向右較快地變成藍(lán)色。說明NH4Cl固體與NaOH溶液混合共熱后放出氨氣。

（3）推動長柄端注射器活塞，將少量濃鹽酸推至脫脂棉上，片刻，觀察到有細(xì)小的氯化銨固體顆粒分散形成白煙，且逐漸由長管口向內(nèi)蔓延直至充滿玻璃管，濕潤的石蕊試紙開始向左較快地由藍(lán)色變成紅色，并且白煙越來越多。說明氨分子、氯化氫分子都在不斷地運動，兩種無色氣體——氯化氫和氨氣混合產(chǎn)生了NH4Cl白煙[6]。

3.實驗改進(jìn)的優(yōu)點

（1）采用密閉裝置進(jìn)行實驗，將產(chǎn)生的氨氣密封在裝置內(nèi)，紅色石蕊試紙變色明顯，基本杜絕了有害氣體的排放。氣球具有緩沖氣壓、防氨氣逸出的作用。

（2）實驗試劑用量大大減少，降低了實驗藥品損耗，將滬教版教科書中的“氯化氫和氨氣混合產(chǎn)生白煙的實驗”“分子不斷運動實驗”集成于一體[7]。提高了氨氣的利用率，解決了實驗的污染問題，實現(xiàn)了實驗設(shè)計的一體化、集成化、綠色化。

（3）濕潤的紅色石蕊試紙由紅變藍(lán)，再由藍(lán)變紅，這一變化過程增強了實驗的效果，放大了實驗的效益，活躍了課堂的氣氛，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，拓展了學(xué)生的思維，對于培養(yǎng)學(xué)生的實驗安全和環(huán)保意識等“社會態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)將大有裨益。

化學(xué)實驗對培養(yǎng)并發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)品質(zhì)具有不可替代的作用，實驗創(chuàng)新來自教師孜孜以求的學(xué)習(xí)態(tài)度、競競業(yè)業(yè)的實踐積累、不斷創(chuàng)新的思維品質(zhì)、研究實證的科學(xué)精神。因此，教師應(yīng)從學(xué)生關(guān)鍵能力發(fā)展、必備品格形成和正確價值觀念培育的教學(xué)取向出發(fā)，在遵循科學(xué)性、可行性、安全性、人文性等原則的指引下，注重運用科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力，使得化學(xué)創(chuàng)新實驗有更合理的方案、更科學(xué)的裝置、更適合的步驟、更有效的證據(jù)、更全面的分析推理，獲得更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灲Y(jié)論，多層面充分發(fā)揮實驗在化學(xué)教學(xué)中的教育功能和教學(xué)價值，實現(xiàn)學(xué)生實驗觀念、實驗思想乃至化學(xué)實驗文化的形成與培育，進(jìn)而達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度與價值觀等目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2018：7，57.

[2] 李德前，杜玉芬.巧用長柄V形玻璃管改進(jìn)和設(shè)計化學(xué)實驗[J].化學(xué)教學(xué)，2013（08）：41-43.

[3] 王晶，鄭長龍，主編.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，2012：129-130.

[4] 沈怡文，陳德余，主編.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級）（上冊）[M].北京：科學(xué)普及出版社，2012：82-83.

[5][7] 王祖浩，王磊，主編.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級）（上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：58，11.

[6] 胡巢生.例談注射器在初中化學(xué)實驗中的使用[J].化學(xué)教學(xué)，2018（05）：65-67+97.

【責(zé)任編輯? ?郭振玲】