直角試管改進(jìn)裝置用于幾個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的嘗試

徐作培，李德前，周珊珊

摘要： 將普通試管改制為直角試管。借助直角試管改進(jìn)了教學(xué)中常見(jiàn)的檢驗(yàn)火柴頭中硫元素、比較碳酸鈉與碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性、CO還原氧化銅等實(shí)驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 直角試管； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 化學(xué)實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2023）02-0065-04? ??中圖分類號(hào)： G633.8? ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

將普通的試管做成直角形狀，就相當(dāng)于將兩支相互垂直的普通試管融為一體了。因?yàn)檫@個(gè)特殊而巧妙的結(jié)構(gòu)，使得直角試管內(nèi)可以同時(shí)放置三種不同狀態(tài)的藥品（或試劑），因而可以進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)。為了擴(kuò)大直角試管的適用范圍，我們?cè)诙ㄖ茣r(shí)選用了石英玻璃材質(zhì)，圖1所示就是2cm×15cm×15cm石英材質(zhì)直角試管，其外徑是2cm，豎直支管和水平支管的長(zhǎng)度均是15cm。

下面結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例，介紹直角試管在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

1? 檢驗(yàn)火柴頭中含有硫元素實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行江蘇教育出版社出版的普通高中《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》教科書(shū)中安排了檢驗(yàn)火柴頭中硫元素實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)行上海教育出版社出版的九年級(jí)化學(xué)教科書(shū)（全國(guó)版）中安排了檢驗(yàn)二氧化硫?qū)嶒?yàn)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均使用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置［1，2］。上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅操作繁瑣，而且環(huán)保措施不足，尤其是捕獲的二氧化硫的量很少，致使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯。

我們借助直角試管對(duì)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，取得了顯著的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1.1? 實(shí)驗(yàn)用品

火柴頭、高錳酸鉀稀溶液；2cm×15cm×15cm直角試管、2000mW激光筆、小氣球、鑷子、鐵架臺(tái)

1.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

借助直角試管設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示（夾持裝置略）。

1.3? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取一支直角試管，將10mL左右的高錳酸鉀稀溶液注入試管底部，再將直角試管固定到鐵架臺(tái)上。

（2） 將兩?；鸩耦^放置于直角試管的水平支管中部，然后將一個(gè)小氣球直接套接在試管口上（確保裝置不漏氣），最后按圖3所示安裝好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

（3） 打開(kāi)激光筆，旋轉(zhuǎn)激光筆的透鏡，使其發(fā)射的光線聚焦在試管內(nèi)的火柴頭上，很快火柴頭“噗”的一聲爆燃起來(lái)，并伴隨冒起幾縷白煙；稍后，高錳酸鉀稀溶液褪為肉色甚至無(wú)色。以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證明，火柴頭燃燒產(chǎn)生了二氧化硫氣體（有關(guān)的化學(xué)方程式是S+O2點(diǎn)燃SO2、 2Sb2S3+11O2點(diǎn)燃2Sb2O5+6SO［3］2），進(jìn)而可知火柴頭中含有硫元素。

（4） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，處理實(shí)驗(yàn)尾氣（輕輕振蕩高錳酸鉀溶液），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(shuō)明

（1） 利用鐵架臺(tái)固定直角試管時(shí)，一般將鐵夾夾持在直角試管的豎直支管中部（下同）。

（2） 火柴頭選用2～3粒即可，不宜過(guò)多，以防火柴頭爆燃時(shí)沖掉小氣球。

（3） 在處理實(shí)驗(yàn)尾氣時(shí)，為了使二氧化硫氣體能被高錳酸鉀稀溶液充分吸收，高錳酸鉀稀溶液以10mL左右為宜。

（4） 本實(shí)驗(yàn)也可以使用圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置，在通過(guò)激光筆引爆火柴頭后，很快觀察到品紅試紙褪色，從而說(shuō)明火柴頭燃燒生成了二氧化硫氣體。

2? 比較碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

在比較碳酸鈉、碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性時(shí)大都采用“套管實(shí)驗(yàn)”（裝置如圖5所示），雖然實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性強(qiáng)，但是實(shí)驗(yàn)裝置組裝起來(lái)非常麻煩。

我們利用直角試管優(yōu)化上述實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，方便了實(shí)驗(yàn)操作。

2.1? 實(shí)驗(yàn)用品

碳酸鈉、碳酸氫鈉；2cm×15cm×15cm直角試管、配套的單孔橡皮塞、小氣球、酒精燈、藥匙、鐵架臺(tái)、計(jì)時(shí)器

2.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

借助直角試管設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示（夾持裝置略）。

2.3? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 準(zhǔn)備一支直角試管，先向試管底部加入兩藥匙碳酸氫鈉粉末，再向直角試管的水平支管中部加入兩藥匙碳酸鈉粉末，然后將直角試管固定在鐵架臺(tái)上。

（2） 先將小氣球套在大小合適的單孔橡皮塞大頭上，再將單孔橡皮塞塞到試管口上（確保裝置氣密性良好），然后按圖6所示安裝好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

（3） 點(diǎn)燃酒精燈，先加熱碳酸鈉2.5min，觀察到該白色粉末沒(méi)有明顯變化，小氣球的大小沒(méi)有明顯的改變；再加熱碳酸氫鈉2.5min，觀察到白色粉末逐漸減少，試管內(nèi)壁附有較多的水珠，而且小氣球逐漸變大。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以說(shuō)明，在相同的條件下，碳酸鈉熱穩(wěn)定性強(qiáng)，受熱不易分解；碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性差，受熱易分解（有關(guān)的化學(xué)方程式是2NaHCO3△Na2CO3+H2O+CO2↑）。

（4） 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(shuō)明

（1） 也可以將碳酸鈉放在直角試管的底部，碳酸氫鈉放在直角試管水平支管的中部。

（2） 也可以先加熱碳酸氫鈉（觀察到小氣球逐漸變大），再加熱碳酸鈉（觀察到小氣球的大小保持不變）。

3? CO還原氧化銅實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行人民教育出版社出版的九年級(jí)化學(xué)教科書(shū)中只呈現(xiàn)了CO還原氧化銅的化學(xué)方程式，而沒(méi)有設(shè)計(jì)相關(guān)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)［4］。一線教師在進(jìn)行CO還原氧化銅實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)的方法都需要預(yù)先借助濃硫酸制好CO，而在危險(xiǎn)化學(xué)品管制升級(jí)的情況下，獲得濃硫酸并制備CO著實(shí)是一件有風(fēng)險(xiǎn)的事情。

受相關(guān)文獻(xiàn)資料的啟發(fā)［5］，借助直角試管，不使用濃硫酸，設(shè)計(jì)出CO還原氧化銅的一體化裝置，充分體現(xiàn)出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)約性、環(huán)保性與綜合性。

3.1? 實(shí)驗(yàn)用品

木炭、二氧化碳?xì)怏w、表面燒黑的銅片、氯化鈀試紙；2cm×15cm×15cm直角試管、配套的單孔橡皮塞、小氣球、立式防風(fēng)打火機(jī)（溫度可達(dá)1100℃）、鑷子、鐵架臺(tái)

3.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

借助直角試管設(shè)計(jì)的CO還原氧化銅一體化實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示（夾持裝置略）。

3.3? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取一支直角試管，先向試管底部加入幾小塊木炭，然后將直角試管固定在鐵架臺(tái)上。

（2） 在直角試管的水平支管的中部放置一塊表面燒黑的銅片，在水平支管中部的側(cè)壁上附著一張濕潤(rùn)的氯化鈀試紙，最后用向上排空氣法在直角試管里集滿二氧化碳?xì)怏w。

（3） 立即將套有小氣球的單孔橡皮塞塞到試管口上（要確保裝置不漏氣），最后按圖7所示安裝好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

（4） 打開(kāi)立式防風(fēng)打火機(jī)的氣體控制閥，按下打火開(kāi)關(guān)，打火機(jī)立即噴出上千度的藍(lán)色火苗。將火焰對(duì)準(zhǔn)木炭加熱3min左右，不難發(fā)現(xiàn)，小氣球逐漸變大，濕潤(rùn)的氯化鈀試紙逐漸變?yōu)樗{(lán)色（有關(guān)的化學(xué)方程式是C+CO2高溫2CO、 CO+PdCl2+H2OCO2+Pd↓+2HCl），證明直角試管里已有較多的CO。

（5） 再將打火機(jī)火焰對(duì)準(zhǔn)燒黑的銅片加熱2min左右，銅片逐漸變?yōu)榧t色（有關(guān)的化學(xué)方程式是CO+CuO△Cu+CO2或CO+2CuO△Cu2O+CO2），有力地證明了CO具有還原性。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，處理實(shí)驗(yàn)尾氣（可將小氣球內(nèi)的氣體點(diǎn)火燒掉），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(shuō)明

（1） 在將小氣球套接到試管口上時(shí)，要確保氣球是癟的（里面不殘留空氣），否則會(huì)降低實(shí)驗(yàn)體系內(nèi)CO氣體的濃度，影響后續(xù)還原反應(yīng)的效果。

（2） 上述實(shí)驗(yàn)裝置也適用于CO還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)。

借助直角試管還可以改進(jìn)開(kāi)發(fā)出“加熱銅綠”“二氧化錳催化作用”“檢驗(yàn)銨態(tài)氮肥”“鐵粉與硫粉的反應(yīng)”等實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1［M］. 南京：江蘇教育出版社， 2014：32～33.

［2］中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組. 義務(wù)教育教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)下冊(cè)）［M］. 上海：上海教育出版社， 2015：108.

［3］王永臻， 魏海， 李德前. 檢驗(yàn)二氧化硫?qū)嶒?yàn)的組合設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2019，（2）：70～72.

［4］課程教材研究所化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心. 義務(wù)教育教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）［M］. 北京：人民教育出版社， 2012：122.

［5］仇榮亞， 李德前.對(duì)一氧化碳還原氧化銅一體化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備， 2022，（6）：71～72.