對(duì)幾個(gè)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

劉信友

摘要：? 借用T型管、單向閥、注射器和干燥管等常用儀器設(shè)計(jì)木炭吸附二氧化氮?dú)怏w及其解吸的實(shí)驗(yàn)以及稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的拓展實(shí)驗(yàn)，改善了原實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯的缺陷，讓實(shí)驗(yàn)更好地服務(wù)于教學(xué)。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)取材方便、操作簡(jiǎn)單、安全快速、現(xiàn)象明顯，適合教師課堂演示和學(xué)生課外探究實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：? T型管； 單向閥； 注射器； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）05-0079-03

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

將T型管、單向閥和注射器組合成如圖1所示的裝置，這個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)在注射器拉、推的作用下能使液體或氣體單向流動(dòng)；可將固體與液體、液體與液體、氣體與液體、氣體與氣體之間的反應(yīng)設(shè)計(jì)在密閉的容器中進(jìn)行，且能控制反應(yīng)物的量，可完成多種化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

查閱知網(wǎng)文獻(xiàn)［1，2］，發(fā)現(xiàn)教師多處提到單向閥的運(yùn)用，李德前等設(shè)計(jì)“氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)”，曹桂禎等設(shè)計(jì)“單向閥和自制氣筒在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用”，上述實(shí)驗(yàn)改進(jìn)（防止回火，氣體、液體的單向流動(dòng)）的案例，對(duì)我們的研究有很大的啟發(fā)。為了進(jìn)一步凸顯單向閥在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，彰顯化學(xué)學(xué)科的育人價(jià)值，下面結(jié)合幾個(gè)改進(jìn)案例，介紹T型管、單向閥、注射器等在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，供同行們參考。

1? 木炭吸附二氧化氮?dú)怏w及其解吸實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行人教版九年義務(wù)教育教科書(shū)《化學(xué)》上冊(cè)第六章第一節(jié)實(shí)驗(yàn)6-1，在盛有半瓶水的錐形瓶里，加入一滴紅墨水，使水略顯紅色。投入幾塊烘烤過(guò)的木炭（或活性炭），輕輕振蕩錐形瓶觀察現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)中木炭能吸附水中的色素，現(xiàn)象明顯。在教材P112［練習(xí)與應(yīng)用］第6題：如圖2所示，向盛有紅棕色NO2氣體的集氣瓶里投入幾小塊烘烤過(guò)的木炭，為什么紅棕色會(huì)消失［3］？為了能讓學(xué)生清晰觀察到木炭能吸附紅棕色的二氧化氮?dú)怏w，我們?cè)陂_(kāi)展社團(tuán)活動(dòng)時(shí)增加了這個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，取得了較好的效果。

該實(shí)驗(yàn)演示時(shí)一般能達(dá)到預(yù)期效果，但也存在如下不足：

（1） 向裝有二氧化氮?dú)怏w的集氣瓶中加木炭顆粒時(shí)，集氣瓶中的二氧化氮?dú)怏w會(huì)從瓶口逸出，造成對(duì)室內(nèi)空氣的污染；

（2） 在搖動(dòng)集氣瓶時(shí)木炭與集氣瓶?jī)?nèi)壁碰撞會(huì)沾上黑色碳粒，從而影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察；

（3） 不能觀察到紅棕色二氧化氮?dú)怏w被木炭吸附后瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)的減小。

我們用T型管、注射器和單向閥改進(jìn)上述實(shí)驗(yàn)，能清晰地觀察到紅棕色的二氧化氮?dú)怏w被木炭吸附及其解吸的現(xiàn)象，效果很好。

1.1? 實(shí)驗(yàn)用品

二氧化氮?dú)怏w（150mL）1瓶、活性炭小顆粒、廣口瓶（150mL）1個(gè)、T型管1個(gè)、單向閥（3mm）3個(gè)、球形干燥管（20×150mm）1個(gè)、乳膠管（20mm）3根、注射器（50mL）2支、酒精燈1盞、單孔硅膠塞（30mm）1個(gè)、單孔橡皮塞（0號(hào)）1個(gè)、20%氫氧化鈉溶液、玻璃棉、導(dǎo)管1根（5cm）

1.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖3所示，夾持裝置略。

1.3? 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

1.3.1? 實(shí)驗(yàn)步驟

首先取1個(gè)球形干燥管（20×15mm），裝入烘干的活性炭小顆粒填實(shí)（為防小顆粒炭被吹出，在球形干燥管出口處填少量玻璃棉），干燥管大口端用帶導(dǎo)管的單孔橡皮塞塞緊，再與帶有單向閥的T型管連接，T型管上端連接一根乳膠管（20mm）；其次，將注射器①和注射器②的活塞推到底部，排盡注射器內(nèi)的空氣，分別與T型管左端和球形干燥管右端乳膠管連接，用150mL的集氣瓶收集一瓶紅棕色的二氧化氮?dú)怏w，用帶有單向閥的雙孔硅膠塞塞緊（二氧化氮?dú)怏w被抽出后，瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小，外界的空氣沿硅膠塞上的單向閥進(jìn)入集氣瓶中，有利于二氧化氮?dú)怏w持續(xù)抽出），雙孔硅膠塞上的導(dǎo)管一端乳膠管（帶彈簧夾K）與T型管的上口連接（彈簧夾的作用：防止連接T型管時(shí)集氣瓶中的二氧化氮逸出，造成污染）；最后，打開(kāi)彈簧夾K，拉①號(hào)注射器活塞，從集氣瓶中抽取30mL紅棕色二氧化氮?dú)怏w進(jìn)入①號(hào)注射器中，關(guān)閉彈簧夾K。再緩慢推動(dòng)①號(hào)注射器活塞，將10mL二氧化氮?dú)怏w緩慢推入球形干燥管中的活性炭粒中。

1.3.2? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

觀察到②號(hào)注射器的活塞向右慢慢地移動(dòng)，注射器中收集到的氣體比①號(hào)注射器中的氣體顏色明顯變淡且氣體體積變?。蝗缓笸苿?dòng)②號(hào)注射器的活塞，使變淡的氣體再次進(jìn)入球形干燥管中的活性炭粒中，停留1分鐘后，再緩慢推動(dòng)①號(hào)注射器活塞，將注射器①的二氧化氮?dú)怏w（10mL）推入球形干燥管中的活性炭粒中，此時(shí)進(jìn)入②號(hào)注射器中的氣體已變?yōu)闊o(wú)色；用酒精燈微微烘烤球形干燥管中的活性炭小顆粒，又看到紅棕色的二氧化氮?dú)怏w進(jìn)入②號(hào)注射器中，此即為被吸附的紅棕色的二氧化氮?dú)怏w被解吸了出來(lái)。

1.4? 幾點(diǎn)說(shuō)明

（1） 裝入球形干燥管中的活性炭小顆粒需現(xiàn)制且要烘干；

（2） 推動(dòng)注射器活塞的速度不能過(guò)快，以免二氧化氮?dú)怏w與球形干燥管中的活性炭小顆粒沒(méi)有充分接觸，影響吸附效果；

（3） 酒精燈要求微微加熱球形干燥管（以免二氧化氮在150～160℃分解成2NO+O2，O2和灼熱的C會(huì)反應(yīng)生成CO或CO2），且加熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以免球形干燥管破裂，使二氧化氮?dú)怏w逸出，造成室內(nèi)空氣污染；

（4） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用彈簧夾K夾緊硅膠塞上導(dǎo)管一端的乳膠管，用50mL的注射器吸取過(guò)量的20%氫氧化鈉溶液，打開(kāi)彈簧夾K，從導(dǎo)管口向集氣瓶中壓入。氫氧化鈉溶液能有效除去集氣瓶中剩余的二氧化氮?dú)怏w，有效處理尾氣和廢液，防止有毒氣體逸出造成環(huán)境污染（反應(yīng)的化學(xué)方程式：2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O）。

2? 稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的拓展

現(xiàn)行人教版九年義務(wù)教育教科書(shū)［4］《化學(xué)》下冊(cè)第十章第二節(jié)P60，安排有在氫氧化鈉溶液中滴加稀鹽酸的實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖4）。

教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理念是借助無(wú)色酚酞溶液的變色來(lái)判斷稀鹽酸和氫氧化鈉發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。為了能讓學(xué)生清晰地觀察到稀鹽酸和氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng)后有氯化鈉生成，我們將氫氧化鈉水溶液改為氫氧化鈉乙醇溶液，將鹽酸改為氯化氫氣體通入氫氧化鈉乙醇溶液中，可清晰地觀察到有白色固體（NaCl）生成，實(shí)驗(yàn)的可視化效果良好。

2.1? 實(shí)驗(yàn)用品

38%濃鹽酸（100mL）、無(wú)水氯化鈣、飽和氫氧化鈉乙醇溶液（5mL）、廣口瓶（150mL）1個(gè)、T型管1個(gè)、單向閥（3mm）3個(gè)、球形干燥管（20×15mm）1個(gè)、乳膠管（20mm）3根、注射器（50mL）1支、直角導(dǎo)管1個(gè)、試管（20×200mm）1支、硅膠翻口塞（30mm）1個(gè)、單孔橡皮塞（0號(hào)）1個(gè)、導(dǎo)管1根（5cm）

2.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖5所示，夾持裝置略。

2.3? 實(shí)驗(yàn)操作步驟及現(xiàn)象

2.3.1? 實(shí)驗(yàn)操作

先將無(wú)水氯化鈣裝入球形干燥管（20×15mm）中，塞上帶有導(dǎo)管的單孔橡皮塞，用帶單向閥的T型管與球形干燥管連接；再將T型管的左側(cè)連接注射器（活塞推到底部），T型管上端通過(guò)單向閥連接裝有50mL38%濃鹽酸的廣口瓶（廣口瓶上瓶塞導(dǎo)管一端的乳膠管用彈簧夾K夾緊，防止氯化氫氣體逸出），實(shí)驗(yàn)裝置組裝完成。

2.3.2? 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

打開(kāi)彈簧夾K，緩慢拉動(dòng)注射器的活塞，廣口瓶中濃鹽酸揮發(fā)出的氯化氫氣體通過(guò)單向閥被吸入注射器中（約30mL）。關(guān)閉彈簧夾K，打開(kāi)另一個(gè)單向閥，推動(dòng)注射器的活塞，氯化氫氣體經(jīng)過(guò)單向閥進(jìn)入裝有無(wú)水氯化鈣的球形干燥管中（干燥氯化氫氣體），再經(jīng)過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入盛有5mL飽和氫氧化鈉乙醇溶液的試管中，片刻后即可觀察到飽和無(wú)色氫氧化鈉乙醇溶液中出現(xiàn)白色渾濁現(xiàn)象，靜置1分鐘，試管底部出現(xiàn)白色固體物質(zhì)（氯化鈉）。查資料［5］得：常溫下的乙醇中NaOH（S=17.3g）與HCl（S=41.6g）均是易溶物，而NaCl（S=0.065g）是微溶物，即使在89.6%的乙醇溶液中，NaCl的溶解度也僅是0.43g?？赏频脤?shí)驗(yàn)原理［6］為：NaOH+HCl乙醇NaCl↓+H2O。

2.4? 幾點(diǎn)說(shuō)明

（1） 用干燥氯化氫氣體可減少生成物中水的含量，讓更多的氯化鈉以固體呈現(xiàn)出來(lái)；

（2） 用注射器抽取廣口瓶中濃鹽酸揮發(fā)出的氯化氫氣體時(shí)，濃鹽酸底部會(huì)有氣泡產(chǎn)生（原因：一定溫度下，壓強(qiáng)減小，氯化氫氣體的溶解度也減?。?；

（3） 為了防止裝濃鹽酸廣口瓶瓶塞脫落造成濃鹽酸流出，應(yīng)采用醫(yī)用硅膠翻口塞（網(wǎng)購(gòu)）代替普通橡皮塞；

（4） 在醫(yī)用硅膠翻口塞上接一個(gè)單向閥，是為了平衡大氣壓強(qiáng)，能用注射器持續(xù)抽取氯化氫氣體。

參考文獻(xiàn)：

［1］李德前， 龔皓， 魏海.氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)［J］.化學(xué)教學(xué)， 2022， （6）： 72～75.

［2］曹桂禎， 鄭順來(lái).單向閥和自制氣筒在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)教學(xué)， 2023， （1）： 62～66.

［3］［4］王晶， 鄭長(zhǎng)龍主編．義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)· 化學(xué)（九年級(jí)上、下冊(cè)）［M］．北京： 人民教育出版社， 2012： 112， 60.

［5］顧慶超等．化學(xué)用表［M］.南京： 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社， 1979： 136～137.

［6］張紅衛(wèi)．酸堿中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)［J］.化學(xué)教學(xué)， 2022， （2）： 71～72.