三口連接管用于改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

摘 要： 針對高中化學(xué)必修教材中“氯氣的制備”“氨氣的制備”“銅與濃硫酸的反應(yīng)”等三個(gè)實(shí)驗(yàn)中存在的不足，利用三口連接管改進(jìn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，在藥品用量、性質(zhì)檢驗(yàn)以及尾氣處理等方面進(jìn)行了一體化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有操作簡單、現(xiàn)象明顯、試劑耗量小、不污染教室空氣等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 三口連接管； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2024）10007404

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

中學(xué)化學(xué)教科書中有一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)如氯氣的制備等，由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，以及產(chǎn)物存在刺激性或有害性等因素，許多化學(xué)教師取消了在課堂中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生的觀察能力以及動(dòng)手操作能力難以獲得發(fā)展?；诖?，本研究利用如圖1所示的三口連接管進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。三口連接管上端由三個(gè)帶內(nèi)磨口的支管構(gòu)成，磨口內(nèi)徑為19mm，中間相互聯(lián)通，左右兩側(cè)支管較長，高約為75mm，中間支管高約50mm，下端是外磨口接口，可根據(jù)實(shí)際需求與磨口試管、燒瓶、錐形瓶等進(jìn)行組裝。以中學(xué)化學(xué)教材中的三個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為例，利用三口連接管進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，與原實(shí)驗(yàn)裝置相比可達(dá)到節(jié)約藥品、防止有害氣體逸散等目的。

1 氯氣制備及性質(zhì)檢驗(yàn)

1.1 問題提出

氯氣是學(xué)生在高中化學(xué)中接觸的第一個(gè)非金屬單質(zhì)，在中學(xué)化學(xué)教材中占有獨(dú)特的地位。通過學(xué)習(xí)掌握氯氣的性質(zhì)對之后非金屬的學(xué)習(xí)有重要的意義，因此，氯氣制備及性質(zhì)檢驗(yàn)是重要實(shí)驗(yàn)之一?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求通過實(shí)驗(yàn)探究氯及其化合物的主要性質(zhì)［1］。

人教版［2］與蘇教版［3］均采用二氧化錳與濃鹽酸混合加熱的方法制氯氣，并與氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)分開進(jìn)行。該裝置在實(shí)際教學(xué)中存在以下問題：（1）采用圓底燒瓶與分液漏斗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，藥品用量大，不具有環(huán)保性。（2）在性質(zhì)檢驗(yàn)前需再次進(jìn)行氣體的制取，操作較繁瑣。

通過查閱文獻(xiàn)，不少教師對氯氣制備及性質(zhì)檢驗(yàn)進(jìn)行了一體化的改進(jìn)設(shè)計(jì)［4］，取得優(yōu)良成果，但大多依然存在裝置復(fù)雜、搭建困難、藥品用量多等問題?；诖?，結(jié)合化學(xué)教學(xué)實(shí)際，利用三口連接管設(shè)計(jì)了一套簡單且現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)裝置。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

用高錳酸鉀代替二氧化錳可減弱因加熱造成濃鹽酸揮發(fā)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾。實(shí)驗(yàn)原理為：2KMnO4+16HCl（濃）2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O。

實(shí)驗(yàn)儀器：三口連接管、鐵架臺(tái)、磨口試管、注53O0czsqjQbkri/tZPHfsHBX3Hq17KWYb75mdCH8HZs=射器、脫脂棉、翻口塞、氣球等。

實(shí)驗(yàn)藥品：高錳酸鉀固體、濃鹽酸、飽和氯化鈉溶液、無水氯化鈣、有色紙條、淀粉KI試紙、紫色石蕊試紙、酚酞溶液、氫氧化鈉溶液等。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

（1） 檢查裝置氣密性后，向磨口試管中加入0.5g高錳酸鉀固體，將其固定在鐵架臺(tái)上。

（2） 用鑷子將浸潤過飽和氯化鈉溶液和包裹有無水氯化鈣的脫脂棉團(tuán)放入三口連接管的右側(cè)支管中。依次將濕潤的淀粉KI試紙、濕潤的石蕊試紙、濕潤有色紙條和干燥有色紙條貼在注射器B（規(guī)格為20mL）的內(nèi)壁上。

（3） 中間支管口用氣球包裹嚴(yán)密。左右支管口分別塞入翻口塞，保持整個(gè)裝置密封。左側(cè)插入吸有2mL濃鹽酸的注射器A（規(guī)格為10mL），右側(cè)插入步驟（2）準(zhǔn)備好的注射器B。

（4） 裝置固定后，輕推左側(cè)注射器將濃鹽酸注入試管中，體系內(nèi)逐漸有黃綠色氣體產(chǎn)生，氣球逐漸變大。

（5） 輕輕向外拉動(dòng)注射器B活塞，充分吸入產(chǎn)生的氣體，幾秒后可觀察到注射器內(nèi)濕潤的有色紙條退色、干燥的有色紙條顏色無變化、淀粉KI試紙變藍(lán)后又退色、紫色石蕊試紙變紅后又退色。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，向內(nèi)推動(dòng)注射器B活塞將氣體推回裝置內(nèi)，換用注射器C（規(guī)格為20mL）向一側(cè)的支管口注入氫氧化鈉溶液處理裝置內(nèi)殘留的氣體至氣球變癟。

2 氨氣制備

2.1 問題提出

氨氣是一種重要的含氮化合物，人教版2019版教材［5］中利用氯化銨和氫氧化鈣發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)制取氨氣，雖然該實(shí)驗(yàn)裝置搭建簡單，但在實(shí)際教學(xué)中存在著以下問題：（1）氯化銨受熱分解為HCl氣體和氨氣在試管口冷卻后又重新結(jié)合成氯化銨晶體會(huì)堵塞導(dǎo)管；（2）在氣體收集的試管口僅用棉花塞住依然會(huì)有氨氣泄露，污染環(huán)境。

不少學(xué)者對該實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了改進(jìn)，有一定效果［6］。但部分裝置仍存在搭建困難、氣密性差、藥品用量多等問題。基于此，結(jié)合化學(xué)教學(xué)實(shí)際，利用三口連接管設(shè)計(jì)了一套簡單且現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)裝置。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用濃氨水與氫氧化鈉混合制取氨氣。實(shí)驗(yàn)原理為：NH+4+OH-NH3·H2ONH3↑+H2O。

實(shí)驗(yàn)儀器：三口連接管、鐵架臺(tái)、磨口試管、注射器、脫脂棉、翻口塞、氣球等。

實(shí)驗(yàn)藥品：濃氨水、氫氧化鈉固體、酚酞溶液、濃鹽酸、稀鹽酸等。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

（1） 檢查裝置氣密性后，向磨口試管中加入0.5g NaOH固體，將其固定在鐵架臺(tái)上。

（2） 用鑷子將滴有酚酞溶液的脫脂棉團(tuán)放入三口連接管的中間支管中。中間支管口用氣球包裹嚴(yán)密，左右支管口塞入翻口塞，保持整個(gè)裝置密封。

（3） 左側(cè)插入吸有4mL濃氨水的注射器A（規(guī)格為10mL），右側(cè)插入放有浸過濃HCl脫脂棉的注射器B（規(guī)格為10mL）。

（4） 裝置固定后，輕推注射器A將濃氨水注入磨口試管中，幾秒后氣球逐漸變大，滴有酚酞溶液的脫脂棉團(tuán)由無色變成淺紅色。

（5） 輕輕向外拉動(dòng)注射器B的活塞，吸入裝置內(nèi)產(chǎn)生的氣體，可觀察到注射器B內(nèi)有白煙產(chǎn)生（NH3+HClNH4Cl）。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將注射器B內(nèi)殘留的氣體推回裝置內(nèi)，換用注射器C（規(guī)格為20mL）向一側(cè)的支管口注入稀鹽酸處理裝置內(nèi)殘留的氣體至氣球變癟。

3 銅與濃硫酸的反應(yīng)

3.1 提出問題

銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)識(shí)濃硫酸性質(zhì)的重要途徑之一，人教版2019版教材［7］編排的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了銅與濃硫酸的反應(yīng)產(chǎn)物SO2的漂白性和酸性，現(xiàn)象比較明顯，但還存在以下問題：（1）缺少防倒吸裝置，在反應(yīng)過程中品紅溶液容易被倒吸至反應(yīng)試管中。（2）用浸有NaOH溶液的棉團(tuán)處理尾氣，難以確保產(chǎn)生的SO2被全部吸收。（3）裝置內(nèi)部殘留的SO2會(huì)泄漏污染空氣。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，有教師對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對產(chǎn)物二氧化硫的性質(zhì)進(jìn)行了驗(yàn)證，現(xiàn)象明顯［8］。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍存在裝置復(fù)雜、不利于課堂演示、藥品用量過多等問題?；诖?，筆者結(jié)合化學(xué)教學(xué)實(shí)際，利用三口連接管設(shè)計(jì)了一套簡單且現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)裝置。

3.2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

銅與濃硫酸共熱，其實(shí)驗(yàn)原理為：Cu+2H2SO4（濃）△CuSO4+SO2↑+2H2O。

實(shí)驗(yàn)儀器：三口連接管、鐵架臺(tái)、磨口試管、注射器、脫脂棉、翻口塞、氣球等。

實(shí)驗(yàn)藥品：銅絲、品紅溶液、酸性高錳酸鉀溶液、濃硫酸、紫色石蕊試紙、氫氧化鈉溶液、蒸餾水等。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

（1） 檢查裝置氣密性后，向磨口試管中加入4mL濃硫酸，將其固定在鐵架臺(tái)上。

（2） 用鑷子分別將浸潤過酸性高錳酸鉀溶液和品紅溶液的脫脂棉團(tuán)放入三口連接管的左右兩側(cè)支管中。并將濕潤的紫色石蕊試紙貼在右側(cè)支管的內(nèi)壁上。

（3） 在翻口塞上打出孔徑為1mm的細(xì)孔，把下端繞成螺旋狀的銅絲（直徑為1mm）用凡士林涂抹穿過翻口塞后，將其固定在中間支管上，將三口連接管與磨口試管連接，此時(shí)銅絲未接觸濃硫酸。

（4） 左右兩側(cè)支管口分別用氣球包裹嚴(yán)密，保持整個(gè)裝置密封。裝置固定后，輕輕將銅絲伸入磨口試管的濃硫酸中，此時(shí)沒有明顯現(xiàn)象。

（5） 將銅絲抽離濃硫酸，點(diǎn)燃酒精燈加熱濃硫酸至有少量白霧產(chǎn)生，將銅絲再次與濃硫酸接觸，一段時(shí)間后可觀察到氣球逐漸變大，浸有品紅溶液的脫脂棉退色，浸有酸性高錳酸鉀溶液的脫脂棉退色，濕潤的紫色石蕊試紙變紅。

（6） 輕輕將銅絲與濃硫酸抽離，將酒精燈移至放有浸過品紅溶液脫脂棉的位置進(jìn)行加熱，幾秒后可觀察到退色的脫脂棉又變?yōu)榧t色。

（7） 熄滅酒精燈，將吸有蒸餾水的注射器A（規(guī)格為20mL）通過翻口塞注入到磨口試管中，觀察到試管中溶液呈現(xiàn)藍(lán)色，再用吸有飽和氫氧化鈉的注射器B（規(guī)格為20mL）通過翻口塞注入，處理裝置內(nèi)的殘留的氣體至氣球變癟。

4 裝置優(yōu)點(diǎn)

4.1 裝置一體化

利用三口連接管能夠?qū)怏w制備與性質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)合于一體。如在氯氣制備中，實(shí)現(xiàn)了對氯氣的氧化性、酸性、氯氣與水反應(yīng)產(chǎn)物（HClO）的漂白性的驗(yàn)證。再如氨氣實(shí)驗(yàn)以及銅與濃硫酸實(shí)驗(yàn)也均實(shí)現(xiàn)了對氨氣的堿性、氨氣與濃鹽酸化合以及二氧化硫的酸性、還原性、漂白性等性質(zhì)的驗(yàn)證。在短時(shí)間內(nèi)就可以一氣呵成，且現(xiàn)象明顯，有利于提高教學(xué)效率。

4.2 過程環(huán)?；?/p>

與教材的實(shí)驗(yàn)裝置和其他實(shí)驗(yàn)改進(jìn)相比，利用三口連接管可以在保證藥品量較少的同時(shí)，產(chǎn)生明顯的實(shí)驗(yàn)效果。另外，裝置中的氣球起到平衡氣壓和吸收尾氣的作用；翻口塞在維持裝置氣密性的同時(shí)，可利用注射器對裝置內(nèi)殘留氣體進(jìn)行處理，體現(xiàn)了綠色化學(xué)的實(shí)驗(yàn)原則。

4.3 實(shí)驗(yàn)簡單化

除了三口連接管外，其余選用的均是簡單易得的物品，便于普及，有利于落實(shí)到基礎(chǔ)設(shè)施條件較差的學(xué)校。此外，該實(shí)驗(yàn)裝置組裝簡單，易于教師課堂演示和學(xué)生動(dòng)手操作，有利于促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展和培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。

綜上，除以上列舉的三個(gè)實(shí)驗(yàn)外，結(jié)合三口連接管的特點(diǎn)，還可設(shè)計(jì)出其他更簡便且直觀的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如初中化學(xué)教材中二氧化碳的制備實(shí)驗(yàn)、高中化學(xué)教材中乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)等。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國人民共和國教育部制定. 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， 2020.

［2］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學(xué)必修第一冊［M］. 北京： 人民教育出社， 2019： 45.

［3］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學(xué)必修第一冊［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出社， 2020： 58.

［4］劉江， 洪俊華， 趙寧東， 徐懷春. 氣體制備及性質(zhì)驗(yàn)證綜合一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2021， 43（2）： 62～66.

［5］［7］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中化學(xué)教科書·化學(xué)必修第二冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 15，5.

［6］丁志忠， 盧新生， 李榕. 氨氣制備及性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)［J］. 山東化工， 2023， 52（8）： 79～81， 85.

［8］周密， 岑秋琳， 安浪沙， 王中華. 用N形管和三通閥改進(jìn)銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2023， （10）： 71～73.