封閉U型管在對比實驗中的應用

謝丹敏 湯中華

摘要：針對上教版義務教育化學教科書中的實驗內(nèi)容，制作了封閉U型管實驗裝置，并應用于初中化學的微粒運動、微粒之間存在空隙、二氧化碳與氫氧化鈉反應、高錳酸鉀溶液褪色等多個對比實驗中，取得了較好的效果。

關鍵詞：封閉U型管；對比實驗；微粒運動實驗改進

文章編號：1005–6629（2016）4–0081–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學實驗是學生獲取科學文化知識、認識客觀世界的重要途徑。義務教育化學課程標準（2011版）明確指出：“應根據(jù)學校實際情況合理地選擇實驗形式，有條件的學校盡可能多地為學生提供動手做實驗的機會；條件有限的學校，可采取教師演示實驗或利用替代品進行實驗，鼓勵開展微型實驗、家庭小實驗等。[1]”因此設計、改進、創(chuàng)新化學實驗在實驗教學中顯得尤為重要。而對比實驗作為化學實驗中運用得最多的方法之一，在激發(fā)學生探究欲望，培養(yǎng)學生發(fā)散思維和創(chuàng)造能力，優(yōu)化學生實驗認知過程等方面起著舉足輕重的作用。為此，我們利用化學實驗室常見的儀器和藥品制作了封閉U型管，并將該實驗裝置應用于上教版義務教育教科書《化學》（九年級上、下冊）多個對比實驗中。

1 封閉U型管的制作

用小刀切碎蠟燭，取出石蠟，將適量石蠟加入U型管中，將U型管管口朝上，用鐵夾水平固定在鐵架臺上，把裝有石蠟部分浸在約80℃的熱水浴中，待石蠟完全熔化后，移走水浴，讓其在空氣中自然冷卻凝固，制成封閉U型管。實驗裝置如圖1所示。

2 封閉U型管的創(chuàng)新應用

以上教版義務教育教科書《化學》（九年級上、下冊）實驗內(nèi)容為例，介紹封閉U型管在實驗中的創(chuàng)新應用。

2.1 微粒運動實驗

2.1.1 教材上的實驗內(nèi)容及問題

重新配制甲溶液（向燒杯B中加入20mL蒸餾水，滴入2～3滴酚酞試液，得到溶液甲）。在燒杯B中加入3～5mL濃氨水，用一個大燒杯把兩燒杯的溶液罩在一起，觀察實驗現(xiàn)象[2，3]。

通過實驗我們發(fā)現(xiàn)以下不足：一次實驗需3～5mL濃氨水，藥品用量較大；實驗體系并非全封閉，實驗過程中氨氣從大燒杯口揮發(fā)出來，產(chǎn)生的刺激性氣味影響了課堂教學效果，損害了師生的健康；實驗完畢后，大量氨氣殘留在大燒杯中難以處理，且實驗并不能說明微粒運動速率與溫度的關系。為此我們做了如下對比實驗設計。

2.1.2 實驗裝置及藥品

實驗裝置及藥品如圖2所示。

2.1.3 實驗操作及現(xiàn)象解釋

（1）取2張酚酞濾紙條（事先將濾紙用酚酞溶液浸泡、晾干備用），用蒸餾水潤濕后，分別掛在細鐵絲上。

（2）用膠頭滴管吸取適量濃氨水，滴2～3滴于橡皮塞細端面上的孔內(nèi)（事先在橡皮塞細端面上用鉆孔器和小刀挖一個小孔），然后迅速塞上橡皮塞，觀察到封閉U型管兩側(cè)玻璃管內(nèi)的酚酞濾紙條自下而上變紅，說明微粒在不斷地運動。

（3）將封閉U型管的橡皮塞一端分別同時浸入裝有等體積熱水和冷水的燒杯中，觀察到浸入裝有熱水燒杯的酚酞濾紙條向上變紅的速率加快，說明溫度越高，微粒運動速率越快。

（4）實驗完畢后，打開橡皮塞滴加適量稀硫酸，塞上橡皮塞，振蕩，可迅速消除氨氣的污染。

2.2 微粒之間存在空隙實驗

2.2.1 教材上的實驗內(nèi)容及問題

取一根約30cm長一端封口的細玻璃管，先往玻璃管中加入滴有紅墨水的水，使其充滿玻璃管容積的1/2，再滴入無水酒精，使其充滿玻璃管。用手指堵緊開口的一端，顛倒數(shù)次[4]。

由于構成紅色的水和無水酒精的微粒之間都存在空隙，當混合后，構成紅色的水的微粒與構成無水酒精的微粒相互間填補了對方的空隙，所以導致玻璃管內(nèi)有氣泡，且管內(nèi)有一段空柱。學生通過學習后，提出問題：“如果先往玻璃管中加入無水酒精，使其充滿玻璃管容積的1/2，再滴入滴有紅墨水的水，使其充滿玻璃管。用手指堵緊開口的一端，顛倒數(shù)次。是否兩次實驗形成空柱的長短是一樣呢？若不一樣則原因是什么呢？為此我們做了如下對比實驗設計。

2.2.2 實驗裝置及藥品

實驗裝置及藥品如圖3所示。

2.2.3 實驗操作及現(xiàn)象解釋

（1）在封閉U型管兩側(cè)玻璃管約1/2處用記號筆做上記號，如圖3裝置中虛線部分。

（2）在封閉U型管左側(cè)玻璃管內(nèi)加入約1/2體積紅色的水，右側(cè)玻璃管內(nèi)加入約1/2體積無水酒精。

（3）分別在左側(cè)玻璃管內(nèi)加入無水酒精，在右側(cè)玻璃管內(nèi)加入紅色的水直至充滿玻璃管，然后塞上橡皮塞，上下顛倒幾次。

（4）靜置后，封閉U型管左側(cè)玻璃管內(nèi)液面比右側(cè)玻璃管內(nèi)液面低，是因為封閉U型管右側(cè)玻璃管內(nèi)先加入無水酒精，再加入紅色的水，由于水的密度比無水酒精的密度大，所以在加入紅色的水的過程中，紅色的水會和無水酒精混合，構成紅色的水的微粒直接填補了無水酒精微粒之間的空隙。

2.3 二氧化碳與氫氧化鈉反應實驗

2.3.1 教材上的實驗內(nèi)容及問題

“常見的酸和堿”一節(jié)中關于CO2與NaOH的反應是這樣描述的[5]：“NaOH溶液能吸收二氧化碳氣體，發(fā)生如下反應：CO2+2NaOH=Na2CO3+ H2O”，并沒有安排實驗。即使將CO2通入NaOH溶液中，也沒有明顯的現(xiàn)象，因此學生缺乏對實驗原理的感性認識。在教學中，一線化學教師為了呈現(xiàn)直觀實驗現(xiàn)象，優(yōu)化實驗教學效果，對該反應進行了多種實驗設計[6，7]，實驗裝置如圖4（a）～（d）所示。

實驗沒有檢驗反應后的產(chǎn)物，學生通過學習對實驗現(xiàn)象提出了質(zhì)疑：二氧化碳本身能溶于水，如果二氧化碳沒有與NaOH反應，僅溶解于NaOH溶液的水中，氣體量減少也能出現(xiàn)類似的實驗現(xiàn)象。為此我們做了如下對比實驗設計。

2.3.2 實驗裝置及藥品

實驗裝置及藥品如圖5所示。

圖5 CO2與NaOH溶液反應及溶解于水的對比實驗裝置

2.3.3 實驗操作及現(xiàn)象解釋

（1）用向上排空氣法將封閉U型管兩側(cè)玻璃管內(nèi)收集滿二氧化碳后塞上橡皮塞。

（2）將封閉U型管兩側(cè)玻璃管同時插入分別裝有等體積NaOH溶液和水的燒杯中。

（3）在燒杯液面下用鑷子分別拔掉兩側(cè)玻璃管上的橡皮塞，觀察到封閉U型管左側(cè)玻璃管內(nèi)液面比右側(cè)玻璃管內(nèi)液面高，說明左側(cè)玻璃管內(nèi)CO2與NaOH發(fā)生了反應，氣體的量減少得多，而右側(cè)玻璃管內(nèi)僅是部分CO2溶于水，氣體的量減少得相對較少，故出現(xiàn)上述實驗現(xiàn)象。

2.4 高錳酸鉀溶液褪色實驗

2.4.1 教材上的實驗內(nèi)容及問題

在小燒杯A中加入少量淺紫紅色的稀高錳酸鉀溶液。取一根小木條，在一頭蘸一些硫粉，并點燃，迅速伸入燒杯A中，片刻后取出小木條，振蕩燒杯A，觀察發(fā)生的現(xiàn)象[8]。

這個實驗說明了二氧化硫能使高錳酸鉀溶液褪色，可用高錳酸鉀溶液來檢驗二氧化硫，學生通過學習后認為這個實驗還不足以說明高錳酸鉀溶液褪色的原因，木條里含有碳元素，燃燒后會生成二氧化碳，為什么不是二氧化碳使高錳酸鉀溶液褪色了呢？為此我們做了如下對比實驗設計。

2.4.2 實驗裝置及藥品

實驗裝置及藥品如圖6所示。

2.4.3 實驗操作及現(xiàn)象解釋

（1）用兩支裝有橡皮塞的膠頭滴管吸取少量稀高錳酸鉀溶液。

（2）在封閉U型管左側(cè)玻璃管內(nèi)收集滿SO2，右側(cè)玻璃管內(nèi)收集滿CO2后，在封閉U型管兩側(cè)玻璃管口迅速塞上帶有膠頭滴管的橡皮塞。

（3）輕輕擠壓左側(cè)膠頭，滴入幾滴稀高錳酸鉀溶液，發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)稀高錳酸鉀溶液褪色。然后輕輕擠壓右側(cè)膠頭，滴入幾滴稀高錳酸鉀溶液，發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)稀高錳酸鉀溶液仍然為淺紫紅色，說明二氧化硫與高錳酸鉀反應使其褪色，而二氧化碳與高錳酸鉀并不反應，所以稀高錳酸鉀溶液不褪色。

3 實驗優(yōu)點

（1）裝置簡單，操作簡便，藥品使用量少；

（2）在封閉體系中進行實驗，綠色、環(huán)保、無污染；

（3）通過控制變量，演示對比實驗，激發(fā)學生探究興趣，提高了學生分析問題、解決問題的能力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準（2011版）[S].北京：北京師范大學出版社，2011：35.

[2][4]中學化學國家課程標準研制組編著.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：63.

[3]謝丹敏，夏小琴.基于綠色化化學實驗裝置的設計與應用[J].化學教學，2009，（4）：15.

[5][8]中學化學國家課程標準研制組編著.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級下冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：46，108.

[6]馬逸群，魏海.“探究微粒運動實驗”系列設計[J].化學教學，2014，（8）：7.

[7]陳鑒輝.CO2與NaOH溶液反應實驗的多樣性設計[J].化學教學，2004，（7～8）：58～60.

[9]趙永勝，朱莉.驗證二氧化碳與氫氧化鈉反應的實驗方案[J].化學教與學，2013，（12）：85～86.