“封管變色實驗”在中學化學教學中的應用

吳冰玉 丁偉

摘要：封管實驗是一種將化學物質(zhì)密封于封閉容器內(nèi)的實驗，具有綠色化、省時、便利等多種優(yōu)點。利用物質(zhì)的溶解性、酸堿性等性質(zhì)，設計了幾個有趣的封管變色實驗，介紹了其原理、操作方法等，并介紹了封管實驗應用于化學教學的案例。

關(guān)鍵詞：封管實驗;變色實驗;化學教學

文章編號：1008-0546（2019）06-0095-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.028

一、研究背景

封管又名安瓿瓶，是一種密閉的容器，常常利用酒精噴燈將軟質(zhì)試管的管口進行熔融封閉制得，也可在市場上購買。把化學物質(zhì)密封于試管中進行的實驗即為封管實驗。由于封管實驗的封閉體系特點，因此，利用封管實驗可以在中學實驗教學中進行一些有毒氣體的演示實驗，例如二氧化硫的漂白實驗。此外，封管實驗中的藥品由于無法逸散，往往可以長期存放，并且可反復利用，且重復實驗時無需準備。

化學是一門基于實驗的自然科學，在化學教學的過程中，往往要先進行實驗的宏觀現(xiàn)象的演示，學生才能根據(jù)宏觀現(xiàn)象對所探究的相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)與應用等知識有更加深入的理解與辨析。化學實驗中繽紛的色彩變化可以給學生帶來視覺享受，引發(fā)他們的遐想與思考。通過設計有趣的變色實驗，可以啟迪學生，提升學生的化學學習興趣。封管可以重復多次利用，大大節(jié)約試劑與藥品，且有效防止了有毒氣體的外泄。通過綠色化的封管實驗進行教學，更能培養(yǎng)學生的綠色意識。

二、幾種變色封管實驗

本研究利用封管的封閉、綠色化等特點，利用物質(zhì)的溶解性差異、酸堿性、晶體結(jié)構(gòu)等性質(zhì)，設計了幾則封管變色實驗。

1.“結(jié)晶樹”的消失

（1）實驗原理

硝酸鉀固體的溶解度隨溫度變化較大，在低溫時溶解度較小，在溫度達到40度以上時大幅增加。硫酸銅固體的溶解度隨著溫度的變化，并不像硝酸鉀固體一樣呈現(xiàn)大幅度的提升，利用硝酸鉀與硫酸銅在高溫時溶解度的不同，就可以制作“晶體樹”，將該晶體樹置于封管之中，可以重復利用。加熱封管，溶液溫度升高，硝酸鉀的溶解度升高，“晶體樹”會逐漸消失，將封管冷卻，硝酸鉀的溶解度逐漸降低，便會形成過飽和溶液，又會重新生長出“晶體樹”。

（2）實驗儀器與試劑

安瓿瓶、藥匙、酒精燈、玻璃棒、CuSO4·5H2O晶體、KNO3晶體、自來水等。

（3）實驗步驟

稱取0.3g CuSO4·5H2O晶體和1.5g KNO3白色粉末，放入安瓿瓶中，再加入2.5mL自來水，加熱攪拌溶解，制得60℃下的飽和溶液。點燃煤氣燈，加熱安瓿瓶瓶口，用鑷子小心熔融封口，即制得“結(jié)晶樹”封管。靜置，待封管冷卻。點燃酒精燈，將封管置于酒精燈上加熱，觀察現(xiàn)象。再迅速將封管置于一盛有冷水的燒杯中，靜置片刻，觀察現(xiàn)象。

（4）實驗現(xiàn)象

該“結(jié)晶樹”封管置于冰水中冷卻后，可以看到有針尖狀的白色結(jié)晶析出，如圖1所示。用酒精燈加熱片刻后（加熱溶液至60%左右即可），結(jié)晶減少，最終消失，如圖2所示。迅速置于裝有冷水的燒杯中，一段時間后，可再次出現(xiàn)白色針狀結(jié)晶。

（3）實驗步驟

取一安瓿瓶，在瓶內(nèi)加入0.4g NaHCO3晶體，再加入2.0mL蒸餾水，振蕩搖晃，制得飽和NaHCO3溶液（為了實驗效果可再加入少量的NaHCO3晶體）。滴入2-3滴酚酞溶液，搖晃安瓿瓶，瓶內(nèi)的NaHCO3溶液變?yōu)闇\粉色。點燃煤氣燈，利用煤氣燈外焰將安瓿瓶封口，制得變色封管。點燃酒精燈，將封管置于酒精燈上加熱片刻，觀察實驗現(xiàn)象;將加熱后的封管冷卻后，觀察現(xiàn)象，并重復幾次該步驟。

（4）實驗現(xiàn)象

封管原本由于弱堿性，滴入酚酞后呈現(xiàn)粉紅色，如圖3。將封管加熱，可以觀察到管內(nèi)的淺粉色溶液顏色逐漸加深，轉(zhuǎn)變?yōu)樽霞t色，如圖4。待冷卻后，顏色又再次變淺。重復加熱后，封管內(nèi)的溶液顏色再次加深，冷卻后復原。該封管經(jīng)實驗證明可以反復利用，并且可以長久保存。

（2）實驗儀器與試劑

軟質(zhì)試管、藥匙、酒精燈、玻璃棒、滴管、100mL量筒、5%硝酸汞溶液、10%碘化鉀溶液、2%硝酸銀溶液、5%硝酸銅溶液、透明水溶性膠水、蒸餾水等。

（3）實驗步驟

取20mL 5%硝酸汞溶液于燒杯中，用滴管向硝酸汞溶液中加入10%碘化鉀溶液，開始有橙色的碘化汞沉淀生成，繼續(xù)滴加碘化鉀至沉淀消失。此時溶液中含有大量的四碘合汞酸根離子。將該溶液一分為二，一份滴加2%硝酸銀溶液至不再產(chǎn)生黃色沉淀為止;另一份滴加5%硝酸銅溶液至不再產(chǎn)生紅色沉淀為止。將上述兩種沉淀靜止，倒掉上層清液，注入蒸餾水傾析法洗滌2-3次。取適量制得的Ag2Hgh與CuHgL晶體沉淀分別置于兩個軟質(zhì)試管中，利用煤氣燈將兩個軟質(zhì)試管封口，即制得示溫涂料的變色封管。利用酒精燈分別將兩封管加熱片刻，觀察實驗現(xiàn)象，待冷卻后，再次觀察實驗現(xiàn)象。

（4）實驗現(xiàn)象

將黃色Ag2HgI4封管（如圖5）加熱片刻，可觀察到黃色的沉淀變?yōu)槌壬ㄈ鐖D6），冷卻后，橙色又復原為黃色。將另一裝有CuHgI4沉淀的橙色封管（如圖7）加熱，橙色的沉淀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏ㄈ鐖D8），將該封管冷卻，黑色沉淀又還原為紅色沉淀。

三、封管變色實驗在教學實踐中的應用

1.“結(jié)晶樹”封管應用于溶解度教學

“結(jié)晶樹”封管實驗可以作為一個良好的課堂導入環(huán)節(jié)，通過讓學生觀察結(jié)晶的生長的形象化教學，繼而引出溶解度、重結(jié)晶等概念，降低學生對抽象知識的理解的難度。

[導入]取制備好的“結(jié)晶樹”封管，讓學生觀察“結(jié)晶樹”的顏色與形狀。思考為什么會出現(xiàn)“結(jié)晶樹”？

[實驗演示]將封管置于酒精燈上加熱，請學生觀察實驗現(xiàn)象并總結(jié)實驗現(xiàn)象（結(jié)晶樹消失）。

[討論1]思考并小組交流討論出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因。

[實驗演示]再次加熱封管，待溶液中無較多顆粒時，迅速將封管置于冷水中，請學生觀察試管中的變化（結(jié)晶的生長）。

[討論2]讓學生思考并交流討論出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因。

[講述]與固體溶解度相關(guān)的因素。

在“金屬樹”的消失實驗中，通過呈現(xiàn)一顆藍色背景下的“白色金屬樹”的視覺效果，可以激發(fā)學生對溶解度曲線的學習興趣，改變以往的死記硬背的現(xiàn)象。

2.“粉變紫紅封管”應用于鈉的化合物性質(zhì)教學

一般，在NaHCO3與Na2CO3兩者的性質(zhì)異同對比的教學中，學生的概念理解往往僅止步于兩物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化。而飽和NaHCO3溶液一酚酞的封管實驗中，涉及到了溶解平衡、電離平衡、水解平衡、NaHCO3與Na2CO3的性質(zhì)等多個知識點的綜合應用。

[回顧]帶領(lǐng)學生簡單回顧已經(jīng)學習過的碳酸氫鈉、碳酸鈉的物理性質(zhì)（酸堿性、穩(wěn)定性、溶解性等）。

[實驗演示]取已制取好的碳酸氫鈉一酚酞封管，讓學生觀察現(xiàn)象。將試管置于酒精燈上加熱片刻，觀察實驗現(xiàn)象。冷卻片刻后，再次讓學生觀察現(xiàn)象。

[討論]學生以小組的形式討論總結(jié)上述的三個現(xiàn)象，并選學生代表進行發(fā)言。

[提出問題]為什么封管加熱后會由粉色變?yōu)樽霞t色？為什么冷卻后紫紅色會變淺？

[討論]學生以小組形式交流討論，探究封管變色復原的原因。

[講述]教師講述該封管變色的原理，使學生對本部分知識融會貫通。

通過一個有趣的變色、復原現(xiàn)象引起學生興趣，促使學生進一步探究其原理，帶給學生趣味性和視覺享受的同時，也能幫助他們更加全面系統(tǒng)地掌握化學學科中的重要知識點，做到融會貫通。

3.示溫涂料封管應用于晶體教學

Ag2HgI4與CuHgI4封管實驗可以作為晶體結(jié)構(gòu)的教學中的一個導入環(huán)節(jié)，從宏觀世界的形象化的顏色轉(zhuǎn)化，讓學生理解物質(zhì)的多樣性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及晶體的結(jié)構(gòu)特點。

[導入]利用兩個示溫涂料封管實驗進行導入。

[實驗1]取一Ag2HgI4晶體封管，置于酒精燈上加熱片刻，讓學生觀察實驗現(xiàn)象。迅速將封管置于冷水中，觀察顏色變化。

[提出問題]為什么Ag2HgI4晶體封管加熱后會從黃色變?yōu)槌壬繛槭裁蠢鋮s后，顏色又復原為黃色？

[交流討論]學生針對問題分組進行討論。

[講解]晶體具有規(guī)則的幾何外形，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)規(guī)則的重復排列。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，Ag2HgI4在常溫下為四方晶體，呈現(xiàn)為黃色，升溫到39℃后，轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄w，該結(jié)構(gòu)的Ag2HgI4為橙色。

利用一系列變色封管實驗，不僅在課堂上體現(xiàn)綠色化學的理念，其趣味性還可以激發(fā)學生的化學學習興趣。示溫涂料變色封管實驗，可以作為晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容的教學的導入環(huán)節(jié)。此外，還可豐富學生與生活相關(guān)的化學知識，了解示溫涂料的應用與原理。

四、總結(jié)和展望

本研究所設計的幾種變色封管實驗趣味性較強，可以在課堂上進行演示，激發(fā)學生的學習興趣，并且較為綠色環(huán)保，所制得的封管可以反復多次利用，并且每次使用前可節(jié)省較多進行實驗準備的時間。但本文中所探討的幾種變色封管實驗也存在一些限制性，在使用過程中不宜使溫度過高，否則會造成試管的炸裂。