量氣式多功能同步反應(yīng)實(shí)驗(yàn)器的開發(fā)與應(yīng)用

劉政

一、實(shí)驗(yàn)發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路及開發(fā)

在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師經(jīng)常會(huì)遇到探究?jī)煞N固體物質(zhì)與某溶液反應(yīng)快慢的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，或者某一固體物質(zhì)與兩種不同溶液反應(yīng)產(chǎn)生氣體的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如果分別操作兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，往往會(huì)出現(xiàn)時(shí)間不同步、試劑用量不易控制等情況，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不明顯甚至得出相反結(jié)論。

為此，我們教研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套“量氣式多功能同步化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)器”：使用兩個(gè)相同規(guī)格（20mL）的注射器來控制溶液的用量，使用兩個(gè)相同規(guī)格（60mL）的廣口瓶作為反應(yīng)容器，連接兩套完全一樣的量氣管裝置，并把這些儀器固定在一個(gè)有機(jī)玻璃材質(zhì)的儀器架上。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)演示，效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)操作的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。使用該裝置不僅能夠探究固體與溶液反應(yīng)產(chǎn)生氣體的快慢，而且能對(duì)比相同質(zhì)量的固體物質(zhì)產(chǎn)生氣體的多少。比如，同質(zhì)量的Na2CO3、NaHCO3與同濃度鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氣體的快慢和產(chǎn)生氣體體積的對(duì)比;相同質(zhì)量的鋁片分別與同濃度同體積的鹽酸和NaOH溶液反應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn);等等。我們使用該裝置完成的錄像課分別在2021年鄭州市和2022年河南省信息融合課比賽中榮獲一等獎(jiǎng)。

為進(jìn)一步推廣該成功經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將該裝置的儀器組成和使用該裝置進(jìn)行的幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)案例分享給大家。

二、實(shí)驗(yàn)發(fā)生器的組成和結(jié)構(gòu)

1.儀器組成

有機(jī)玻璃板（按一定要求加工成儀器架）、60mL廣口瓶（兩個(gè)）、20mL醫(yī)用注射器（帶針頭）兩支、雙孔橡膠塞兩個(gè)、玻璃管（兩根）、長(zhǎng)頸漏斗（兩個(gè)）、自制量氣管（兩支）、乳膠管等。

實(shí)驗(yàn)器成品圖（圖中所標(biāo)字母A、B、C、D與下文實(shí)驗(yàn)儀器組裝說明中的字母對(duì)應(yīng)）

2.儀器組裝

（1）分別把有機(jī)玻璃板加工成一定規(guī)格，做成如圖所示儀器A。

（2）用帶刻度的玻璃管與長(zhǎng)頸漏斗、乳膠管組合制成兩套量氣管B。

（3）用醫(yī)用注射器（帶針頭）與帶孔膠塞的廣口瓶組合，并安裝適當(dāng)長(zhǎng)度玻璃管做成兩套氣體發(fā)生器C。

（4）用有機(jī)玻璃板制作一壓液板D，與儀器A組合。

（5）制成的A、B、C、D部件組合后調(diào)整到合適狀態(tài)，即成該實(shí)驗(yàn)器。

3.操作說明

每次實(shí)驗(yàn)開始前，需要先檢驗(yàn)裝置的氣密性。然后，分別在廣口瓶中加入需要的試劑，在注射器中分別吸入需要的試劑，將注射器針頭插入橡皮塞中且保持等高，調(diào)節(jié)量氣管中兩邊液面相平，按壓壓液板D，使注射器中溶液同時(shí)被壓入廣口瓶中，同步進(jìn)行反應(yīng)。

反應(yīng)結(jié)束后如何讀數(shù)呢？通常有三點(diǎn)注意事項(xiàng)：冷卻到室溫、調(diào)節(jié)兩端液面相平、視線與凹液面相切。具體操作時(shí)可以通過調(diào)節(jié)乳膠管和上下移動(dòng)長(zhǎng)頸漏斗的高度，調(diào)節(jié)兩端液面相平后讀數(shù)，以消除液面壓強(qiáng)差對(duì)氣體體積的影響，然后再記錄量氣管液面最終讀數(shù)即可。

三、案例展示

相關(guān)實(shí)驗(yàn)案例用到的化學(xué)試劑： NaHCO3固體、Na2CO3固體、稀鹽酸、鋅粒、1mol/LH2SO4、4mol/LH2SO4、5%H2O2溶液、1mol/LFeCl3溶液、1mol/LCuSO4溶液。

案例1：Na2CO3、NaHCO3和稀鹽酸反應(yīng)同步對(duì)比

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先檢驗(yàn)裝置氣密性，然后分別在兩個(gè)廣口瓶中放入0.5gNaHCO3、0.5gNa2CO3粉末。在注射器中各吸入10mL0.2mol/L稀鹽酸，連接好儀器，將上方的壓液板向下移動(dòng)（也可用螺栓使之向下緩慢移動(dòng)），使注射器中的稀鹽酸全部進(jìn)入廣口瓶，并與NaHCO3、Na2CO3反應(yīng)產(chǎn)生氣體，觀察量氣管及長(zhǎng)頸漏斗中液面位置的變化情況，從而比較NaHCO3、Na2CO3與同濃度稀鹽酸反應(yīng)的速率及產(chǎn)生氣體體積的相對(duì)大小。若要定量測(cè)算NaHCO3與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生CO2體積，需要先讀出量氣管初始體積（每個(gè)量氣管中兩側(cè)液面相平）。然后根據(jù)讀數(shù)計(jì)算出0.5gNaHCO3和10mL0.2mol/L 稀鹽酸反應(yīng)常溫下產(chǎn)生CO2的體積。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅能比較Na2CO3和NaHCO3與同濃度的鹽酸反應(yīng)的劇烈程度，還實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)的定量測(cè)定。

案例2：不同濃度H2SO4和鋅粒反應(yīng)速率同步對(duì)比

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先檢驗(yàn)裝置氣密性，然后分別在兩個(gè)廣口瓶中裝入0.5g顆粒大小相同的鋅粒，注射器中分別吸入10mL 1mol/LH2SO4溶液和10mL4mol/LH2SO4溶液，連接好儀器，將上方壓液板向下移動(dòng)，使兩支注射器中的H2SO4溶液全部進(jìn)入廣口瓶，觀察量氣管及長(zhǎng)頸漏斗中液面位置的變化情況，體會(huì)濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。（其他案例略）

四、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

在新課程背景下，對(duì)比實(shí)驗(yàn)教學(xué)為培養(yǎng)創(chuàng)新能力和探究精神提供了新的教學(xué)思想和學(xué)習(xí)方法。在該裝置中，教師一人操作就能保證實(shí)驗(yàn)真正同步進(jìn)行，生成氣體的量可通過量氣管中液體高低不同直接觀察，操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象明顯。

該反應(yīng)器適用于初高中化學(xué)教學(xué)中的多個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用范圍廣。除了以上案例，該量氣式同步化學(xué)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器也適用于所有固液、液液反應(yīng)產(chǎn)生氣體的速率對(duì)比，如相同表面積的鋅、鎂和同濃度稀H2SO4反應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn);比較鋅粒和鋅粉與同濃度鹽酸反應(yīng)的速率;等等。即使不產(chǎn)生氣體的對(duì)比實(shí)驗(yàn)也可以使用該同步反應(yīng)實(shí)驗(yàn)器完成，例如探究同濃度Na2S2O3溶液與不同濃度H2SO4反應(yīng)的快慢等。通過該同步反應(yīng)實(shí)驗(yàn)器完成上述實(shí)驗(yàn)，可以觀察化學(xué)反應(yīng)的速率快慢及產(chǎn)生氣體量的多少，定性和定量相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀準(zhǔn)確。

這樣，通過實(shí)驗(yàn)教具的創(chuàng)新達(dá)到了對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的創(chuàng)新，也為一線教師設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置提供了可以參考的樣例，有利于增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。