直角玻璃管和广口瓶组合构建的多功能实验装置

宋广良　李德前　凌一洲

摘要： 直角玻璃管和广口瓶巧妙组合而成的一套实验装置，其构造简单功能多。依托此多功能实验装置对加热铜绿、比较碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性、硫的燃烧、铁与硫的反应等实验作了新的设计。改进后的实验现象明显，装置简易，显著提升了实验教学效果。

关键词： 直角玻璃管; 广口瓶; 多功能实验装置; 化学实验改进

文章编号： 1005-6629（2020）03-0068-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

徐州市化学基础教育名师工作室团队曾研制了一种简单的化学仪器“直角玻璃管”[1]，如果将直角玻璃管与大小合适的广口瓶巧妙组合起来，就能构成一套多功能实验装置（见图1），用它可以做不少的化学实验。

*本文系中国化学会化学教育委员会“十三五”規划课题“促进核心素养发展的化学实验教学资源开发与利用”（HJ2018-0010）;江苏省教育科学“十三五”规划2018年度课题“创客教育视域下的初中化学实验教学行动研究”（Eb/2018/09）的研究成果。

图1  直角玻璃管与广口瓶组合

而成的多功能实验装置

下面结合实例说明此多功能实验装置在中学化学实验中的应用。

1  加热“铜绿”实验

现行沪教版九年级化学教科书中编排了加热“铜绿”实验[2]（装置见图2），由于该实验是在敞口的试管里进行，导致气体产物二氧化碳无法验证，影响了对“铜绿”组成的实证。我们利用直角玻璃管改进这个实验，克服了原实验的不足。

图2  初中化学教科书中加热“铜绿”实验装置

1.1  新设计的实验装置

新设计的实验装置见图3。

图3  借助多功能实验装置做加热“铜绿”实验

1.2  主要实验用品

铜绿[碱式碳酸铜，化学式为Cu2（OH）2CO3]、澄清石灰水等

10mm×200mm×200mm的直角玻璃管（含配套的橡胶帽）、125mL广口瓶（含配套的双孔橡胶塞）、酒精灯、药匙等

1.3  实验操作及实验现象

（1） 按图3所示，装入少许药品、连接装置。

（2） 点燃酒精灯加热“铜绿”，很快观察到绿色粉末逐渐变为黑色，直角玻璃管内壁有明显的水珠，澄清的石灰水变浑浊。上述实验现象说明，“铜绿”受热易分解，分解的产物有黑色固体（氧化铜）、水和二氧化碳气体，进而说明“铜绿”由铜、碳、氢、氧等元素组成。

1.4  改进实验的优点

（1） 节约了实验药品，呈现了完整的实验现象，有利于实验结论的得出。

（2） 实验装置简约、美观，不需要专门的夹持仪器，有利于学生动手操作。

（3） 瓶塞开一透气小孔，使装置内气压平稳，不至于气压过大。

（4） 实验设计严谨，有利于培养学生的科学态度和理性思维。

2  比较碳酸钠与碳酸氢钠的热稳定性

现行各版本的高中化学教科书中比较碳酸钠和碳酸氢钠热稳定性的实验，均是分别加热试管中的碳酸钠和碳酸氢钠（并将可能产生的气体通入石灰水中），这样设计对比性不强。有的文献中利用“套管实验”比较碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性（装置见图4），虽然对比性好，但装置的组装较繁琐[3]。我们采用直角玻璃管比较碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性，达到了扬长避短的效果。

图4  文献中比较碳酸钠与碳酸氢钠热稳定性的套管实验

2.1  新设计的实验装置

新设计的实验装置见图5。

图5  利用多功能实验装置比较碳酸钠和

碳酸氢钠的热稳定性实验

2.2  主要实验用品

碳酸钠、碳酸氢钠、石灰水、蓝色的石蕊试纸等

10mm×200mm×270mm的直角玻璃管（含配套的橡胶帽）、125mL广口瓶（含配套的双孔橡胶塞）、酒精灯、玻璃棒、药匙等

2.3  实验操作及实验现象

（1） 按图5所示，放入试纸和药品，连接实验装置。

（2） 点燃酒精灯先加热碳酸钠，观察到干燥的石蕊试纸不变色、石灰水不变浑浊;再加热碳酸氢钠，很快看到石灰水变浑浊、干燥的石蕊试纸逐渐变红。上述实验现象充分说明，碳酸钠受热难以分解，碳酸氢钠受热易分解，且分解的产物有二氧化碳和水等。

2.4  改进实验的优点

（1） 实验现象直观、实验的对比性强，提高了实验教学的效果。

（2） 实验装置便于组装，实验操作相对简单，提高了实验的效率。

（3） 实验设计蕴含了控制变量、对比实验等科学方法，有利于培育学生的科学精神。

（4） 整个实验装置设计巧妙，能够激发学生的创新意识，促进学生对实验现象和实验本质的认识。

3  硫的燃烧实验

现行各版本的九年级化学教科书中有关硫分别在空气、氧气中燃烧的实验都没有采取环保措施[4～6]（装置见图6），致使教室里弥漫着刺鼻呛人的气味。我们借助直角玻璃管对该实验进行优化，不仅控制了二氧化硫气体对环境的污染，而且实验现象更加直观、有趣。

图6  初中化学教科书中硫的燃烧实验装置

3.1  新设计的实验装置

新设计的实验装置见图7。

图7  借助多功能实验装置做硫的燃烧实验

3.2  主要实验用品

硫粉、氧气（装在储气囊里）、氢氧化钠浓溶液、品红试纸等

10mm×200mm×200mm的直角玻璃管（含配套的单孔橡胶塞）、125mL广口瓶（含配套的双孔橡胶塞）、小气球、酒精灯、玻璃棒、药匙等

3.3  实验操作及实验现象

（1） 按图7所示，放入试纸、装入药品，连好实验装置（确保装置气密性良好）。

（2） 点燃酒精灯加热硫粉，硫粉很快熔化，接着燃烧，发出很不明显的淡蓝色火焰。随后通入氧气，硫粉剧烈燃烧（此刻移走酒精灯），火焰呈明亮的藍紫色，此时品红试纸完全褪色，小气球明显变大。以上现象说明，硫粉在氧气中燃烧比在空气中剧烈、硫燃烧的产物是二氧化硫气体。

（3） 停止通入氧气，硫粉停止燃烧;再次通入氧气（无需酒精灯加热），硫粉又燃烧起来[7]。如此反复几次，火焰一闪一灭，直至硫粉燃烧完全。

（4） 待玻璃管冷却至室温，挤压小气球（排出其中的尾气），同时轻轻振荡广口瓶，确保装置内的二氧化硫气体被氢氧化钠溶液充分吸收。

3.4  改进实验的优点

（1） 硫的燃烧时间长，有利于学生观察实验现象;硫先后在空气、氧气中燃烧，实验的对比性强。

（2） 避免对空气的污染，能够促进学生养成爱护环境的良好习惯。

（3） 通过控制氧气囊的开关，能反复观察到硫粉燃烧、熄灭、再燃烧的现象，增强了实验的趣味性。

（4） 如果更换相应的药品（氧气换为氯气、硫粉换为金属钠），该装置也可以用来做钠在氯气中燃烧的实验。

4  铁粉与硫粉反应实验

现行浙教版九年级科学教科书中，通过加热试管中铁粉与硫粉的混合物完成铁与硫反应的实验[8];现行鲁科版高中化学教科书中，利用灼热的玻璃棒引燃石棉网上铁粉与硫粉的混合物[9]。由于上述反应体系是开放的，导致实验过程中的副产物二氧化硫气体扩散到空气中。另外，在普通玻璃材质的试管里进行铁与硫的反应实验，试管常会破裂。我们依托石英材质的直角玻璃管改进该实验，实现了化学实验的简约化。

4.1  新设计的实验装置

新设计的实验装置见图8。

图8  借助多功能实验装置做铁与硫反应的实验

4.2  主要实验用品

铁粉与硫粉的混合物（两者的质量比约为7∶5）、氢氧化钠溶液、品红试纸等

10mm×200mm×250mm石英材质的直角玻璃管（含配套的橡胶帽）、125mL广口瓶（含配套的双孔橡胶塞）、小气球、小磁铁、酒精灯、玻璃棒、药匙等

4.3  实验操作及实验现象

（1） 按图8所示，放入试纸、装入药品（不超过0.4g）[10]，连好实验装置（确保装置不漏气）。

（2） 找一小块的磁铁，靠近玻璃管中固体混合物的右下方，磁铁立即被牢牢地吸在玻璃管的外壁，说明玻璃管内的固体中含有足量的铁粉。

（3） 点燃酒精灯，加热最左端的固体粉末，被加热部位很快出现红热状态;此时移走酒精灯，红热现象持续并从左向右逐渐推进，小气球也随之变大，品红试纸也缓慢褪色（说明有二氧化硫产生）。稍后，小磁铁从玻璃管底部脱落，说明玻璃管内的铁已完全转化为新物质，观察到新物质为黑色的块状物（即硫化亚铁）。

（4） 反应结束，小气球逐渐恢复至原来的大小;待直角玻璃管自然冷却到室温，轻轻振荡广口瓶里的氢氧化钠溶液，使装置内的二氧化硫气体充分吸收。

4.4  改进实验的优点

（1） 实验现象明显，反应前后对比显著，有利于学生认识铁或硫的化学性质。

（2） 使用石英材质的直角玻璃管进行实验，确保实验仪器完好无损。

（3） 使用微型玻璃管，装置内残留的氧气少，副产物二氧化硫也少，减少了对主体实验的干扰。

（4） 实验装置密闭，使得热量不易散失，有利于反应持续进行;副产物二氧化硫气体产生于封闭体系内并及时处理，因此避免了空气污染，增强了学生的环保意识。

总之，上述多功能实验装置构造简单、制作简便、应用广泛，用其开发出来的化学实验既简约又直观，不仅安全环保而且充满思维性[11]，尤其适合学生的分组实验，有利于提高学生的创新精神和实践能力，促进学生核心素养的发展。

参考文献：

[1]刘瑶， 李德前， 李为才. 巧用直角玻璃管改进初中化学实验[J]. 化学教学， 2019， （5）： 76～79.

[2][5]中学化学国家课程标准研制组. 义务教育

课程标准实验

教科书·化学（九年级上册）[M]. 上海： 上海教育出版社， 2017： 21， 110～111.

[3]陈立铭， 李德前. 利用长柄V型玻璃管比较碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性[J]. 化学教育， 2014， （21）： 56～57.

[4]课程教材研究所化学课程教材研究开发中心. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 33.