借助直角玻璃管的化学实验设计

法浩 李德前

摘要： 在化学实验教学中，借助直角玻璃管改进、设计“加热火柴头”“吸热反应”“气体燃烧”等实验。新设计的实验操作简便、现象直观、生动有趣，可以充实中学化学实验教学资源。

关键词： 直角玻璃管; 实验创新; 加热火柴头; 吸热反应; 气体燃烧

文章编号： 10056629（2020）10006804

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

直角玻璃管是徐州市化学名师工作室开发出来的一种简单仪器（见图1），将其应用于实验教学成效显著[1， 2]。最近，我们以直角玻璃管为主要仪器，应用创新技法[3]，又陆续开发出“加热火柴头”“吸热反应”“气体燃烧”三个化学实验。

1 “加热火柴头”实验

为了说明化学变化伴随能量的释放，初中化学教科书中编排了“加热试管中的火柴头”实验[4]（装置见图2）。该实验有一定的危险性及不稳定性，致使不少操作者（尤其是女教师）在加热火柴头时内心胆怯。我们利用比较细的直角玻璃管做此实验，不仅放大了实验现象，而且实验非常安全。

1.1 实验用品

6mm×150mm×150mm的直角玻璃管、酒精灯、铁架台、大头火柴（宾馆里配备的那种）

1.2 实验装置

新设计的实验装置见图3[5]（夹持仪器略）。

1.3 实验步骤

（1） 取一根6mm×150mm×150mm的直角玻璃管，再找三根大头火柴（其中一根仅取火柴头）。

（2） 保持直角玻璃管的直角向下，先将一粒火柴头放入直角玻璃管的直角处，再将另外两根火柴分别放在火柴头的两边（头向下紧挨着中间的火柴头）。

（3） 将实验装置固定在铁架台上。

（4） 用酒精灯外焰对准火柴头加热，大约3～5s，三个火柴头同时“嗤”的一声爆燃起来，紧接着两根火柴以相反的方向同时飞向空中，并划出两道明亮的抛物线，落向远处。上述实验现象充分说明，化学反应有时伴随着能量的释放（涉及的放热反应主要有2Sb2S3+11O2点燃2Sb2O5+6SO2、 2KClO3二氧化锰△2KCl+3O2↑、 S+O2点燃SO2等[6]）。

（5） 实验结束，整理实验用品。

1.4 几点说明

（1） 本实验中的两根火柴如果完全相同，则同时爆燃，同步飞出，出现这种现象时可以形象地描述为“比翼双飞”。如果两根火柴先后爆燃，稍有时间差的飞出，则可以将该实验现象形象地描述为“争先恐后”，从而增强化学实验的人文性。

（2） 实验结束后，要提醒学生“专业演示，勿擅自模仿”，并告诫学生如果在课外时间做此实验，一定要有成年人陪同。

（3） 选用的玻璃管不要太粗（外径略大于火柴梗直径即可），以免爆燃时产生的气压不足[7]。

（4） 玻璃管内的火柴头爆燃后，极短的时间内产生了高压热气流，因此为确保安全，最好使用硬质玻璃管。

（5） 若要增强实验效果，可以在光线昏暗的环境里（如关闭教室灯光或拉上教室窗帘）演示该实验，从而更加清晰地观察到两根火柴在空中的飞行轨迹（宛如两颗流星从空中飞过）。

1.5 实验特点

（1） 虽然本实验是在细玻璃管内做的，但现象却被“放大”了，而且操作安全、趣味性強，能够激发学生学习化学的好奇心。

（2） 本实验能使学生直观地感受到化学反应伴随着能量的释放，并认识化学反应的应用价值。

（3） 本实验装置还可用于初中化学“爆炸原理”的教学，或作为初中物理“内能转化为机械能”的实验装置。

2 “吸热反应”实验

普通高中化学教科书在“化学反应与能量变化”的教学中编排了“氢氧化钡晶体与氯化铵晶体反应”的探究活动，借以说明化学反应可以伴随着热量的吸收[8]。该实验虽然操作简单，但存在药品用量大、对环境不够友好、结冰不易实现等弊端。我们利用直角玻璃管、铜丝和小气球等实验用品，对该实验进行了成功的改进与优化。

2.1 实验用品

18mm×160mm×160mm直角玻璃管、配套的橡皮塞、3mm×300mm铜丝、小气球、脱脂棉等;氢氧化钡晶体、氯化铵晶体、酚酞溶液、蒸馏水、10%的稀硫酸等

2.2 实验装置

新设计的实验装置见图4。

2.3 实验步骤

（1） 取一根18mm×160mm×160mm的直角玻璃管，准备一个与玻璃管口径相匹配的橡皮塞。借助大头针，在橡皮塞反面固定一团脱脂棉，并在脱脂棉上滴加适量的酚酞溶液。

（2） 找一根3mm×300mm的铜导线，剥去外层的绝缘皮。将铜丝的下端弯成一个圆圈，并使圆圈的直径约为玻璃管外径的4/5。把铜丝的上端弯成一个半弧形状，作为铜质搅拌器的把手（同时防止铜丝顶端捅破小气球）。

（3） 保持直角玻璃管的直角向下，在玻璃管的直角处先滴入几滴蒸馏水[9]，再先后加入2g氢氧化钡晶体、1g氯化铵晶体，然后按图4所示连接好实验装置。

（4） 左手拿着直角玻璃管的左支管，右手隔着小气球拿着金属搅拌器的把手，先稍稍用力将铜丝下端的圆圈压入固体中，然后轻轻地反复推拉搅拌器，从而带动铜丝下端的圆圈不停地搅动固体混合物。大约搅动30s，即可观察到固体变为糊状，脱脂棉球很快变为红色，说明该反应生成氨气，有关的化学方程式是Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O;继续搅动混合物60～70s，促使氢氧化钡与氯化铵充分反应，此时操作者的左手明显地感觉到玻璃管变凉，说明该反应吸热。

（5） 停止搅动后，邀请更多的学生依次触摸玻璃管外壁，以切身感知反应特征。

（6） 接下来通过注射器（针头扎入小气球）将适量的稀硫酸一次性推入直角玻璃管内。拔出注射器针头，充分振荡玻璃管内的混合物，以吸收多余的氨气[有关的化学方程式是2NH3+H2SO4（NH4）2SO4]，并将BaCl2中的Ba2+沉淀下来[10]（有关的化学方程式是BaCl2+H2SO4BaSO4↓+2HCl）。

（7） 实验结束，整理实验用品。

2.4 几点说明

（1） 氢氧化钡晶体与氯化铵晶体反应吸热明显，用手触摸玻璃管的外壁去感知反应吸热，不仅简单实用，而且有利于学生参与学习活动，提升学习热情。

（2） 向直角玻璃管内滴加少许蒸馏水，可以加速氢氧化钡晶体与氯化铵晶体的反应。

（3） 本实验装置小巧，完全可以手持操作，不需要固定在铁架台上。

2.5 实验特点

（1） 本实验使用直角玻璃管作为反应容器，节省药品，体现了基础教育化学实验的经济性。实验在封闭体系里进行，并对实验废液和废气进行初步处理，体现了绿色化学理念。

（2） 实验装置简约可靠，实验操作较为简便，实验用品常规易得且用量少，实验现象明显直观，既可作为教师演示实验，也适合学生分组实验和课外探究活动。

3 “气体燃烧”实验

在中学化学实验教学中，多处涉及气体的燃烧实验。可燃性气体在燃烧时存在安全隐患，因此在点燃之前需要检验燃气的纯度，即便如此，爆炸事故也时有发生。我们借助盛水（或塞有细铜丝）的直角玻璃管进行气体燃烧实验，提高了实验的安全性。

3.1 实验用品

10mm×100mm×100mm的直角玻璃管（两端斜口）、配套的单孔橡皮塞、细导管、细铜丝、自来水;可燃性气体（如氢气、甲烷或一氧化碳等）

3.2 实验装置

新设计的实验装置见图5、图6[11]。

3.3 实验操作

（1） 取一根10mm×100mm×100mm的直角玻璃管，保持直角向下，向其中注入适量的自来水（水面略超过上管壁），然后按图5所示将一个支管与盛有燃气的气囊相连接。

（2） 轻轻打开盛有燃气的气囊旋塞，向直角玻璃管中缓缓地持续通气。3～4s后，用燃着的火柴在玻璃管口处点燃，如果玻璃管内出现回火、产生爆鸣，说明气体不纯。不过，由于直角玻璃管内水的冷却及阻隔作用，回火瞬间熄灭，爆炸在可控的小范围内只能发生一次，绝不会波及气囊。

（3） 再等5～6s，再次点燃气体，观察到气体能够安静燃烧。接下来，引导学生观察火焰颜色、检验燃烧产物等。

（4） 实验结束，整理实验用品。

3.4 几点说明

（1） 本实验中的直角玻璃管两端做成斜口，既方便连接气囊又有利于燃气燃烧。

（2） 第一次点燃时可能会发生爆鸣，因此要提醒学生做好“有惊无险”的心理准备。

（3） 为了防止普通玻璃中钠元素对气体燃烧时火焰颜色的干扰，本实验最好选用石英材质的玻璃管。

（4） 直角玻璃管中的水若过少，就不能隔断氢气爆炸时的火苗;若过多，水极易被气流冲出玻璃管。另外，通入燃气的速率也要调控得恰到好处，若过快，容易将水冲出玻璃管;若过慢，燃烧不连续，而且容易发生回火和爆炸。

（5） 也可用细铜丝代替水（将足量的细铜丝塞入到直角玻璃管的直角处），按图6连接好实验装置进行实验。

3.5 实验特点

（1） 该装置具有燃气验纯、防爆的作用，能有效避免气体燃烧时的爆炸隐患;适用于各种可燃性气体的验纯、燃烧、爆鸣等一系列实验，而且操作简单，可视性强，方便学生开展有关的实验探究活动。

（2） 使用该装置时，不需要刻意对气体进行验纯[12]，在通入可燃性氣体后就可以放心点燃，若发生回火和爆鸣，就相当于演示气体的爆炸实验，同时验证了燃气的纯度;若燃气能够安静燃烧，则相当于直接进行气体的燃烧实验，同时也包含了燃气的验纯操作。

4 结语

直角玻璃管简单易制，用于化学实验则操作简便，特别方便学生开展探究活动。借助直角玻璃管进行多种化学实验，拓宽了素质教育的渠道，有利于学生获取知识、发散思维、提升能力。作为一种“小而美”的实验仪器，其“一器多用”的性能也使实验设备较为薄弱学校的实验教学开设更多实验或课外探究活动不再勉为其难[13]。

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）： 78～81.

[2]宋广良， 李德前， 凌一洲. 直角玻璃管和广口瓶组合而成的多功能实验装置[J]. 化学教学， 2020， （3）： 68～71.

[3]李德前. 例谈初中化学实验创新的思维方法[J]. 化学教学， 2013， （3）： 65～68.

[4]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， 2008： 13.

[5]姚亚辉， 秦瑶. 基于科学实验的政治课跨学科实践活动——以七年级《道德与法治》中“享受学习”内容为例[J]. 中国现代教育装备， 2019， （18）： 57～59.

[6]王永臻， 魏海， 李德前. 检验二氧化硫实验的组合设计[J]. 化学教学， 2019， （2）： 72～74.

[7]张玲. 火柴头爆炸实验的改进[J]. 化学教育， 2009， （10）： 67.

[8]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学2[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2017： 35.

[9]梁胜金. 吸热反应实验的新设计[J]. 化学教学， 2018， （11）： 82～83， 91.

[10]齐俊林. 吸热反应实验装置的创新设计[J]. 教育与装备研究， 2018， （7）： 77～79.

[11]任有良， 石启英， 王彩珍. 可燃性气体实验中的防爆[J]. 商洛学院学报， 1999， （2）： 76～78.

[12]李德前， 魏海， 甘磊等. 借助长柄U形玻璃管改进氢气性质实验[J]. 化学教学， 2019， （9）： 75～79.

[13]井延涛. 借助化学实验仪器培养学生的科学探究意识[J]. 化学教学， 2019， （8）： 85～88.