量气式多功能同步反应实验器的开发与应用

刘政

一、实验发生器的设计思路及开发

在中学化学实验教学中，教师经常会遇到探究两种固体物质与某溶液反应快慢的对比实验，或者某一固体物质与两种不同溶液反应产生气体的对比实验，如果分别操作两个实验进行对比，往往会出现时间不同步、试剂用量不易控制等情况，使实验结果不明显甚至得出相反结论。

为此，我们教研团队设计了一套“量气式多功能同步化学反应实验器”：使用两个相同规格（20mL）的注射器来控制溶液的用量，使用两个相同规格（60mL）的广口瓶作为反应容器，连接两套完全一样的量气管装置，并把这些仪器固定在一个有机玻璃材质的仪器架上。经过多次实验演示，效果明显优于传统操作的对比实验。使用该装置不仅能够探究固体与溶液反应产生气体的快慢，而且能对比相同质量的固体物质产生气体的多少。比如，同质量的Na2CO3、NaHCO3与同浓度盐酸反应产生气体的快慢和产生气体体积的对比;相同质量的铝片分别与同浓度同体积的盐酸和NaOH溶液反应的对比实验;等等。我们使用该装置完成的录像课分别在2021年郑州市和2022年河南省信息融合课比赛中荣获一等奖。

為进一步推广该成功经验，现将该装置的仪器组成和使用该装置进行的几组对比实验案例分享给大家。

二、实验发生器的组成和结构

1.仪器组成

有机玻璃板（按一定要求加工成仪器架）、60mL广口瓶（两个）、20mL医用注射器（带针头）两支、双孔橡胶塞两个、玻璃管（两根）、长颈漏斗（两个）、自制量气管（两支）、乳胶管等。

实验器成品图（图中所标字母A、B、C、D与下文实验仪器组装说明中的字母对应）

2.仪器组装

（1）分别把有机玻璃板加工成一定规格，做成如图所示仪器A。

（2）用带刻度的玻璃管与长颈漏斗、乳胶管组合制成两套量气管B。

（3）用医用注射器（带针头）与带孔胶塞的广口瓶组合，并安装适当长度玻璃管做成两套气体发生器C。

（4）用有机玻璃板制作一压液板D，与仪器A组合。

（5）制成的A、B、C、D部件组合后调整到合适状态，即成该实验器。

3.操作说明

每次实验开始前，需要先检验装置的气密性。然后，分别在广口瓶中加入需要的试剂，在注射器中分别吸入需要的试剂，将注射器针头插入橡皮塞中且保持等高，调节量气管中两边液面相平，按压压液板D，使注射器中溶液同时被压入广口瓶中，同步进行反应。

反应结束后如何读数呢？通常有三点注意事项：冷却到室温、调节两端液面相平、视线与凹液面相切。具体操作时可以通过调节乳胶管和上下移动长颈漏斗的高度，调节两端液面相平后读数，以消除液面压强差对气体体积的影响，然后再记录量气管液面最终读数即可。

三、案例展示

相关实验案例用到的化学试剂： NaHCO3固体、Na2CO3固体、稀盐酸、锌粒、1mol/LH2SO4、4mol/LH2SO4、5%H2O2溶液、1mol/LFeCl3溶液、1mol/LCuSO4溶液。

案例1：Na2CO3、NaHCO3和稀盐酸反应同步对比

实验时，首先检验装置气密性，然后分别在两个广口瓶中放入0.5gNaHCO3、0.5gNa2CO3粉末。在注射器中各吸入10mL0.2mol/L稀盐酸，连接好仪器，将上方的压液板向下移动（也可用螺栓使之向下缓慢移动），使注射器中的稀盐酸全部进入广口瓶，并与NaHCO3、Na2CO3反应产生气体，观察量气管及长颈漏斗中液面位置的变化情况，从而比较NaHCO3、Na2CO3与同浓度稀盐酸反应的速率及产生气体体积的相对大小。若要定量测算NaHCO3与稀盐酸反应产生CO2体积，需要先读出量气管初始体积（每个量气管中两侧液面相平）。然后根据读数计算出0.5gNaHCO3和10mL0.2mol/L 稀盐酸反应常温下产生CO2的体积。该实验设计不仅能比较Na2CO3和NaHCO3与同浓度的盐酸反应的剧烈程度，还实现了反应的定量测定。

案例2：不同浓度H2SO4和锌粒反应速率同步对比

实验时，首先检验装置气密性，然后分别在两个广口瓶中装入0.5g颗粒大小相同的锌粒，注射器中分别吸入10mL 1mol/LH2SO4溶液和10mL4mol/LH2SO4溶液，连接好仪器，将上方压液板向下移动，使两支注射器中的H2SO4溶液全部进入广口瓶，观察量气管及长颈漏斗中液面位置的变化情况，体会浓度对化学反应速率的影响。（其他案例略）

四、实验创新点及优点

在新课程背景下，对比实验教学为培养创新能力和探究精神提供了新的教学思想和学习方法。在该装置中，教师一人操作就能保证实验真正同步进行，生成气体的量可通过量气管中液体高低不同直接观察，操作简便，现象明显。

该反应器适用于初高中化学教学中的多个对比实验，应用范围广。除了以上案例，该量气式同步化学实验反应器也适用于所有固液、液液反应产生气体的速率对比，如相同表面积的锌、镁和同浓度稀H2SO4反应的对比试验;比较锌粒和锌粉与同浓度盐酸反应的速率;等等。即使不产生气体的对比实验也可以使用该同步反应实验器完成，例如探究同浓度Na2S2O3溶液与不同浓度H2SO4反应的快慢等。通过该同步反应实验器完成上述实验，可以观察化学反应的速率快慢及产生气体量的多少，定性和定量相结合，实验结果更直观准确。

这样，通过实验教具的创新达到了对实验本身的创新，也为一线教师设计开发实验装置提供了可以参考的样例，有利于增强学生的科学探究意识和创新意识。