用封底V形管进行较高温度下的对比实验
2024-01-16徐丹丹李德前周珊珊李为才
徐丹丹 李德前 周珊珊 李为才
摘要：借助底部封隔的V形管设计了“探究温度对微粒运动速率的影响”“验证可燃物燃烧的条件”“比较金属活动性强弱”和“比较苏打与小苏打的热稳定性”四个较高温度下的对比实验。新设计的实验案例，简化了操作、强化了对比、提高了实验的趣味性，有利于发展学生的化学学科核心素养，提升化学实验教学的有效性。
关键词：耐热材料；V形玻璃管；底部封隔；对比实验
文章編号：10056629（2023）12007405
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
谢丹敏老师曾利用底部封隔的U形管做对比实验，教学效果显著［1］。但由于封隔材料使用了石蜡，所以该装置只能进行常温下的化学实验。另外，由于U形管底部的弯曲结构，致使对其底部进行封隔处理较为麻烦。
受谢丹敏老师的启发，我们利用耐热材料封隔V形管的底部，其主要操作是：
（1）截取适量的生料带（耐热温度约为350℃），搓成球状（直径略大于V形管的口径），再将其塞入V形管底部。
（2）借助细木棍或玻璃棒，将生料带压扁、压实，使V形管底部被完全堵实（见图1）。
（3）向左、右支管的底部，分别滴入足量的硅胶胶粘剂（耐热温度约为400℃），通过倾斜、转动玻璃管，使生料带表面被胶粘剂完全覆盖，并使胶层厚度达到4mm左右。
（4）涂胶24h后，胶水达到最大强度，至此仪器就可以正常使用了。
使用耐热材料封隔V形管底部所形成的改进装置（见图1），可以承受400℃左右的温度，因此可以用它进行较高温度下的对比实验。
1 探究温度对微粒运动速率的影响
现行人教版九年级化学教科书中编排了“品红在水中扩散”的实验，但仅是演示了品红在常温水中的扩散。后又补充描述“如果使用的是热水，品红的扩散会更快一些”［2］。现行沪教版九年级化学教科书中则没有编排“有色物质在水中扩散”的实验，仅在课后习题中设置了如下问题“试解释下列现象：将一滴红墨水滴加到一杯水中，片刻后，整杯水慢慢变红”［3］。显然上述教科书中，均没有安排有色物质在冷水、热水中扩散的对比实验，这样的教学设计稍显枯燥。
我们借助底部封隔的V形管探究温度对微粒运动速率的影响，凸显实验现象的对比，培养了学生对照、比较的实证意识。
1.1 实验原理
构成物质的微粒总是在不断地运动着，温度越高，微粒运动速率越快。
1.2 实验用品
底部封隔的V形管（支管口径约为20mm，每个支管长约150mm，下同），药匙，铁架台；品红（或红墨水），20℃冷水，80℃热水
1.3 实验装置
借助底部封隔的V形管设计的实验装置，如图2所示（夹持仪器略）。
1.4 实验步骤
（1）取一个底部封隔的V形管，将其固定在铁架台上。
（2）先向左边支管里注入30mL 20℃的冷水，再向右边支管里注入30mL 80℃的热水；用药匙将等质量的少量品红同时投入冷水、热水之中。刚开始，品红漂浮于水面（因为品红的密度比水小），随后逐渐向水中扩散。
（3）在冷水中，品红缓慢地向水中扩散，经过120min左右扩散均匀，整个左支管内的冷水完全变为红色，这说明构成物质的微粒很小、微粒在不断运动着。在热水中，品红则快速扩散，大约3min，整个右支管内的热水全部变为红色，这同样说明构成物质的微粒很小、微粒在不断地运动着。
（4）对比上述实验现象可知，在一定条件下，温度越高，微粒运动的速率越快。
（5）实验结束，整理实验用品，指导学生完成实验报告。
2 验证可燃物燃烧的条件
现行人教版、沪教版九年级化学教科书中编排的“可燃物燃烧的条件”实验［4，5］（装置见图3），铜片上的白磷是暴露在空气中燃烧的，对环境不够友好，不利于培养学生的环保理念。
我们借助底部封隔的V形管重新设计实验装置，改进了原实验的不足。
2.1 实验原理
白磷的着火点是40℃，如果白磷接触到空气或氧气，并且温度达到着火点，就会剧烈燃烧，有关反应的化学方程式是4P+5O2点燃2P2O5。五氧化二磷能被氢氧化钠溶液吸收，有关反应的化学方程式是P2O5+6NaOH====2Na3PO4+3H2O。
2.2 实验用品
底部封隔的V形管，双孔橡皮塞，镊子，导气管，小气球，铁架台；白磷，罐装氧气，20℃、80℃的自来水（水中溶有少量的氢氧化钠）
2.3 实验装置
借助底部封隔的V形管设计的实验装置，如图4所示（夹持仪器略）。
2.4 实验步骤
（1）取一个底部封隔的V形管，将其固定在铁架台上。
（2）先向左边的支管里注入20mL溶有氢氧化钠的20℃冷水，再向右边的支管里注入20mL溶有氢氧化钠的80℃热水。
（3）借助镊子，将绿豆粒大小的两块白磷分别投入冷水、热水中。随即将插有导气管、小气球的橡皮塞分别塞到左右两个支管口（确保装置气密性良好）；此时，冷水、热水中的白磷均没有燃烧。
（4）轻轻打开氧气罐的旋塞，向左边支管里缓慢通入氧气，观察到冷水中的白磷仍然没有燃烧。再向右边支管里缓慢通入氧气，立即观察到热水中的白磷剧烈燃烧，并伴有淡黄色的火焰［6］。
（5）对比上述实验现象可知，可燃物燃烧需要接触氧气并且温度要达到着火点。
（6）实验结束，整理实验用品，指导学生完成实验报告。
3 比较金属活动性的强弱
有化学教师通过比较不同金属与酸溶液反应的快慢来比较金属活动性强弱，这是不科学的，因为金属活动性强弱不是动力学问题，而是热力学问题。如果比较金属与酸溶液发生置换反应时放出热量的多少，则可以确定金属活动性的强弱［7］。
我们利用底部封隔的V形管探究比较金属的活动性强弱，不仅现象明显，而且结论可靠。
3.1 实验原理
金属镁、铝、锌、铁分别与盐酸发生置换反应的化学方程式是：
Mg+2HCl====MgCl2+H2↑
2Al+6HCl====2AlCl3+3H2↑
Zn+2HCl====ZnCl2+H2↑
Fe+2HCl====FeCl2+H2↑
一定条件下，金属与酸溶液发生置换反应时放出的热量越多，其金属活动性越强。
3.2 实验用品
底部封隔的V形管，双孔橡皮塞，注射器，温度计，镊子，铁架台；表面洁净、外形完全相同的镁片、锌片、铁片和铝片（均过量），1∶4稀盐酸
3.3 实验装置
借助底部封隔的V形管设计的实验装置，如图5所示（夹持仪器略）。
3.4 实验步骤
（1）取一个底部封隔的V形管，将其固定在铁架台上，然后向左、右两个支管里分别注入约8mL稀盐酸。
（2）用镊子夹取长约5cm、宽约4mm的镁片、锌片，同时分别投入左、右两个支管里，立即将插有温度计、注射器的橡皮塞分别塞到支管口上（确保装置不漏气）。
（3）观察到镁片表面剧烈冒气泡、温度计读数快速升高，锌片表面较快地冒气泡、温度计读数缓慢升高。反应结束，金属镁片、锌片均有剩余，并且两个注射器里收集的气体一样多。
（4）再用长约5cm、宽约4mm的铝片、铁片，重复实验步骤（1）（2）（3）。观察到铝片表面快速冒气泡、温度计读数快速升高，铁片表面缓慢冒气泡、温度计读数很慢地升高。反应结束，铝片、铁片均有剩余，并且两个注射器里收集的气体一样多。
（5）上述实验测得的温度数据见表1。
比较表1的实验数据不难发现，在相同条件下，几种金属分别与相同的稀盐酸反应时，金属镁的温度变化最大，金属铁的温度变化最小，金属锌的温度变化大于铁、小于铝，所以这四种金属的活动性由弱到强的顺序是铁、锌、铝、镁。
（6）实验结束，整理实验用品，指导学生完成实验报告。
4 比较苏打与小苏打的热稳定性
现行普通高中化学教科书在比较苏打、小苏打的热稳定性时，采用先、后加热苏打、小苏打的方法，这样操作对比性不强。一些化学教师采用套管实验比较苏打、小苏打的热稳定性（装置如图6所示），虽然实验的对比性很强，但装置组装起来非常繁琐［8］，导致很多化学教师放弃了该实验。
我们借助底部封隔的V形管探究比较苏打、小苏打的热稳定性，不仅装置简单，而且对比鲜明。
4.1 实验原理
苏打受热难以分解，而小苏打稍微受热（100℃以上）就能分解，有关反应的化学方程式是2NaHCO3△Na2CO3+H2O+CO2↑。
4.2 实验用品
底部封隔的V形管，药匙，小气球，火柴，酒精灯，铁架台；苏打，小苏打
4.3 实验装置
借助底部封隔的V形管设计的实验装置，如图7所示（夹持仪器略）。
4.4 实验步骤
（1）取一个底部封隔的V形管，用药匙向左边的支管里加入1.5g小苏打，向右边支管里加入1.5g苏打，然后将V形管固定在铁架台上。
（2）将两个大小合适的小气球，分别套接在左、右两个支管口（确保装置不漏气）。
（3）点燃酒精灯，将外焰对准V形管底部的药品加热1～2min，很快观察到左边支管口上的小气球缓慢膨胀起来，并且支管的内壁出现水雾；右边支管口上的小气球仅有轻微的鼓起，支管内壁没有出现水雾。停止加热，待V形管恢复到室温，观察到左边的小气球大小不变，右边的小气球恢复原状（说明原先的鼓起是受热膨胀）。
（4）对比上述实验现象可知，小苏打热稳定性差，受热易分解；苏打热稳定性强，受热不易分解。
（5）实验结束，整理实验用品，指导学生完成实验报告。
5 结语
除了上述四个创新实验，本改进装置还可以用来探究氯酸钾或过氧化氢分解的催化剂、实验室制取二氧化碳的药品，以及比较碳酸氢铵与其他铵盐的热稳定性等（本文不再赘述）。
需要说明的是，在加热V形管内的药品时，酒精灯火焰不宜过大，加热时间也不宜过长，以免温度过高造成V形管底部的封隔材料变质而影响实验效果。
总之，底部封隔的V形管既能用于演示实验，也能用于学生实验。相关案例不仅装置简单、对比鲜明、现象直观，并且蕴含了创新、激趣、简约、环保等育人理念。在实验改进的过程中，问题的发现、装置的设计、探究的过程还可作为培养学生质疑精神和实践能力的有效资源。
参考文献：
［1］谢丹敏，汤中华. 封闭U型管在对比实验中的应用［J］. 化学教学，2016，（4）：81～84.
［2］［4］课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心. 义务教育教科书·化学（九年级上册）［M］. 北京：人民教育出版社，2012：48，129.
［3］［5］中學化学国家课程标准研制组. 义务教育教科书·化学（九年级上册）［M］. 上海：上海教育出版社，2017：99，73.
［6］李德前，魏海，张羿. 将白磷包裹在铁丝绒内进行水中燃烧实验［J］. 化学教学，2021，（12）：72～74.
［7］郭焘，李德前. 比较金属活动性强弱的新方法［J］. 中小学实验与装备，2022，（6）：40～42.
［8］徐作培，李德前，周珊珊. 直角试管改进装置用于几个化学实验的尝试［J］. 化学教学，2023，（2）：65～68.
