噴泉實(shí)驗(yàn)裝置的新設(shè)計(jì)

羅迎瑞

摘 要： 因?yàn)榛瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)無不滲透著技術(shù)思想和方法，化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)教具的革新無不運(yùn)用技術(shù)的思想和方法。經(jīng)長期探索與嘗試，設(shè)計(jì)出一套多功能噴泉實(shí)驗(yàn)裝置。不僅能夠快速制備氨氣、收集氨氣、檢驗(yàn)氨氣性質(zhì)，而且能引發(fā)氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)、噴煙實(shí)驗(yàn)、倒吸實(shí)驗(yàn)，還能利用此裝置繼續(xù)完成其他氣體的噴泉實(shí)驗(yàn)。該套裝置連接簡單、控制靈活、簡單便捷、無污染、現(xiàn)象明顯、耗時短、實(shí)用性強(qiáng)，能同時完成多組實(shí)驗(yàn)、沒有氨氣泄露，符合綠色化學(xué)理念。既適合于教師演示，又適合學(xué)生合作完成。

關(guān)鍵詞：通用技術(shù) 噴泉實(shí)驗(yàn) 噴煙實(shí)驗(yàn) 倒吸實(shí)驗(yàn) 排水洗滌

在日常生活中，有很多為我們所不知而需要解答的話題，這就是問題。問題的形式多種多樣，如科學(xué)探究方面的，實(shí)驗(yàn)操作方面的，還有技術(shù)與設(shè)計(jì)等方面的，等等。要解決好此類問題，最有效的途徑就是反復(fù)實(shí)踐，實(shí)踐是動手動腦的過程，也是解決實(shí)際問題的過程。筆者通讀完通用技術(shù)課程《技術(shù)與設(shè)計(jì)1》、《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》和相關(guān)技術(shù)教育的資料后，深感一位教師學(xué)習(xí)掌握通用技術(shù)的重要性。一旦了解和掌握一定的通用技術(shù)，每做一個實(shí)驗(yàn)，不僅是為觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，更重要的是應(yīng)有問題意識，對于教材上一些設(shè)計(jì)欠完美的實(shí)驗(yàn)要能發(fā)現(xiàn)問題，并能用技術(shù)思想和方法研究解決。這樣，我們才會不由自主地用技術(shù)思想和方法自覺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。這里所說的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新指繼承為前提的創(chuàng)新，即發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的過程。下面我們運(yùn)用技術(shù)思想和方法，研究解決中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)微型化、綠色化的問題和如何進(jìn)行低成本教具研制，實(shí)例列舉如下：

氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教材中既有趣又值得回味的實(shí)驗(yàn)，在教材中處于重要地位。但在實(shí)際教學(xué)過程中，氨氣的實(shí)驗(yàn)室制備、收集和儲存、氨溶于水形成噴泉實(shí)驗(yàn)的演示等過程，操作比較繁瑣，很難在較短時間內(nèi)完成整個實(shí)驗(yàn)。筆者經(jīng)長期探索與嘗試，用實(shí)驗(yàn)室中簡單儀器、礦泉水瓶和一些醫(yī)用的廢棄材料，設(shè)計(jì)出一套多功能噴泉實(shí)驗(yàn)裝置。不僅能夠快速制備、收集和檢驗(yàn)氨氣，而且能引發(fā)氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)、噴煙實(shí)驗(yàn)、倒吸實(shí)驗(yàn)，還能利用此裝置繼續(xù)完成其他氣體的噴泉實(shí)驗(yàn)。該套裝置連接簡單、控制靈活、簡單便捷、無污染、現(xiàn)象明顯、耗時短、實(shí)用性強(qiáng)，能同時完成多組實(shí)驗(yàn)、沒有氨氣泄露，符合綠色化學(xué)理念。適合教師演示，也適合學(xué)生合作完成。

1.裝置設(shè)計(jì)圖（見下圖）

2.裝置制作材料及所需試劑

（1）制作材料

鐵架臺兩個，具支錐形瓶一個，圓底燒瓶一個，分液漏斗兩個，礦泉水瓶四個，10mL注射器兩支，單孔橡膠塞三個，雙控橡皮塞一個，三孔橡皮塞一個，丫形三通管三個，控制閥七個個，中性筆芯桿六根，中性筆接頭八個，輸液器軟管若干。

（2）所需試劑

氫氧化鈉固體、濃氨水、濃鹽酸、硫酸銅溶液、酚酞試液、紅色石蕊試紙、碳酸鈣固體、稀鹽酸、NaOH濃溶液。

3.裝置的制作

（1）氨氣制備裝置的組裝

如裝置圖1左部所示，通過單孔橡膠塞將約為100mL分液漏斗安裝在500mL帶支管的錐形瓶上端，再將錐形瓶固定在左邊鐵架臺上；錐形瓶的支管上接一段約3cm長的軟導(dǎo)管，軟導(dǎo)管另一端用帶有粗頭的輸液導(dǎo)管連接起來，并在軟導(dǎo)管上安裝控制閥一。

（2）制作三個組件

用一段約長10cm的輸液導(dǎo)管連接兩個丫形三通管，在第一個丫形三通管的下端接約長5cm的輸液導(dǎo)管，并在其上安裝控制閥二；輸液導(dǎo)管下端用中性筆接頭連接兩個中性筆芯桿，使其插入單孔橡膠塞，并將橡皮塞插入側(cè)壁鉆有小孔的礦泉水瓶一上。在第二個丫形三通管的下端同樣接約長5cm的輸液導(dǎo)管，并在其上安裝控制閥三，輸液導(dǎo)管下端用中性筆接頭連接兩個中性筆芯桿，使其插入單孔橡膠塞，并將橡皮塞插入側(cè)壁鉆有小孔的礦泉水瓶二上。它的上端接約5cm的輸液導(dǎo)管，并在其上安裝控制閥五，輸液導(dǎo)管的上端用中性筆接頭連接一根多些中性筆芯桿，使其插入三孔橡皮塞；將一段約40cm長的輸液導(dǎo)管下端直接插入瓶蓋上鉆有小孔的礦泉水瓶三，并在其上安裝控制閥四，上端接上一段中性筆芯桿，插入三孔橡膠塞；最后，取下輸液導(dǎo)管最前端軟管上的針頭，套上一段硬導(dǎo)管，將其插入三孔橡膠塞上，另一端接上10mL注射器。

（3）圓底燒瓶的固定

將三孔橡膠塞塞緊在圓底燒瓶上，將其固定在右邊鐵架臺上，調(diào)整高度，各組件的位置間隔，使其整個裝置舒展美觀。

（4）CO氣體的制備裝置

如裝置圖2所示，通過雙孔橡膠塞將約為100mL分液漏斗安裝在250mL的錐形瓶上端，將帶有控制閥六的一段輸液導(dǎo)管一端接上硬質(zhì)輸液尖嘴，并將其插入雙控橡皮塞，作為將制取的二氧化碳?xì)怏w通入圓底燒瓶的導(dǎo)氣管。

4.裝置的應(yīng)用

（1）氨氣的制備、收集與檢驗(yàn)

在盛有水的礦泉水瓶三中放入一兩片紅色石蕊試紙。打開控制閥一、控制閥四和控制閥五，關(guān)閉控制閥二和控制閥三，向盛有固體NaOH的500mL具支錐形瓶中注入濃氨水，會看到礦泉水瓶三中有大量氣泡冒出。若礦泉水瓶三中的紅色石蕊試紙變藍(lán)色，說明圓底燒瓶中氨氣已收集滿。停止向具支錐形瓶中注入濃氨水，并關(guān)閉控制閥一和控制閥五。

（2）氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)

向已收集滿氨氣的圓底燒瓶中用帶軟管的10mL注射器注入5mL左右的水，打開控制閥三和控制閥四，礦泉水瓶二中的無色酚酞溶液在外界大氣壓的作用下被迅速壓入導(dǎo)管噴向圓底燒瓶，形成美麗的紅色噴泉。

（3）噴煙實(shí)驗(yàn)

向具支錐形瓶中注入少量濃鹽酸，立即會有濃濃的白煙產(chǎn)生，白煙為氯化銨的固體小顆粒。此時，具支錐形瓶中氣壓減小，產(chǎn)生負(fù)壓。

（4）倒吸實(shí)驗(yàn)

關(guān)閉控制閥三和控制閥四，打開控制閥一和控制閥二。在外界大氣壓的作用下，礦泉水瓶一中淺綠色的硫酸銅溶液被迅速壓入到具支錐形瓶中，觀察到有藍(lán)色氫氧化銅沉淀生成。

（5）排水洗滌

打開控制閥四，圓底燒瓶內(nèi)的紅色溶液，從其下端的導(dǎo)管排出到礦泉水瓶三中，用50mL注射器向圓底燒瓶中注入清水，用清水洗滌圓底燒瓶瓶兩到三次。

（6）CO氣體的制備、收集與檢驗(yàn)

撤去圖1中的礦泉水瓶三，將圖2所示的帶有控制閥六的導(dǎo)氣管接在其上。打開控制閥六，關(guān)閉其余所有控制閥。打開分液漏斗上的旋塞，向盛有碳酸鈣固體粉末的250mL錐形瓶中緩慢注入稀鹽酸，盛有紫色石蕊試液的礦泉水瓶三中立即有氣泡冒出。一段時間后，紫色的石蕊溶液變紅色，說明二氧化碳已收集滿，關(guān)閉控制閥六。

（7）CO氣體的噴泉實(shí)驗(yàn)

用吸有氫氧化鈉濃溶液的注射器向圓底燒瓶中注入氫氧化鈉濃溶液后，打開控制閥三和控制閥五，會看到礦泉水瓶三中的紅色酚酞溶液再次被噴入圓底燒瓶中形成美麗的紅色噴泉。由于二氧化碳為酸性氣體，可以觀察到紅色噴泉顏色逐漸變淺。

5.裝置的優(yōu)點(diǎn)

（1）省時環(huán)保

人教版普通高中化學(xué)必修1中關(guān)于氨氣的制備與噴泉實(shí)驗(yàn)一方面準(zhǔn)備工作繁雜，實(shí)驗(yàn)耗時較長。另一方面制備的氨氣往往因漏氣、潮濕等導(dǎo)致噴泉實(shí)驗(yàn)效果不理想。同時，教材上制取氨氣時，會使氨氣泄露在空氣中，不符合綠色化學(xué)的理念。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，操作便利，極大地縮短了實(shí)驗(yàn)時間，為教師課堂演示贏得了時間。同時，盡可能避免氨氣排放到空氣中，環(huán)保無污染，符合綠色化學(xué)理念。

（2）內(nèi)容新穎

本實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生學(xué)會在實(shí)驗(yàn)室快速制取氨氣的方法和原理。實(shí)現(xiàn)氨氣的制備、收集、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)檢驗(yàn)一體化操作。同時，能對氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行拓展遷移，繼續(xù)用CO和氫氧化鈉濃溶液實(shí)現(xiàn)噴泉實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對噴泉實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識，進(jìn)一步開闊視野。

（3）現(xiàn)象明顯

本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，顏色變化多樣。現(xiàn)象一：無色酚酞溶液遇到堿性物質(zhì)會變成紅色。氨氣引發(fā)的噴泉實(shí)驗(yàn)，會使無色酚酞試液形成美麗的紅色噴泉。現(xiàn)象二：濃鹽酸遇到濃氨水會有白煙產(chǎn)生。因此，向氨氣的發(fā)生裝置中注入濃鹽酸，會產(chǎn)生噴白煙現(xiàn)象。現(xiàn)象三：硫酸銅溶液遇堿會生成美麗的藍(lán)色氫氧化銅沉淀。將盛有硫酸銅的稀溶液與氨氣的發(fā)生裝置連通，會產(chǎn)生劇烈的倒吸現(xiàn)象，并生成藍(lán)色的氫氧化銅沉淀。現(xiàn)象四：二氧化碳為酸性氣體，其與氫氧化鈉濃溶液引發(fā)的噴泉，會使得燒杯中的紅色酚酞溶液再次形成美麗的噴泉，但是溶液顏色會變淺，形成粉紅色的噴泉。

（4）生動有趣

本實(shí)驗(yàn)操作簡單，現(xiàn)象明顯，滲透化學(xué)知識和物理知識，便于教師課堂演示，也便于學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，如探討噴泉實(shí)驗(yàn)的原理，探究各種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，討論可形成噴泉的固體和液體，以及進(jìn)行裝置的再次改進(jìn)，等等。由于本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，顏色變化分明，還可進(jìn)行趣味實(shí)驗(yàn)。

（5）拓展空間廣闊

本實(shí)驗(yàn)可連續(xù)進(jìn)行多組噴泉實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生深入認(rèn)識噴泉實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行拓展遷移，靈活應(yīng)用，進(jìn)行多組氣液間的噴泉實(shí)驗(yàn)提供開闊的拓展空間。除氨氣和酚酞溶液、二氧化碳與濃堿溶液的噴泉實(shí)驗(yàn)外，還可進(jìn)行HCl與水、二氧化硫與濃堿溶液、氯氣與濃堿溶液等引發(fā)的噴泉實(shí)驗(yàn)。

6.注意事項(xiàng)

（1）裝置要保證干燥，氣密性良好。

（2）制取氨氣或CO要盡量將氣體收集滿。

（3）開關(guān)控制閥要注意次序和開關(guān)速度。

（4）氨氣的收集采用上端進(jìn)氨氣，下端排空氣；CO氣體的收集采用從下端進(jìn)CO氣體，上端尖嘴導(dǎo)管處排空氣。

（5）巧用丫形三通管連通儀器和妙用針管的多重功能。

隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展和化學(xué)學(xué)科教學(xué)質(zhì)量的不斷提高，技術(shù)創(chuàng)新已成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)室無時不有、無處不用的客觀存在。化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新就是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新，是我們開展實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、教具創(chuàng)新和探究實(shí)驗(yàn)過程的重要措施和方法。每個實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、裝置的選定及實(shí)驗(yàn)過程，無不蘊(yùn)含著技術(shù)的思想和方法。因此，將通用技術(shù)的理念滲透到化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，用技術(shù)的思想和方法開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)，就是培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象能力、動手實(shí)踐能力、動腦設(shè)計(jì)能力、發(fā)現(xiàn)分析和解決問題能力等技術(shù)思想和方法的有效途徑，是提高學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的第二課堂活動內(nèi)容。技術(shù)素養(yǎng)是當(dāng)代青少年需要迫切提高和不能不具備的基本素養(yǎng)，而通用技術(shù)課程就是用以提升技術(shù)素養(yǎng)的供中學(xué)生必修的技術(shù)課程。相信通用技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐和應(yīng)用，對廣大同學(xué)的發(fā)展具有廣泛遷移價值，它的實(shí)踐過程是“同學(xué)們主動建構(gòu)知識、不斷拓展能力、形成良好情感態(tài)度與價值觀的過程，是一個富有生機(jī)、充滿探究、方式多元的過程”[1]。這一過程“一定會成為同學(xué)們豆蔻年華中夯實(shí)基礎(chǔ)、挑戰(zhàn)自我、享受創(chuàng)造與發(fā)展樂趣的美好生活的一部分”[2]。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧建軍，等.技術(shù)與設(shè)計(jì)1[M].江蘇教育出版社，2009（5），第3版.

[2]顧建軍，等.技術(shù)與設(shè)計(jì)2[M].江蘇教育出版社，2009（5），第3版：041.