封閉U型管在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

謝丹敏 湯中華

摘要：針對(duì)上教版義務(wù)教育化學(xué)教科書中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，制作了封閉U型管實(shí)驗(yàn)裝置，并應(yīng)用于初中化學(xué)的微粒運(yùn)動(dòng)、微粒之間存在空隙、二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)、高錳酸鉀溶液褪色等多個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：封閉U型管；對(duì)比實(shí)驗(yàn)；微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）4–0081–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲取科學(xué)文化知識(shí)、認(rèn)識(shí)客觀世界的重要途徑。義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）明確指出：“應(yīng)根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況合理地選擇實(shí)驗(yàn)形式，有條件的學(xué)校盡可能多地為學(xué)生提供動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)；條件有限的學(xué)校，可采取教師演示實(shí)驗(yàn)或利用替代品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)開展微型實(shí)驗(yàn)、家庭小實(shí)驗(yàn)等。[1]”因此設(shè)計(jì)、改進(jìn)、創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯得尤為重要。而對(duì)比實(shí)驗(yàn)作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用得最多的方法之一，在激發(fā)學(xué)生探究欲望，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)造能力，優(yōu)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)認(rèn)知過程等方面起著舉足輕重的作用。為此，我們利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見的儀器和藥品制作了封閉U型管，并將該實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用于上教版義務(wù)教育教科書《化學(xué)》（九年級(jí)上、下冊(cè)）多個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中。

1 封閉U型管的制作

用小刀切碎蠟燭，取出石蠟，將適量石蠟加入U(xiǎn)型管中，將U型管管口朝上，用鐵夾水平固定在鐵架臺(tái)上，把裝有石蠟部分浸在約80℃的熱水浴中，待石蠟完全熔化后，移走水浴，讓其在空氣中自然冷卻凝固，制成封閉U型管。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2 封閉U型管的創(chuàng)新應(yīng)用

以上教版義務(wù)教育教科書《化學(xué)》（九年級(jí)上、下冊(cè)）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為例，介紹封閉U型管在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新應(yīng)用。

2.1 微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 教材上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及問題

重新配制甲溶液（向燒杯B中加入20mL蒸餾水，滴入2～3滴酚酞試液，得到溶液甲）。在燒杯B中加入3～5mL濃氨水，用一個(gè)大燒杯把兩燒杯的溶液罩在一起，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[2，3]。

通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)以下不足：一次實(shí)驗(yàn)需3～5mL濃氨水，藥品用量較大；實(shí)驗(yàn)體系并非全封閉，實(shí)驗(yàn)過程中氨氣從大燒杯口揮發(fā)出來，產(chǎn)生的刺激性氣味影響了課堂教學(xué)效果，損害了師生的健康；實(shí)驗(yàn)完畢后，大量氨氣殘留在大燒杯中難以處理，且實(shí)驗(yàn)并不能說明微粒運(yùn)動(dòng)速率與溫度的關(guān)系。為此我們做了如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及藥品

實(shí)驗(yàn)裝置及藥品如圖2所示。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象解釋

（1）取2張酚酞濾紙條（事先將濾紙用酚酞溶液浸泡、晾干備用），用蒸餾水潤(rùn)濕后，分別掛在細(xì)鐵絲上。

（2）用膠頭滴管吸取適量濃氨水，滴2～3滴于橡皮塞細(xì)端面上的孔內(nèi)（事先在橡皮塞細(xì)端面上用鉆孔器和小刀挖一個(gè)小孔），然后迅速塞上橡皮塞，觀察到封閉U型管兩側(cè)玻璃管內(nèi)的酚酞濾紙條自下而上變紅，說明微粒在不斷地運(yùn)動(dòng)。

（3）將封閉U型管的橡皮塞一端分別同時(shí)浸入裝有等體積熱水和冷水的燒杯中，觀察到浸入裝有熱水燒杯的酚酞濾紙條向上變紅的速率加快，說明溫度越高，微粒運(yùn)動(dòng)速率越快。

（4）實(shí)驗(yàn)完畢后，打開橡皮塞滴加適量稀硫酸，塞上橡皮塞，振蕩，可迅速消除氨氣的污染。

2.2 微粒之間存在空隙實(shí)驗(yàn)

2.2.1 教材上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及問題

取一根約30cm長(zhǎng)一端封口的細(xì)玻璃管，先往玻璃管中加入滴有紅墨水的水，使其充滿玻璃管容積的1/2，再滴入無水酒精，使其充滿玻璃管。用手指堵緊開口的一端，顛倒數(shù)次[4]。

由于構(gòu)成紅色的水和無水酒精的微粒之間都存在空隙，當(dāng)混合后，構(gòu)成紅色的水的微粒與構(gòu)成無水酒精的微粒相互間填補(bǔ)了對(duì)方的空隙，所以導(dǎo)致玻璃管內(nèi)有氣泡，且管內(nèi)有一段空柱。學(xué)生通過學(xué)習(xí)后，提出問題：“如果先往玻璃管中加入無水酒精，使其充滿玻璃管容積的1/2，再滴入滴有紅墨水的水，使其充滿玻璃管。用手指堵緊開口的一端，顛倒數(shù)次。是否兩次實(shí)驗(yàn)形成空柱的長(zhǎng)短是一樣呢？若不一樣則原因是什么呢？為此我們做了如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及藥品

實(shí)驗(yàn)裝置及藥品如圖3所示。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象解釋

（1）在封閉U型管兩側(cè)玻璃管約1/2處用記號(hào)筆做上記號(hào)，如圖3裝置中虛線部分。

（2）在封閉U型管左側(cè)玻璃管內(nèi)加入約1/2體積紅色的水，右側(cè)玻璃管內(nèi)加入約1/2體積無水酒精。

（3）分別在左側(cè)玻璃管內(nèi)加入無水酒精，在右側(cè)玻璃管內(nèi)加入紅色的水直至充滿玻璃管，然后塞上橡皮塞，上下顛倒幾次。

（4）靜置后，封閉U型管左側(cè)玻璃管內(nèi)液面比右側(cè)玻璃管內(nèi)液面低，是因?yàn)榉忾]U型管右側(cè)玻璃管內(nèi)先加入無水酒精，再加入紅色的水，由于水的密度比無水酒精的密度大，所以在加入紅色的水的過程中，紅色的水會(huì)和無水酒精混合，構(gòu)成紅色的水的微粒直接填補(bǔ)了無水酒精微粒之間的空隙。

2.3 二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

2.3.1 教材上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及問題

“常見的酸和堿”一節(jié)中關(guān)于CO2與NaOH的反應(yīng)是這樣描述的[5]：“NaOH溶液能吸收二氧化碳?xì)怏w，發(fā)生如下反應(yīng)：CO2+2NaOH=Na2CO3+ H2O”，并沒有安排實(shí)驗(yàn)。即使將CO2通入NaOH溶液中，也沒有明顯的現(xiàn)象，因此學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的感性認(rèn)識(shí)。在教學(xué)中，一線化學(xué)教師為了呈現(xiàn)直觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[6，7]，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4（a）～（d）所示。

實(shí)驗(yàn)沒有檢驗(yàn)反應(yīng)后的產(chǎn)物，學(xué)生通過學(xué)習(xí)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出了質(zhì)疑：二氧化碳本身能溶于水，如果二氧化碳沒有與NaOH反應(yīng)，僅溶解于NaOH溶液的水中，氣體量減少也能出現(xiàn)類似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。為此我們做了如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置及藥品

實(shí)驗(yàn)裝置及藥品如圖5所示。

圖5 CO2與NaOH溶液反應(yīng)及溶解于水的對(duì)比實(shí)驗(yàn)裝置

2.3.3 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象解釋

（1）用向上排空氣法將封閉U型管兩側(cè)玻璃管內(nèi)收集滿二氧化碳后塞上橡皮塞。

（2）將封閉U型管兩側(cè)玻璃管同時(shí)插入分別裝有等體積NaOH溶液和水的燒杯中。

（3）在燒杯液面下用鑷子分別拔掉兩側(cè)玻璃管上的橡皮塞，觀察到封閉U型管左側(cè)玻璃管內(nèi)液面比右側(cè)玻璃管內(nèi)液面高，說明左側(cè)玻璃管內(nèi)CO2與NaOH發(fā)生了反應(yīng)，氣體的量減少得多，而右側(cè)玻璃管內(nèi)僅是部分CO2溶于水，氣體的量減少得相對(duì)較少，故出現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.4 高錳酸鉀溶液褪色實(shí)驗(yàn)

2.4.1 教材上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及問題

在小燒杯A中加入少量淺紫紅色的稀高錳酸鉀溶液。取一根小木條，在一頭蘸一些硫粉，并點(diǎn)燃，迅速伸入燒杯A中，片刻后取出小木條，振蕩燒杯A，觀察發(fā)生的現(xiàn)象[8]。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了二氧化硫能使高錳酸鉀溶液褪色，可用高錳酸鉀溶液來檢驗(yàn)二氧化硫，學(xué)生通過學(xué)習(xí)后認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)還不足以說明高錳酸鉀溶液褪色的原因，木條里含有碳元素，燃燒后會(huì)生成二氧化碳，為什么不是二氧化碳使高錳酸鉀溶液褪色了呢？為此我們做了如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)裝置及藥品

實(shí)驗(yàn)裝置及藥品如圖6所示。

2.4.3 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象解釋

（1）用兩支裝有橡皮塞的膠頭滴管吸取少量稀高錳酸鉀溶液。

（2）在封閉U型管左側(cè)玻璃管內(nèi)收集滿SO2，右側(cè)玻璃管內(nèi)收集滿CO2后，在封閉U型管兩側(cè)玻璃管口迅速塞上帶有膠頭滴管的橡皮塞。

（3）輕輕擠壓左側(cè)膠頭，滴入幾滴稀高錳酸鉀溶液，發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)稀高錳酸鉀溶液褪色。然后輕輕擠壓右側(cè)膠頭，滴入幾滴稀高錳酸鉀溶液，發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)稀高錳酸鉀溶液仍然為淺紫紅色，說明二氧化硫與高錳酸鉀反應(yīng)使其褪色，而二氧化碳與高錳酸鉀并不反應(yīng)，所以稀高錳酸鉀溶液不褪色。

3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）裝置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，藥品使用量少；

（2）在封閉體系中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，綠色、環(huán)保、無污染；

（3）通過控制變量，演示對(duì)比實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生探究興趣，提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部制定.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011：35.

[2][4]中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組編著.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2012：63.

[3]謝丹敏，夏小琴.基于綠色化化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（4）：15.

[5][8]中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組編著.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)下冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2012：46，108.

[6]馬逸群，魏海.“探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”系列設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（8）：7.

[7]陳鑒輝.CO2與NaOH溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的多樣性設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2004，（7～8）：58～60.

[9]趙永勝，朱莉.驗(yàn)證二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案[J].化學(xué)教與學(xué)，2013，（12）：85～86.