巧用長柄V型石英玻璃管做高溫化學(xué)實(shí)驗(yàn)

摘要：借助石英材質(zhì)的長柄V型玻璃管，設(shè)計(jì)了有一定難度的“鐵粉與水蒸氣反應(yīng)”、“木炭還原氧化銅”、“一氧化碳還原氧化鐵”、“碳酸鈣高溫分解”等四個高溫條件下的中學(xué)化學(xué)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)簡約、操作簡便、現(xiàn)象明顯、成功率高、結(jié)論可靠的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：石英玻璃；長柄V型玻璃管；高溫化學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1005–6629（2017）6–0063–05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

長柄V型玻璃管是江蘇省特級教師李德前發(fā)明的一種玻璃儀器[1]（其結(jié)構(gòu)見圖1），用它可以設(shè)計(jì)出不少的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[2～5]。

如果選用石英玻璃管制成長柄V型玻璃管，那么用它還能做一些高溫（一般指500℃以上）條件下的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 “鐵粉與水蒸氣反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行人教版普通高中化學(xué)必修1教科書第50頁，安排了“鐵粉與水蒸氣反應(yīng)”的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)[6]。

1.1 原實(shí)驗(yàn)的不足

教科書上利用棉花作為吸水材料提供水蒸氣，其吸水量不易控制（若吸水過少則水蒸氣不足且棉花易炭化，吸水過多則會沖走鐵粉甚至引起試管破裂）。另外，按照課本上的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅儀器較多、操作繁瑣，而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不明顯。

1.2 對該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

主要是石英材質(zhì)的長柄V型玻璃管、酒精噴燈、鐵架臺、剪成斜口的飲料吸管、小試管等；還原鐵粉、吸水飽滿的濕粉筆、滴加幾滴洗滌劑的水、稀鹽酸等。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1）取一支石英材質(zhì)的長柄V型玻璃管，用剪成斜口的飲料吸管將還原鐵粉送入直管中部，并使鐵粉平鋪；在還原鐵粉的左邊（靠近直管口），直接放入半截潮濕的粉筆；然后用膠頭滴管向彎管里注入滴有洗滌劑的水，注意使水面稍微超過彎管的上壁。

（2）如圖2所示，連接實(shí)驗(yàn)裝置（附塞）。

（3）點(diǎn)燃酒精噴燈，先預(yù)熱長柄V型玻璃管的直管部分，然后用外焰對準(zhǔn)還原鐵粉加熱（潮濕的粉筆因?yàn)榭拷邷氐幕鹧娑芸炀蛽]發(fā)出足量的水蒸氣）。

（4）不到2分鐘時間，就會有較多的氣泡從滴有洗滌劑的水中連續(xù)冒出。用玻璃棒輕輕撥動氣泡（或用洗耳球吹動氣泡），單個的氣泡就會緩緩上升；再用燃著的木條靠近彎管口，點(diǎn)燃?xì)馀荩瑫a(chǎn)生爆鳴聲（并伴隨黃色火焰）。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，玻璃管內(nèi)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，且該反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣。

（5）當(dāng)水中逸出的氣泡很少時，停止加熱，移走酒精噴燈。

（6）等玻璃管冷卻后，用磁鐵靠近黑色固體，能被完全吸引；倒出黑色固體于白紙上，觀察不到變色；再取少許黑色固體裝入小試管，滴加足量的稀鹽酸，幾乎沒有氣泡。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，反應(yīng)產(chǎn)生的黑色固體是四氧化三鐵[7]。

（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，清洗、整理實(shí)驗(yàn)用品。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)用品簡單、易得，方便學(xué)生設(shè)計(jì)、組裝；實(shí)驗(yàn)操作較為簡便，有利于學(xué)生自主探究。

（2）實(shí)驗(yàn)只需要一個熱源，節(jié)約資源；實(shí)驗(yàn)在細(xì)玻璃管里進(jìn)行，有利于水蒸氣與還原鐵粉充分接觸、快速反應(yīng)。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有一定的探究性，能促進(jìn)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提高科學(xué)探究的能力。

2 “木炭還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行人教版九年級化學(xué)教科書上冊第110頁、滬教版（上海市教材）九年級化學(xué)教科書上冊第108頁，均安排了演示實(shí)驗(yàn)“木炭還原氧化銅”[8～9]。

2.1 原實(shí)驗(yàn)的不足

木炭還原氧化銅屬于固相反應(yīng)，兩種反應(yīng)物的質(zhì)量比、研混程度、反應(yīng)溫度等多種因素都會影響實(shí)驗(yàn)效果，所以該實(shí)驗(yàn)的成功率一直很低。

2.2 對該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

主要是石英材質(zhì)的長柄V型玻璃管、酒精噴燈、鐵架臺、玻璃棒、剪成斜口的飲料吸管、研缽、小試管等；木炭、氧化銅、浸有石蕊試液的脫脂棉（或濕潤的藍(lán)色石蕊試紙）、稀硫酸等。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖3。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1）分別取木炭與氧化銅適量，并使兩者的質(zhì)量比控制在1：6～1：12之間；將木炭、氧化銅一起放入研缽，充分研磨，確保固體粉碎、混合均勻。

（2）用剪成斜口的飲料吸管取上述黑色粉末足量，送入長柄V型玻璃管的彎管里，自然堆積；再借助于玻璃棒，將浸有石蕊試液的脫脂棉（或濕潤的藍(lán)色石蕊試紙）放到直管的中部。

（3）如圖3所示，連接實(shí)驗(yàn)裝置（附塞）。

（4）點(diǎn)燃酒精噴燈，先預(yù)熱長柄V型玻璃管的彎管部分，然后對準(zhǔn)黑色粉末加熱。當(dāng)加熱到大約1分鐘時，浸有石蕊試液的脫脂棉瞬間變?yōu)榧t色，說明氧化反應(yīng)的產(chǎn)物是二氧化碳；加熱到大約2分鐘時，黑色粉末開始呈現(xiàn)紅熱狀態(tài)，此時熄滅酒精噴燈，反應(yīng)仍然繼續(xù)進(jìn)行（因?yàn)樵摲磻?yīng)放熱）。

（5）反應(yīng)結(jié)束，待玻璃管冷卻至室溫，倒出紅色固體于白紙上，觀察到有少許細(xì)小的“銅珠”。再取少許粉末狀的紅色固體裝入小試管，滴加足量的稀硫酸，若紅色固體完全不溶，說明還原產(chǎn)物全部是銅；若紅色固體部分溶解并得到藍(lán)色溶液（對應(yīng)的反應(yīng)是Cu2O+H2SO4=Cu+CuSO4+H2O），說明還原產(chǎn)物既有銅又有氧化亞銅。

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，清洗、整理實(shí)驗(yàn)用品。如果玻璃管內(nèi)壁附著金屬銅，可用熱的飽和燒堿溶液浸泡2分鐘再清洗（因?yàn)榧訜嵘傻慕饘巽~滲到了玻璃表層，而燒堿對玻璃表面有弱腐蝕作用，能使?jié)B入的銅自行脫落[10]）。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

2.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）對藥品的要求不高（普通木炭即可），而且藥品的用量少。

（2）反應(yīng)物自然堆積在長柄V型玻璃管的彎管部位，有利于集中受熱，因此反應(yīng)速率較快，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)成功率高。

（3）使用固化的石蕊試液（滲入試紙或棉球中）驗(yàn)證二氧化碳，方法新穎，有利于激發(fā)學(xué)生的興趣和求異思維。

（4）實(shí)驗(yàn)操作比較簡便，因此加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

3 “一氧化碳還原氧化鐵”實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行滬教版（全國教材）九年級化學(xué)教科書上冊第124頁、魯教版九年級化學(xué)教科書下冊第59頁，均安排了演示實(shí)驗(yàn)“一氧化碳還原氧化鐵”[11，12]。

3.1 原實(shí)驗(yàn)的不足

該實(shí)驗(yàn)為了防止一氧化碳與空氣混合受熱發(fā)生爆炸，必須對尾氣進(jìn)行收集、驗(yàn)純，這就使實(shí)驗(yàn)者較長時間地通入一氧化碳，因而造成藥品的用量大。即便如此，也時有爆炸發(fā)生，因此不少教師對該實(shí)驗(yàn)采取播放視頻或黑板“演示”的無奈之舉。

3.2 對該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

主要是石英材質(zhì)的長柄V型玻璃管、酒精噴燈、鐵架臺、100mL的注射器（保留金屬針頭）、小氣球、玻璃棒、小試管等；氧化鐵粉末、一氧化碳?xì)怏w、濕潤的藍(lán)色石蕊試紙（或浸有石蕊試液的脫脂棉）、硫酸銅溶液等。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1）用水量法測出長柄V型玻璃管的容積約為20mL。

（2）借助剪成斜口的飲料吸管，將適量的氧化鐵粉末送入長柄V型玻璃管的彎管里，注意使粉末覆蓋于彎管底部但不觸及彎管上壁；借助玻璃棒，將2～3張濕潤的藍(lán)色石蕊試紙（或浸有石蕊試液的脫脂棉）送入直管，貼在直管的中部。

（3）取一個規(guī)格為100mL的注射器（確保活塞與管壁之間潤滑性良好），抽取100mL已驗(yàn)純的一氧化碳?xì)怏w（此時注射器活塞處于100mL刻度線）。

（4）如圖4所示，連接實(shí)驗(yàn)裝置。

（5）緩慢推動注射器活塞，向長柄V型玻璃管里通入一氧化碳，當(dāng)注射器活塞處于80mL刻度線時，說明已向玻璃管內(nèi)推入20mL一氧化碳，進(jìn)而說明玻璃管內(nèi)的空氣已基本排盡。

（6）點(diǎn)燃酒精噴燈，預(yù)熱長柄V型玻璃管的彎管部分，然后對準(zhǔn)氧化鐵粉末加熱，同時繼續(xù)向玻璃管內(nèi)緩慢、勻速地推入一氧化碳；當(dāng)加熱到約1.5分鐘時，濕潤的藍(lán)色石蕊試紙明顯變紅；加熱到約2分鐘時，氧化鐵粉末開始變黑；加熱到3～4分鐘時，紅棕色的粉末全部變?yōu)楹谏馇蛞裁黠@變大了。

（7）熄滅酒精噴燈，停止加熱。

（8）等玻璃管冷卻到室溫后，取下小氣球，點(diǎn)燃尾氣；然后用磁鐵靠近黑色粉末，能被完全吸引；再取少許黑色粉末裝入小試管，倒入足量的硫酸銅溶液，振蕩，充分反應(yīng)后，如果黑色粉末全部變紅，說明還原產(chǎn)物全部是鐵；如果黑色粉末部分變紅，說明還原產(chǎn)物既有鐵也有四氧化三鐵[13]。

（9）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，清洗、整理實(shí)驗(yàn)用品。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

3.4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）引入定量設(shè)計(jì)，能及時知道玻璃管內(nèi)的空氣是否排盡，因此提高了實(shí)驗(yàn)的安全性，也節(jié)省了藥品（一氧化碳的用量不到100mL）。

（2）氧化鐵粉末處于彎管位置，既能充分受熱，又能充分接觸一氧化碳，因此有利于還原反應(yīng)的快速進(jìn)行。

（3）實(shí)驗(yàn)原理簡單易懂，設(shè)計(jì)富有探究性，因此也適合安排為學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

4 “碳酸鈣高溫分解”實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行滬教版九年級化學(xué)教科書下冊第56頁、仁愛版九年級化學(xué)教科書上冊第102頁及滬教版（上海市教材）九年級化學(xué)教科書上冊第113頁，均安排了“煅燒石灰石”和“生石灰溶于水”等演示實(shí)驗(yàn)[14～16]。

4.1 原實(shí)驗(yàn)的不足

教科書上的設(shè)計(jì)方案，均是在空氣中煅燒含有碳酸鈣的物質(zhì)（如石灰石、大理石、貝殼或雞蛋殼等），這樣設(shè)計(jì)雖然操作簡便，但是分解出的氣體產(chǎn)物卻無法觀察和驗(yàn)證。另外，由“碳酸鈣→氧化鈣→氫氧化鈣”一系列變化所伴隨的現(xiàn)象不夠明顯。

4.2 對該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

4.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

主要是石英材質(zhì)的長柄V型玻璃管、酒精噴燈、鐵架臺、鑷子、藥匙等；片狀、顆粒狀、粉末狀的幾種含有碳酸鈣的物質(zhì)（如大理石、石灰石、水垢、石灰漿墻皮等）、紅色的石灰水（滴有酚酞試液）等。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖5。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1）分別取3～4塊片狀（拇指蓋大小）的大理石或石灰石、6～7塊顆粒狀（黃豆粒大小）的石灰漿墻皮、適量粉末狀的水垢，借助藥匙的小端、鑷子等工具，將它們放入長柄V型玻璃管的直管中部但不觸及直管上壁，注意使顆粒狀、粉末狀物質(zhì)填充在片狀物質(zhì)的空隙里，并將它們盡量壓實(shí)，以減少空隙（這樣有利于相互之間傳遞熱量）；然后向彎管里注入滴有酚酞試液的石灰水，注意使液面剛好接觸彎管的上壁。

需要注意的是，這里不要使用貝殼、雞蛋殼，因其含有機(jī)質(zhì)，會干擾后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

（2）按照圖5，連接實(shí)驗(yàn)裝置（附塞）。

（4）停止加熱（彎管里的液體有被倒吸的趨勢，但絕不會進(jìn)入直管部分），等到玻璃管冷卻至室溫后，拔掉橡皮塞，用玻璃棒將少許灰白色固體推入彎管里的液體中；稍后，用手觸摸彎管處，能感覺到發(fā)熱，并且液體又逐漸變?yōu)榧t色。

（5）取出玻璃管內(nèi)剩余的灰白色固體，不難發(fā)現(xiàn)，它們?nèi)菀妆荒笏椋ㄒ炎兊盟执啵?/p>

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，清洗、整理實(shí)驗(yàn)用品。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

4.4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）本實(shí)驗(yàn)是在相對封閉的體系里進(jìn)行的，并使用滴有酚酞的石灰水，使得碳酸鈣分解的兩種產(chǎn)物都在玻璃管內(nèi)得到了檢驗(yàn)，因此拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可信度。

（2）滴有酚酞的石灰水具有多個作用（既檢驗(yàn)二氧化碳，又驗(yàn)證了氫氧化鈣，還為氧化鈣的溶解提供水），這一素材有利于創(chuàng)設(shè)問題情境，增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性與思維嚴(yán)密性。

（3）本實(shí)驗(yàn)將碳酸鈣分解、氧化鈣溶于水、氫氧化鈣吸收二氧化碳等三個反應(yīng)融為一體，有利于學(xué)生構(gòu)建“鈣三角”的知識體系，樹立化學(xué)物質(zhì)的“變化觀”。

（4）選用幾種不同形態(tài)的含有碳酸鈣的物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生認(rèn)識碳酸鈣在自然界的分布，同時體驗(yàn)化學(xué)物質(zhì)的多樣性、物質(zhì)組成的相似性和化學(xué)性質(zhì)的規(guī)律性。

5 結(jié)束語

長柄V型玻璃管具有直管和彎管兩部分，因此可以代替多種常規(guī)玻璃儀器進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且減少了儀器的連接，其微型結(jié)構(gòu)又節(jié)省了藥品。對于石英材質(zhì)的長柄V型玻璃管，因其質(zhì)地堅(jiān)硬、耐高溫，還能用來做一些高溫條件下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。該儀器取材不難，既可以自己加工，也可以網(wǎng)購。

總之，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，長柄V型玻璃管的使用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)，值得推廣和借鑒。利用長柄V型玻璃管進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，簡便易行，節(jié)儉環(huán)保，現(xiàn)象直觀，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

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