U型管用于化學實驗的幾個案例

宋廣良 李德前

摘要： 為了拓展常規儀器的教學功能，豐富化學實驗教學資源，將U型管巧妙用于多個化學實驗中，設計了探究微粒運動、鋼鐵銹蝕條件、檢驗二氧化硫氣體及二氧化碳性質等改進實驗。這些實驗改進有利于開闊學生的視野，培養學生的創新精神和實踐能力，提高了化學實驗教學的有效性。

關鍵詞： U型管； 化學實驗； 實驗裝置改進； 實驗探究

文章編號： 10056629（2018）2006805中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

U型玻璃管雖然是普通的化學儀器，但其在化學實驗中的新應用不斷被化學教育工作者挖掘出來[1～4]。筆者在教學中，將U型玻璃管成功地移植[5]到下面的一些化學實驗中，取得了顯著的教學效果。

1探究微粒運動的實驗

現行各個版本的義務教育教科書《化學》中，均安排了“利用濃氨水與酚酞試液的組合探究微粒運動”的實驗（見圖1）。由于該實驗裝置是由三個燒杯組成的，造成實驗裝置無法固定，給操作帶來諸多不便。另外，由于實驗體系封閉性不夠，致使實驗過程中有氨氣擴散到教室內。

筆者借助U型管進行氨分子擴散實驗，克服了原實驗的一些不足。

1.1實驗用品

18mm×180mm的U型管、60mL的細口瓶、配套的單孔橡皮塞、玻璃旋塞（配直徑約10mm的玻璃導管）、紗布條等；濃氨水、酚酞試液等

1.2實驗裝置

改進后的實驗裝置見圖2[6]。

1.3實驗操作

（1） 剪一條長約40cm、寬約2cm的棉紗布，然后用酚酞試液將整個紗布條濕潤；用玻璃棒將紗布條送入18mm×180mm的U型管里，并將一團潮濕的棉花塞到U型管口。

（2） 取一個60mL的細口瓶，向瓶內注入15～20mL濃氨水。

（3） 按圖2所示，迅速用帶有玻璃旋塞的導管將整個實驗裝置連接起來。

（4） 打開玻璃旋塞，輕輕晃動細口瓶里的濃氨水（若氣溫較高則無需晃動），可以觀察到濕潤的酚酞紗布條逐漸變紅，并且紗布條變紅的速率AB段最快，CD段最慢。

（5） 若將細口瓶放到熱水（60℃左右）里浸一會兒，整個紗布條變紅的速率就會明顯加快。

（6） 實驗結束，關閉玻璃旋塞（酚酞紗布條的紅色會逐漸褪去），整理實驗用品。

1.4實驗結論

（1） 濃氨水與酚酞試液沒有直接接觸就變為紅色，說明微粒在不斷運動。

（2） 對濃氨水進行微熱，濕潤的酚酞紗布條就能快速變紅，說明溫度升高時微粒運動的速率加快。

（3） AB段紗布條自下而上變紅的速率，明顯大于CD段紗布條從上向下變紅的速率，充分說明氨氣的密度比空氣小。

1.5實驗優點

（1） 實驗較為環保，對環境幾乎沒有污染。

（2） 實驗不僅說明了微粒的運動性，還說明氨氣的密度比空氣小。

（3） 實驗裝置固定，既方便操作，又能反復使用，特別有利于多個班級的連續授課。

（4） 實驗現象與眾不同，微粒的運動更加直觀、生動，提高了實驗的趣味性。

2探究鋼鐵銹蝕條件的實驗

在現行各個版本的義務教育教科書《化學》中，有關鋼鐵銹蝕條件的試管實驗都使用一根鐵釘（裝置見圖3），這樣鐵與氧氣、水的接觸面就很小，因而鋼鐵銹蝕所需的時間也較長（約一周左右），致使實驗教學不夠連貫。另外，實驗的對比分散在3～5支試管里，實驗設計不夠緊湊，也不方便學生觀察實驗現象。

筆者將U型管移植到該實驗中，設計了性能優異的新實驗裝置。

2.1實驗用品

20mm×200mm的U型管、配套的橡皮塞、鐵架臺、紗布等；超細鋼絲棉（淘寶網有售）、食鹽水、煮沸剛冷卻的蒸餾水（或涼開水）、干燥劑（氯化鈣）等

2.2實驗裝置

改進后的實驗裝置見圖4[7]（夾持裝置略）。

2.3實驗操作

（1） 取一根表面锃亮的超細鋼絲棉，將其剪成長短相同的四段，然后整理成球狀（使其直徑略大于20mm），再將其中的兩團鋼絲棉分別用水、食鹽水濕潤。

（2） 取一個20mm×200mm的U型管，將一團干燥鋼絲棉塞到U型管的底部，然后向U型管內小心注入約占其容積1/5的剛冷卻的涼開水（注意不要讓水濺到U型管中上部的內壁上），隨后將U型管固定到鐵架臺上。

（3） 在U型管的右支管內，于水面上方5cm左右的位置塞入一團潮濕的鋼絲棉；在潮濕的鋼絲棉上方10cm左右的位置，塞入一包干燥劑（包在紗布里）；然后在干燥劑上塞入一團干燥的鋼絲棉。隨后，在右支管的管口塞緊一個橡皮塞。

（4） 在U型管的左支管里，與潮濕的鋼絲棉相對應的位置塞入一團用食鹽水浸濕的鋼絲棉；隨后在左支管的管口塞緊一個橡皮塞（確保裝置氣密性良好）。

（5） 大約5～7分鐘后觀察，發現U型管左支管內的液面略高于右支管內的液面。再過5～7分鐘后觀察，發現浸在涼開水中的鋼絲棉、干燥的鋼絲棉表面沒有明顯的變化；潮濕的鋼絲棉表面出現不明顯的紅褐色銹斑，鹽水浸濕的鋼絲棉表面出現明顯的紅褐色銹斑，并且U型管左、右支管內的液面差明顯增大。此時，如果手摸鹽水浸濕的鋼絲棉周圍的玻璃管外壁，感覺較熱；手摸潮濕的鋼絲棉周圍的玻璃管外壁，感覺微熱。

（6） 24h后繼續觀察，發現U型管左、右支管內的液面已基本持平，潮濕的鋼絲棉、鹽水浸濕的鋼絲棉表面都有較多的紅褐色銹斑（部分鐵銹脫落墜入U型管下部的水中），浸在涼開水中的鋼絲棉、干燥的鋼絲棉表面仍然沒有明顯變化。

（7） 實驗結束，拆解實驗裝置，整理實驗用品。

2.4實驗結論

（1） 浸沒在涼開水中的鋼絲棉、干燥的鋼絲棉一直沒有生銹，而潮濕的鋼絲棉生銹了，說明鋼鐵僅接觸水或氧氣不會生銹，同時接觸水和氧氣才會銹蝕。

（2） 對比潮濕的鋼絲棉、鹽水浸濕的鋼絲棉的生銹情況，以及U型管內液面的變化（左支管內的液面明顯高于右支管內的液面），說明鹽的存在會加快鋼鐵銹蝕的速率。

（3） 生銹的鋼絲棉周圍的玻璃管發熱，說明鋼鐵銹蝕伴隨能量的釋放。

（4） 最終U型管的兩個支管內的液面保持水平，說明左、右支管內的氧氣都已基本耗盡，即等質量的鐵在不同環境下進行吸氧腐蝕時所消耗氧氣的量（體積）是相等的。

2.5實驗優點

（1） 實驗裝置集成化，增強了實驗的對比性，使實驗由現象到結論更加順暢。

（2） 實驗試劑有所增加，實驗時間因此縮短，且現象明顯，提高了課堂教學效率和實驗教學的連續性。

（3） 實驗設計蘊含著一些定量數據，有利于培養學生的定量意識。

3檢驗二氧化硫氣體實驗

現行上海教育出版社義務教育教科書《化學》安排了“檢驗二氧化硫氣體”的實驗，有關的操作是： 劃燃火柴（或點燃蘸有硫粉的細木條）后，立即將燒杯倒扣在火焰上（裝置見圖5），

同時

振蕩下面燒杯里的高錳酸鉀溶液。

這樣操作起來很不方便，而且由于燒杯屬于寬口儀器，使得燒杯里聚集的二氧化硫很少，從而造成實驗現象不明顯[8]。如果使用蘸取硫粉的細木條代替火柴[9]，雖然產生的二氧化硫較多，但這樣極易造成環境污染。

另外，現行各種版本的普通高中課程標準實驗教科書《化學1（必修）》中，有關二氧化硫氣體的性質實驗，大多是單獨制取二氧化硫氣體，再進行有關的性質實驗，且多是試管實驗，設計上不夠環保，操作也較為復雜。

筆者使用U型管改進上述實驗，可以很好地揚長避短。

3.1實驗用品

15mm×150mm的U型管、配套的橡皮塞、鐵架臺、大功率（2000mw）的綠光激光筆（或凸透鏡）等；大頭火柴（取自賓館的工藝火柴）、酸性高錳酸鉀溶液或品紅溶液等

3.2實驗裝置

改進后的實驗裝置見圖6（夾持裝置略）。

3.3實驗操作

（1） 取一個15mm×150mm的U型管，向其底部注入適量的酸性高錳酸鉀溶液（液面略超過U型管底部的上管壁），然后將U型管固定到鐵架臺上。

（2） 取一個與U型管口配套的橡皮塞，在橡皮塞小頭的正面鉆一個大約1cm深度的小孔，然后將火柴梗插入小孔內。

（3） 按圖6所示，連接實驗裝置。

（4） 打開激光筆，旋轉調焦，使焦點落在火柴頭上；火柴頭很快引燃，反應放出的熱量及產生的氣體將U型管內的液體幾乎完全壓入右支管里，稍后液體回落，左、右支管里沒有明顯的液面差。

（5） 關閉激光筆，輕輕振蕩U型管，酸性高錳酸鉀溶液立刻褪為肉色或無色；然后從U型管的右支管口滴入適量的氯化鋇溶液，立刻產生白色沉淀。

（若是晴天，也可以使用凸透鏡聚焦引燃火柴頭）

（6） 若將酸性高錳酸鉀溶液更換為品紅溶液，在引燃火柴頭后，輕輕振蕩U型管，品紅溶液立刻褪為無色。

（7） 實驗結束，拆解裝置，整理實驗用品。

3.4實驗結論

（1） 火柴頭中含有三硫化二銻，其燃燒的產物有二氧化硫氣體。

2Sb2S3+9O2點燃2Sb2O3+6SO2

（2） 二氧化硫氣體能使酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液褪色，實驗現象很明顯，因此在初中化學里常用酸性高錳酸鉀溶液或品紅溶液檢驗二氧化硫氣體。

（3） 二氧化硫氣體能使品紅溶液褪色，說明二氧化硫氣體具有漂白性。

（4） 二氧化硫氣體能使酸性高錳酸鉀溶液褪色，且褪色后的溶液中滴加氯化鋇溶液產生白色沉淀，說明二氧化硫被高錳酸鉀氧化成SO2-4，即二氧化硫氣體具有還原性。

3.5實驗優點

（1） 實驗有趣、現象明顯，有利于激發學生學習化學的興趣。

（2） 二氧化硫氣體的產生與二氧化硫氣體性質實驗融為一體，體現了實驗的綜合性、簡約性。

（3） 實驗在封閉體系里進行，產生的二氧化硫氣體很少，因此實驗幾乎沒有污染。

4探究二氧化碳性質的實驗

現行各種版本的義務教育教科書《化學》中編排的二氧化碳性質實驗，有的操作復雜，如人教版是借助四朵石蕊紙花探究二氧化碳能與水反應生成酸[10]（實驗過程見圖7）的性質；有的則沒有體現探究性，如滬教版是直接將汽水中的二氧化碳氣體通入石蕊試液中來說明二氧化碳與水反應生成了酸。

筆者利用U型管對二氧化碳的性質實驗進行了優化。

4.1實驗用品

20mm×200mm的U型管、125mL的集氣瓶（實際容積約150mL）、簡易塑料漏斗（截取礦泉水瓶的前1/5制成）、鐵架臺、紗布條等；石蕊試液、二氧化碳氣體等

4.2實驗裝置

改進后的實驗裝置見圖8（夾持裝置略）。

4.3實驗操作

（1） 取一個500mL的礦泉水瓶，截取其前1/5，制成一個簡易塑料漏斗。

（2） 剪一條長約45cm、寬約2cm的棉紗布，將其放在紫色石蕊試液中浸濕，然后晾干備用。

（3） 將干燥的石蕊紗布條，每隔1～2cm用水濕潤，然后用玻璃棒將干濕相間的紗布條送入20mm×200mm的U型管里；再將塑料漏斗插入U型管的右支管內，隨后將U型管固定在鐵架臺上。

（4） 如圖8所示，將一瓶干燥的二氧化碳氣體緩慢注入塑料漏斗里。可以觀察到，U型管內干燥的石蕊紗布條不變色、潮濕的石蕊紗布條按照A→B→C→D的方向變紅，且AB段濕潤的紗布條變紅的速率最快，CD段濕潤的紗布條變紅的速率最慢。

（5） 等到濕潤的紗布條全部變紅后，將其從U型管里取出。如果氣溫較高，稍微抖動紗布條[11]，紅色就會消失并恢復到紫色；如果氣溫較低，可用電吹風對著紗布條吹熱風，紅色也會很快褪去并恢復到紫色。

（6） 實驗結束，拆解裝置，整理實驗用品。

4.4實驗結論

（1） 二氧化碳氣體緩慢注入塑料漏斗后，漏斗下方濕潤的石蕊紗布條能很快變紅色，說明二氧化碳氣體在空氣中傾倒后能很快地大量下沉，說明二氧化碳氣體的密度比空氣大[12]。

（2） 干燥的石蕊紗布條不變色，濕潤的石蕊紗布條變紅色，該實驗現象說明二氧化碳不能使石蕊變色、水也不能使石蕊變色，二氧化碳與水反應的生成物能使石蕊變紅色。

（3） 潮濕的石蕊紗布條按照A→B→C→D的方向逐漸變紅，形象地說明二氧化碳氣體能像液體那樣流動。AB段濕潤的紗布條變紅的速率比CD段濕潤的紗布條變紅的速率快，再次說明二氧化碳氣體密度比空氣大。

（4） 變紅的紗布條暴露在空氣中，通過抖動或吹熱風，紅色就會褪去，說明碳酸不穩定。

4.5實驗優點

（1） 實驗設計巧妙，充滿趣味性、直觀性、簡約性和綜合性。

（2） 實驗裝置、石蕊紗布條等可以反復使用，降低了實驗成本。

（3） 優化的實驗方案，現象明顯，提高了實驗教學效率，激發了學生的創新思維。

5 結束語

借助U型管改進和設計化學實驗，豐富了實驗裝備，積累了教學資源，挖掘了常規儀器的教學功能，拓寬了化學實驗創新的途徑。創新的U型管實驗不僅適合課堂教學，也適用于課外的研究性學習。如果引導學生參與設計U型管實驗，能培養學生敢于質疑的精神，發展學生的理性思維，使他們認識到“創新永無止境”。

依托創新的U型管實驗開展科學探究活動，既激發學生學習化學的興趣及對實驗探究的好奇心，也促進學生感悟科學方法、實驗研究對化學學習的重要性，有利于學生逐步養成注重實證、嚴謹求實的科學態度，也培育了學生的探索精神、定量思維、簡約習慣及環保意識等。

總之，U型管用于化學實驗的幾個案例，不僅充分體現了“一器多用”的創新意識，也較好地發揮了化學實驗“立德樹人”的育人功能[13]。

參考文獻：

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[3]周萬成.U型管在中學化學實驗教學中的妙用[J].實驗教學與儀器， 2012，（2）： 36～37.

[4]莊山，任慧，吳頻慶.惟變所出，萬變不從——U型管在初中化學實驗中的創新應用四則[J].化學教與學， 2017，（4）： 90～92.

[5]李德前.例談初中化學實驗創新的思維方法[J].化學教學， 2013，（3）： 65～68.

[6]李德前.“氨分子擴散”實驗綠色化設計[J].化學教育， 2008，（6）： 64.

[7]朱紅杰，秦光獻.鐵釘銹蝕條件的探究實驗改進[J].中國現代教育裝備， 2016，（12）： 47～49.

[8]李德前，杜玉芬.巧用長柄V形玻璃管改進和設計化學實驗[J].化學教學， 2013，（8）： 41～43.

[9]中學化學國家課程標準研制組.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級下冊）[M].上海： 上海教育出版社， 2015： 108.

[10]李德前.二氧化碳性質實驗的綜合設計[J].化學教育， 2008，（10）： 49.

[11]馬逸群.二氧化碳性質實驗的組合設計[J].化學教學， 2011，（4）： 46～47.

[12]李德前.由燭火熄滅“異常”引發的思考——兼與何燦華老師商榷[J].基礎教育課程， 2008，（7）： 34～35.

[13]馬逸群，宋志貴，魏海，李德前.提高化學實驗教學有效性的實施策略研究[J].教育與裝備研究， 2017，（9）： 64～67.