“封管變色實驗”在中學化學教學中的應用

吳冰玉 丁偉

摘要：封管實驗是一種將化學物質密封于封閉容器內的實驗，具有綠色化、省時、便利等多種優點。利用物質的溶解性、酸堿性等性質，設計了幾個有趣的封管變色實驗，介紹了其原理、操作方法等，并介紹了封管實驗應用于化學教學的案例。

關鍵詞：封管實驗;變色實驗;化學教學

文章編號：1008-0546（2019）06-0095-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.028

一、研究背景

封管又名安瓿瓶，是一種密閉的容器，常常利用酒精噴燈將軟質試管的管口進行熔融封閉制得，也可在市場上購買。把化學物質密封于試管中進行的實驗即為封管實驗。由于封管實驗的封閉體系特點，因此，利用封管實驗可以在中學實驗教學中進行一些有毒氣體的演示實驗，例如二氧化硫的漂白實驗。此外，封管實驗中的藥品由于無法逸散，往往可以長期存放，并且可反復利用，且重復實驗時無需準備。

化學是一門基于實驗的自然科學，在化學教學的過程中，往往要先進行實驗的宏觀現象的演示，學生才能根據宏觀現象對所探究的相關物質的性質與應用等知識有更加深入的理解與辨析。化學實驗中繽紛的色彩變化可以給學生帶來視覺享受，引發他們的遐想與思考。通過設計有趣的變色實驗，可以啟迪學生，提升學生的化學學習興趣。封管可以重復多次利用，大大節約試劑與藥品，且有效防止了有毒氣體的外泄。通過綠色化的封管實驗進行教學，更能培養學生的綠色意識。

二、幾種變色封管實驗

本研究利用封管的封閉、綠色化等特點，利用物質的溶解性差異、酸堿性、晶體結構等性質，設計了幾則封管變色實驗。

1.“結晶樹”的消失

（1）實驗原理

硝酸鉀固體的溶解度隨溫度變化較大，在低溫時溶解度較小，在溫度達到40度以上時大幅增加。硫酸銅固體的溶解度隨著溫度的變化，并不像硝酸鉀固體一樣呈現大幅度的提升，利用硝酸鉀與硫酸銅在高溫時溶解度的不同，就可以制作“晶體樹”，將該晶體樹置于封管之中，可以重復利用。加熱封管，溶液溫度升高，硝酸鉀的溶解度升高，“晶體樹”會逐漸消失，將封管冷卻，硝酸鉀的溶解度逐漸降低，便會形成過飽和溶液，又會重新生長出“晶體樹”。

（2）實驗儀器與試劑

安瓿瓶、藥匙、酒精燈、玻璃棒、CuSO4·5H2O晶體、KNO3晶體、自來水等。

（3）實驗步驟

稱取0.3g CuSO4·5H2O晶體和1.5g KNO3白色粉末，放入安瓿瓶中，再加入2.5mL自來水，加熱攪拌溶解，制得60℃下的飽和溶液。點燃煤氣燈，加熱安瓿瓶瓶口，用鑷子小心熔融封口，即制得“結晶樹”封管。靜置，待封管冷卻。點燃酒精燈，將封管置于酒精燈上加熱，觀察現象。再迅速將封管置于一盛有冷水的燒杯中，靜置片刻，觀察現象。

（4）實驗現象

該“結晶樹”封管置于冰水中冷卻后，可以看到有針尖狀的白色結晶析出，如圖1所示。用酒精燈加熱片刻后（加熱溶液至60%左右即可），結晶減少，最終消失，如圖2所示。迅速置于裝有冷水的燒杯中，一段時間后，可再次出現白色針狀結晶。

（3）實驗步驟

取一安瓿瓶，在瓶內加入0.4g NaHCO3晶體，再加入2.0mL蒸餾水，振蕩搖晃，制得飽和NaHCO3溶液（為了實驗效果可再加入少量的NaHCO3晶體）。滴入2-3滴酚酞溶液，搖晃安瓿瓶，瓶內的NaHCO3溶液變為淺粉色。點燃煤氣燈，利用煤氣燈外焰將安瓿瓶封口，制得變色封管。點燃酒精燈，將封管置于酒精燈上加熱片刻，觀察實驗現象;將加熱后的封管冷卻后，觀察現象，并重復幾次該步驟。

（4）實驗現象

封管原本由于弱堿性，滴入酚酞后呈現粉紅色，如圖3。將封管加熱，可以觀察到管內的淺粉色溶液顏色逐漸加深，轉變為紫紅色，如圖4。待冷卻后，顏色又再次變淺。重復加熱后，封管內的溶液顏色再次加深，冷卻后復原。該封管經實驗證明可以反復利用，并且可以長久保存。

（2）實驗儀器與試劑

軟質試管、藥匙、酒精燈、玻璃棒、滴管、100mL量筒、5%硝酸汞溶液、10%碘化鉀溶液、2%硝酸銀溶液、5%硝酸銅溶液、透明水溶性膠水、蒸餾水等。

（3）實驗步驟

取20mL 5%硝酸汞溶液于燒杯中，用滴管向硝酸汞溶液中加入10%碘化鉀溶液，開始有橙色的碘化汞沉淀生成，繼續滴加碘化鉀至沉淀消失。此時溶液中含有大量的四碘合汞酸根離子。將該溶液一分為二，一份滴加2%硝酸銀溶液至不再產生黃色沉淀為止;另一份滴加5%硝酸銅溶液至不再產生紅色沉淀為止。將上述兩種沉淀靜止，倒掉上層清液，注入蒸餾水傾析法洗滌2-3次。取適量制得的Ag2Hgh與CuHgL晶體沉淀分別置于兩個軟質試管中，利用煤氣燈將兩個軟質試管封口，即制得示溫涂料的變色封管。利用酒精燈分別將兩封管加熱片刻，觀察實驗現象，待冷卻后，再次觀察實驗現象。

（4）實驗現象

將黃色Ag2HgI4封管（如圖5）加熱片刻，可觀察到黃色的沉淀變為橙色（如圖6），冷卻后，橙色又復原為黃色。將另一裝有CuHgI4沉淀的橙色封管（如圖7）加熱，橙色的沉淀逐漸轉變為黑色（如圖8），將該封管冷卻，黑色沉淀又還原為紅色沉淀。

三、封管變色實驗在教學實踐中的應用

1.“結晶樹”封管應用于溶解度教學

“結晶樹”封管實驗可以作為一個良好的課堂導入環節，通過讓學生觀察結晶的生長的形象化教學，繼而引出溶解度、重結晶等概念，降低學生對抽象知識的理解的難度。

[導入]取制備好的“結晶樹”封管，讓學生觀察“結晶樹”的顏色與形狀。思考為什么會出現“結晶樹”？

[實驗演示]將封管置于酒精燈上加熱，請學生觀察實驗現象并總結實驗現象（結晶樹消失）。

[討論1]思考并小組交流討論出現上述現象的原因。

[實驗演示]再次加熱封管，待溶液中無較多顆粒時，迅速將封管置于冷水中，請學生觀察試管中的變化（結晶的生長）。

[討論2]讓學生思考并交流討論出現上述現象的原因。

[講述]與固體溶解度相關的因素。

在“金屬樹”的消失實驗中，通過呈現一顆藍色背景下的“白色金屬樹”的視覺效果，可以激發學生對溶解度曲線的學習興趣，改變以往的死記硬背的現象。

2.“粉變紫紅封管”應用于鈉的化合物性質教學

一般，在NaHCO3與Na2CO3兩者的性質異同對比的教學中，學生的概念理解往往僅止步于兩物質之間的轉化。而飽和NaHCO3溶液一酚酞的封管實驗中，涉及到了溶解平衡、電離平衡、水解平衡、NaHCO3與Na2CO3的性質等多個知識點的綜合應用。

[回顧]帶領學生簡單回顧已經學習過的碳酸氫鈉、碳酸鈉的物理性質（酸堿性、穩定性、溶解性等）。

[實驗演示]取已制取好的碳酸氫鈉一酚酞封管，讓學生觀察現象。將試管置于酒精燈上加熱片刻，觀察實驗現象。冷卻片刻后，再次讓學生觀察現象。

[討論]學生以小組的形式討論總結上述的三個現象，并選學生代表進行發言。

[提出問題]為什么封管加熱后會由粉色變為紫紅色？為什么冷卻后紫紅色會變淺？

[討論]學生以小組形式交流討論，探究封管變色復原的原因。

[講述]教師講述該封管變色的原理，使學生對本部分知識融會貫通。

通過一個有趣的變色、復原現象引起學生興趣，促使學生進一步探究其原理，帶給學生趣味性和視覺享受的同時，也能幫助他們更加全面系統地掌握化學學科中的重要知識點，做到融會貫通。

3.示溫涂料封管應用于晶體教學

Ag2HgI4與CuHgI4封管實驗可以作為晶體結構的教學中的一個導入環節，從宏觀世界的形象化的顏色轉化，讓學生理解物質的多樣性與微觀結構的關系以及晶體的結構特點。

[導入]利用兩個示溫涂料封管實驗進行導入。

[實驗1]取一Ag2HgI4晶體封管，置于酒精燈上加熱片刻，讓學生觀察實驗現象。迅速將封管置于冷水中，觀察顏色變化。

[提出問題]為什么Ag2HgI4晶體封管加熱后會從黃色變為橙色？為什么冷卻后，顏色又復原為黃色？

[交流討論]學生針對問題分組進行討論。

[講解]晶體具有規則的幾何外形，其內部結構呈現規則的重復排列。物質的結構決定性質，Ag2HgI4在常溫下為四方晶體，呈現為黃色，升溫到39℃后，轉變為立方晶體，該結構的Ag2HgI4為橙色。

利用一系列變色封管實驗，不僅在課堂上體現綠色化學的理念，其趣味性還可以激發學生的化學學習興趣。示溫涂料變色封管實驗，可以作為晶體結構內容的教學的導入環節。此外，還可豐富學生與生活相關的化學知識，了解示溫涂料的應用與原理。

四、總結和展望

本研究所設計的幾種變色封管實驗趣味性較強，可以在課堂上進行演示，激發學生的學習興趣，并且較為綠色環保，所制得的封管可以反復多次利用，并且每次使用前可節省較多進行實驗準備的時間。但本文中所探討的幾種變色封管實驗也存在一些限制性，在使用過程中不宜使溫度過高，否則會造成試管的炸裂。