雙連試管在中學化學實驗中的創新設計

姚亮發 張賢金 戴圣蓉

摘要：?對中學化學三個不同版本的初中及高中必修教材中的“銅與濃硫酸反應”“分子在不停運動”“氨氣與氯化氫反應”等三個實驗進行分析并做了改進。用雙連試管替代現行教材中的實驗裝置，充分利用雙連試管構造上的特點，從試劑用量、裝置設計和尾氣處理等方面對原實驗裝置進行了改進及探究。改進后的實驗可以減少試劑用量、縮短反應時間，有助于培養學生的探究能力及學科素養。

關鍵詞：?雙連試管;?濃硫酸性質;?分子運動;?氨氣性質;?實驗改進

文章編號：?1005-6629（2021）09-0072-04

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

初、高中化學不同版本教材中有部分氣體實驗需要在課堂上演示，而這些氣體中有的有較強的刺激性，有的則屬于有毒氣體。由于受到實驗裝置和教室條件的限制，導致實驗過程有部分氣體逸散到教室中，污染了環境。雙連試管[1]由兩支試管組成，試管中上部由玻璃導管連接，試管與試管是互通的。筆者充分利用雙連試管構造上的特點，對人教版、蘇教版的初、高中化學教材的三個氣體實驗作了改進與創新，克服了原教材實驗設計上的不足。新裝置不僅減少了試劑用量、縮短了反應時間、解決了氣體逸散等問題，還能使實驗現象更加明顯，起到了事半功倍的效果。

1??銅與濃硫酸反應

1.1??改進背景

蘇教版高一《化學（必修第一冊）》教材（2020年版）上設置有“銅與濃硫酸反應”的實驗（裝置如圖1所示）。該設計在實際教學中存在以下不足：?（1）該實驗反應物用銅片，沒辦法隨時控制反應的發生與停止，即使移走酒精燈后還會繼續反應一段時間;（2）生成的二氧化硫氣體與品紅溶液和紫色石蕊溶液反應實驗要分兩次來做，操作上不夠簡練;（3）實驗完成后容易造成液體倒吸現象;（4）尾氣雖然通過氫氧化鈉溶液進行處理，但實驗中仍然會聞到強烈的刺激性氣味，說明尾氣吸收很不完全，逸散到空氣中對教室造成污染。

1.2??改進思路

該實驗有不少同仁作了改進[2，3]，這些改進雖然具有一定的優點，但還存在裝置不夠簡練等問題。筆者從綠色化學以及便于操作的角度設計該實驗，將其改進成全封閉體系，使二氧化硫氣體與品紅溶液、紫色石蕊溶液反應以及尾氣處理一次性完成，縮短了反應時間，使操作更簡便、裝置更環保，能有效防止教室環境的污染。

實驗用品：?鐵架臺（帶鐵夾），酒精燈，18mm×160mm規格的雙連試管，粗銅絲，軟膠塞，80%的濃硫酸，品紅溶液，紫色石蕊溶液，5%的氫氧化鈉溶液，濾紙條，棉花團實驗裝置如圖2所示。

1.3??實驗步驟及操作要點

（1）?用剪刀剪2條0.5cm×6.0cm規格的濾紙條，分別浸泡在紫色石蕊溶液和品紅溶液中（可提前浸泡），取出后分別放在干燥的濾紙上吸去水分，使濾紙條豎立起來不會有水滴流出。

（2）?將紫色石蕊溶液、品紅溶液潤濕過的濾紙條并排粘貼在雙連試管的中上部，將雙連試管固定在鐵架臺上。

（3）?用滴管吸取2～3mL?80%左右的濃硫酸，小心滴入雙連試管中（建議不用98%的濃硫酸，用98%的濃硫酸容易產生黑色物質和灰白色沉淀物，且反應后溶液顏色常常不顯藍色）。

（4）?將粗銅絲穿過軟膠塞，粗銅絲下端繞成螺旋狀，將軟膠塞塞緊試管口。

（5）?先將棉花團塞緊雙連試管的另一個試管口，再用滴管吸取5%氫氧化鈉溶液將棉花團潤濕。

（6）?推動銅絲，使銅絲下端的螺旋狀部分浸入濃硫酸中，無氣泡產生。點燃酒精燈加熱，隨著濃硫酸溫度的上升，銅絲表面產生氣泡，溶液由無色逐漸變成藍色。

（7）?觀察到紫色石蕊溶液浸泡過的濾紙條逐漸變成紅色，說明二氧化硫具有酸性，品紅溶液浸泡過的濾紙條逐漸褪色，說明二氧化硫具有漂白性。

（8）?移走酒精燈，向上提拉銅絲，反應立即停止，多余的二氧化硫氣體被試管口棉花團中的氫氧化鈉溶液吸收，防止空氣污染。

1.4??裝置創新點

（1）新裝置采用一體化設計，二氧化硫的酸性、漂白性兩個性質實驗短時間內一次性完成，實驗操作十分簡練。（2）用銅絲代替銅片，可隨時控制反應的發生和停止，有效減少多余二氧化硫的生成。（3）實驗過程不會造成液體倒吸現象。（4）用氫氧化鈉溶液潤濕的棉花團吸收二氧化硫氣體，過程中沒有聞到刺激性氣味，說明尾氣處理效果良好，有效防止了教室空氣污染，體現了環保理念，培養了學生的環保意識。

2??分子在不停運動

2.1??改進背景

人教版九年級《化學（上冊）》（2012年版）教材上有“分子在不停運動”的實驗設計（裝置如圖3所示）。該設計在實際教學中存在以下不足：?（1）消耗的藥品量過多（燒杯中加入5mL濃氨水），產生強烈的刺激性氣味影響到學生聽課;（2）實驗過程所需時間較長，從開始到可觀察到實驗現象約需要3～4分鐘;（3）無法移動，實驗的可視度不夠。

2.2??改進思路

該實驗改進已有不少報道[4，5]。筆者在不影響實驗現象可見度的情況下，采用雙連試管重新設計實驗，使濃氨水的用量減少，并將教材中的敞口實驗改成密閉裝置，從源頭上防止氨氣逸出，有效避免了教室環境的污染。

實驗用品：?鐵架臺（帶鐵夾），18mm×160mm規格的雙連試管，1mL規格的注射器，濃氨水，無色酚酞溶液，軟膠塞，濾紙條，棉花團實驗裝置如圖4所示。

2.3??實驗步驟及操作要點

（1）?用剪刀剪一條1.5cm×6.0cm規格的濾紙條，用滴管吸取無色酚酞溶液將濾紙條潤濕，將濾紙條粘貼在雙連試管的中上部。

（2）?用注射器吸取0.2mL的濃氨水，將注射器穿過軟膠塞并塞緊試管口，再將雙連試管固定在鐵架臺上。

（3）?將棉花團塞緊雙連試管另一個試管口，用滴管吸取水將棉花團潤濕。

（4）?輕推注射器，將注射器中的濃氨水注入試管中。3～5秒時間，即觀察到雙連試管中上部的濾紙條從下往上逐漸變成紅色，該實驗現象說明分子在不停地運動。

（5）?多余的氨氣被試管口棉花團中的水吸收，防止空氣污染。

2.4??裝置創新點

（1）新裝置與教材實驗相比，藥品用量減少，濃氨水只需0.2mL，而教材實驗需要5mL。（2）實驗時間短，3～5秒鐘即可觀察到實驗現象，教材實驗需要3～4分鐘。（3）實驗現象清晰可見，而教材實驗因液面低，不易觀察。實驗設計將酚酞溶液改成豎放的用酚酞溶液潤濕的濾紙條，提高了實驗的可見度。（4）裝置設計環保，有效防止空氣污染。

3??氨氣與氯化氫反應

3.1??改進背景

人教版高一《化學（必修第一冊）》（2019年版）教材上有“氨氣與氯化氫反應”的實驗設計。該設計在實際教學中存在以下不足：?（1）玻璃棒蘸取的濃鹽酸、濃氨水容易滴在講臺桌上，腐蝕講臺桌面;（2）由于教師雙手拿著玻璃棒，使打開的濃鹽酸、濃氨水瓶無法及時蓋上，實驗過程中氯化氫、氨氣以及反應生成的氯化銨均逸散到空氣中，對教室造成污染。

3.2??改進思路

分析教材和同仁已有的改進案例[6]，筆者在確保不影響實驗現象觀察的情況下，從實驗可操作性和防止教室污染的角度重新設計實驗，將敞口實驗改成密閉裝置，使實驗操作簡單有序、現象明顯，有效防止教室環境的污染。

實驗用品：?鐵架臺（帶鐵夾），18mm×160mm規格的雙連試管，膠頭滴管，單孔軟膠塞，濃鹽酸、濃氨水實驗裝置如圖5所示。

3.3??實驗步驟及操作要點

（1）?將雙連試管固定在鐵架臺上。

（2）?打開濃氨水，取一支膠頭滴管，吸取1mL左右的濃氨水（可根據實驗班級數調整試劑用量），蓋緊瓶蓋。將滴管穿過軟膠塞，將軟膠塞塞緊雙連試管的試管口。

（3）?打開濃鹽酸，另取一支膠頭滴管，吸取1mL左右的濃鹽酸（可根據實驗班級數調整試劑用量），蓋緊瓶蓋。將滴管穿過軟膠塞，將軟膠塞塞緊雙連試管另一個試管口。

（4）?分別同時在雙連試管中滴入2～3滴濃氨水和濃鹽酸，2～3秒鐘后即觀察到滴濃鹽酸的試管中產生白煙，由淡逐漸變濃。

該實驗現象說明分子在不停地運動，當氨氣遇到氯化氫氣體時生成了氯化銨固體，相對分子質量小的分子比相對分子質量大的分子運動速度更快。

（5）?更換新的雙連試管，再分別滴入2～3滴濃氨水和濃鹽酸，又會產生相同的實驗現象。

3.4??裝置創新點

（1）該裝置操作有序，白煙由淡變濃，實驗現象清晰可見，說明分子在不停地運動，且白煙保留時間更長久。（2）將教材中的敞口實驗改成密閉實驗，裝置設計更環保，有效防止空氣污染。（3）準備一次可重復多次實驗，只需更換新的雙連試管，1mL的試劑量可在多個任教班級做相同的實驗。

綜上所述，教師在教學實踐中充分利用雙連試管構造上的特點，對教材中的幾個氣體實驗進行了重新設計，可以減少化學試劑的用量，避免有害氣體的污染，有利于培養學生的探究能力及學科素養。

參考文獻：

[1]黃福祥.?雙連試管在化學實驗中的應用[J].?化學教育，?2005，?（1）：?57～58.

[2]魏崇啟.?濃硫酸與銅反應實驗的創新改進[J].?化學教學，?2012，?（9）：?47～49.

[3]李亮.?實驗教具改進及創新的相關思考——以“銅和濃硫酸反應”若干實驗改進為例[J].?教育與裝備研究，?2019，?（7）：?37～39.

[4]朱玉忠，?李德前.?探究微粒運動實驗的新設計[J].?化學教學，?2016，?（1）：?67～69.

[5]郭濤.?巧設變式實驗裝置探究分子運動現象[J].?化學教學，?2019，?（9）：?72～74.

[6]周卓娜.?氨氣與氯化氫反應實驗的改進[J].?實驗教學與儀器，?2013，?（7/8）：?51～52.