一種可進行多項實驗革新的簡易實驗裝置

田琪

摘要：基于對實驗原理的深度理解，利用生活和實驗室中的常見物品，創新設計了一種液體與金屬反應生成氣體的簡易實驗裝置。在教學活動中應用該裝置，可對教材中多個化學實驗進行改進和革新，啟發學生創新設計多種實驗方案，形成系列金屬與溶液反應的案例，并可進行鐵的吸氧腐蝕、氫氧化亞鐵制備的創新實驗，極大地激發了學生的創造性和深度學習的熱情。

關鍵詞：實驗探究;實驗創新;鈉與水反應;吸氧腐蝕;氫氧化亞鐵

文章編號：1008-0546（2021）09-0090-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.023

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出重視開展“素養為本”的教學，倡導開展以化學實驗為主的多種探究活動，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力[1]。

基于在課堂教學中發現的問題，充分利用生活中的常見物品，基于科學性、實用性、綠色化的原則，設計富有特色的實驗和實踐活動，清晰呈現實驗現象，可引導學生深度理解實驗原理，激發學生的創造性。

筆者在多年教學實踐中，應用圖1所示的簡易實驗裝置，進行多項實驗創新取得成功，既簡化了操作過程，也增強了實驗現象，同時利于在課堂中開展探究性教學活動。

一、利用簡易實驗裝置進行鈉與水反應的創新實驗

1.教材中鈉與水反應的實驗

人教版教材中關于鈉與水反應[2]的實驗裝置如圖2（a）、圖2（b）。其缺點是（1）鈉與水反應與收集氣體的實驗需要分兩次實驗進行，（2）用鑷子夾包有鈉塊的鋁箔進行實驗時，鈉容易脫落入水中，且鋁箔在堿性條件下也會與水反應生成氫氣。

2.鈉與水反應的創新實驗

將該實驗利用圖1裝置進行創新改進，如圖3所示。

鈉與水反應創新實驗的操作：在橡皮塞上插一根大頭針（針頭朝下），用大頭針插取一小塊吸干煤油的金屬鈉，在塑料瓶中裝大半瓶水，實驗時，先打開止水夾，手指壓緊小孔并擠壓塑料瓶，使水沿玻管上升至全充滿，排盡導管中空氣，立即夾上止水夾（確保安全性）。此時鈉塊掉入管內的水中，可看到鈉熔化成小球并在水面上游動，產生的氫氣迅速充滿玻璃管的中上部。手指堵住塑料瓶小孔，打開止水夾，并點燃氫氣（擠壓力度的大小可控制火焰的大小）。玻璃管事先標有刻度，點燃前可直接讀取生成的氣體體積。

3.鈉與水反應的創新實驗優點

將兩次實驗集成為一次實驗，使操作更簡便，更易控制，同時節約了實驗時間。反應體系密閉且用排水法排盡管內空氣，使實驗更安全，同時可定量測定生成氣體的體積，方便直觀。

二、利用簡易實驗裝置進行鋁條與NaOH溶液或稀H2SO4反應實驗、銅絲與稀HNO3反應實驗

1.鋁條與NaOH溶液或稀H2SO4反應

裝置如圖4，在塑料瓶中加人大半瓶NaOH溶液或稀H2SO4，在玻璃管中放一卷鋁條，實驗時，先打開止水夾，手指壓緊小孔并擠壓塑料瓶，使溶液沿玻管上升至全充滿，排盡管中空氣，立即夾上止水夾。此時鋁條與溶液接觸發生反應，可看到產生的氫氣迅速充滿玻璃管的中上部。手指堵住塑料瓶小孔，打開止水夾，并點燃氫氣。

2.銅絲與稀HNO3反應

裝置如圖5，在塑料瓶中加入稀HNO3，在玻璃管中放一卷銅絲，實驗時，先打開止水夾，手指壓緊小孔并擠壓塑料瓶，使溶液沿玻管上升至全充滿，排盡管中空氣，立即夾上止水夾。此時銅絲與溶液接觸發生反應，可看到生成無色氣體，再打開止水夾，并輕輕松開小孔片刻，使適量空氣進入，管內氣體變為紅棕色。 上述實驗可觀察到無色NO氣體被氧化成紅棕色NO2氣體的過程，操作簡便，實驗效果好，現象明顯。

三、利用簡易實驗裝置進行鐵絲的吸氧腐蝕實驗

鐵絲的吸氧腐蝕實驗裝置如圖6所示，將鐵絲卷成螺旋狀放入玻璃管，檢查氣密性后，打開止水夾，擠壓塑料瓶，使鐵絲浸在食鹽水中一會兒，再吸入空氣，關閉止水夾，用紅線標記玻璃管中液面位置，放置一段時間后，觀察固體表面和液面讀數的變化，液面上升，說明發生了吸氧腐蝕。

四、利用簡易實驗裝置進行制備Fe（OH）2的實驗

將上端活塞處的尖嘴管換成廢舊酸式滴定管的一部分，制備Fe（OH）2實驗的創新裝置如圖7所示。

塑料瓶內的液體為稀硫酸，向玻璃管中壓人稀硫酸，使鐵絲與稀硫酸反應，制得FeSO4溶液和H2（作保護氣），再慢慢旋轉活塞，滴人NaOH溶液，可清楚地看到玻管中產生大量的白色沉淀且較長時間不變色。

五、結語

本研究性實驗利用生活和實驗室中常見的物品，從改進鈉與水反應的實驗到一系列金屬與溶液的反應，引導學生利用啟普發生器原理創新設計得到此簡易的實驗裝置，從定性和定量的角度優化實驗裝置，體驗了科學創新的樂趣。在教學中，可針對教材實驗設計的不足，啟發學生利用此裝置進行創新設計，使學生進一步熟悉氣體制備、檢驗、定量測定等基本操作，培養學生的團隊合作意識、綠色化的實驗理念和科學研究能力。極大地激發了學生的好奇心和想象力，激發學生深度學習的熱情，提高化學實驗創新設計能力、實驗操作能力，提升化學學科核心素養。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2

[2]化學課程教材研究發展中心.普通高中教科書（化學必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019：34

*本文系南京市教育科學“十三五”規劃重點課題“基于新課標的高中化學‘群師課堂建設的研究”（U2018/373）階段性研究成果。