借助長柄V形玻璃管的化學實驗創新

摘要 針對人教版和仁愛版教科書中“物質燃燒的條件”實驗設計存在的不足之處，從不割裂實驗本身和培養學生“科學態度與責任”的視角出發，利用自制長柄V形硬質玻璃管和注射器等實驗用品設計密閉裝置，進行一體化實驗創新設計。再利用長柄V形硬質玻璃管和注射器等儀器設計密閉裝置，在進行銨態氮肥的檢驗實驗創新設計的基礎上，完成氯化氫和氨氣混合產生白煙實驗和分子不斷運動實驗，從而放大實驗的效益，體現實驗設計的一體化、綠色化思想。

關鍵詞 長柄V形硬質玻璃管? 物質燃燒的條件? 銨態氮肥的檢驗? 一體化實驗創新

引用格式 胡巢生.借助長柄V形玻璃管的化學實驗創新[J].教學與管理，2022（19）：60-62.

《普通高中化學課程標準（2017年版）》將“科學態度與社會責任”列為學科核心素養之一，要求學生具有安全意識和嚴謹求實的科學態度，具有探索未知、崇尚真理的意識;提出培養實驗安全、環境保護意識以及科學態度等學業要求[1]。人教版和仁愛版教科書中“物質燃燒的條件”的實驗設計，將紅磷、白磷置于開放環境中，白磷燃燒產生大量白煙;滬教版教科書中“銨態氮肥的檢驗”實驗設計在敞口試管中進行，氨氣直接逸散。這兩個實驗設計不僅造成室內環境污染，影響師生身體健康，而且造成學生對化學學科本身產生不良的印象，不利于培養學生的“科學態度與責任”素養。筆者認為實驗教學不僅應注重培養學生的實驗知識和技能，而且應注重培養學生的實驗思維和方法、實驗情意和品性。因此，受李德前老師長柄V形硬質玻璃管作用的啟發[2]，嘗試對長柄V形硬質玻璃管進行再設計。其中長柄直徑約1cm，長度約12cm，每側支管的長度分別約5cm和4cm，V形管的彎曲度約為45°（如圖1）。嘗試利用該實驗儀器和注射器等儀器組裝密閉裝置，對上述兩個實驗進行創新設計。

一、實驗一：物質燃燒的條件

“物質燃燒的條件”是《義務教育化學課程標準（2011年版）》規定的8個“學生實驗活動”之一。人教版教科書的實驗設計更加關注實驗安全，僅保留“燃燒的條件”實驗中使用白磷，可見這個實驗設計之經典！該實驗設計為學生正確理解物質“燃燒條件”提供了必要的和充分的認識。水既能隔絕氧氣，又有提供溫度至白磷的著火點的作用[3]，如圖2所示。但該實驗存在白磷燃燒產生大量白煙，白磷在水中不固定，通入氣體容易漂浮或游動，水溫過高易導致熔化等問題，給實驗操作帶來一定的難度。仁愛版教科書則利用倒扣的漏斗對水下白磷的燃燒進行了優化[4]，如圖3所示。

筆者選用自制長柄V形硬質玻璃管、50mL注射器、氣球、橡膠塞等組裝密閉裝置，依舊選取白磷和紅磷作為反應物，通入氧氣，熱源改為酒精燈加熱。學生可以在短時間內清晰地觀察到實驗現象，通過對比分析，邏輯推理過程，最終能夠準確地得出燃燒需要的3個條件。該實驗設計不僅承擔了演示功能，而且培養了學生“實驗探究與創新意識”“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養。

1.實驗儀器及藥品

長柄V形硬質玻璃管、酒精燈、鐵架臺、橡膠塞、50mL注射器、O2氣囊、氣球、鑷子、帶旋塞的導氣管、玻璃棒、脫脂棉球、細沙;白磷、紅磷、銅片、蒸餾水、O2、5%NaOH溶液等。

2.實驗裝置、操作方法和實驗現象

（1）連接裝置，如圖4所示。關閉導管旋塞，推動注射器活塞，氣球鼓起，一段時間不變癟，說明裝置氣密性良好。向長柄V形硬質玻璃管底先塞入一團鐵絲棉，并用玻璃棒將其移至V形硬質玻璃管底偏右側，以防止通入氧氣時白磷游動。再加入少量細沙和少量蒸餾水至液面略高于上管壁。迅速投入1枚半顆綠豆大小的白磷顆粒并沒入水中，兩端塞上帶導管的塞子。長柄端導管用氣球密封，并插入50mL裝有氧氣的注射器。短柄端帶旋塞的導管與氧氣氣囊連接，導管另一端剛好位于白磷的上部。向長柄V形硬質玻璃管的長柄口塞入一小團蘸有5%NaOH溶液的脫脂棉球至交接處，在長約8cm的貼合玻璃管的凹型銅片擋板兩側分別放一小堆干燥的紅磷和1枚半顆綠豆大小的白磷顆粒，迅速塞入長柄端中部，再塞入一小團蘸有5%NaOH溶液的脫脂棉球。

（2）用酒精燈對長柄V形硬質玻璃管長柄端進行均勻預熱，再對準紅磷與白磷的中間部位集中加熱，同時緩緩擠壓注射器活塞，使進入的氧氣先通過紅磷，再到白磷，紅磷無明顯變化，白磷卻劇烈燃燒;停止推入氧氣，白磷逐漸停止燃燒。說明當溫度達到白磷的著火點，且與氧氣接觸時，可以燃燒。

（3）待裝置冷卻至室溫，打開旋塞，擠壓O2氣囊向冷水中的白磷中通入氧氣，冷水中白磷無明顯變化。說明溫度達不到著火點，可燃物雖與氧氣接觸，也不會燃燒。

（4）點燃酒精燈，先預熱長柄V形硬質玻璃管底部，再集中白磷部位進行加熱，白磷熔化并附著于細沙表面，打開帶旋塞的導管的活塞，從O2氣囊中緩緩鼓入氧氣與白磷充分接觸，白磷立即被點燃并持續燃燒;停通氧氣，水回流浸沒白磷，白磷立即熄滅。說明與氧氣接觸是可燃物燃燒的一個必要條件。

（5）實驗結束拆開裝置，清洗、整理儀器;如果白磷有殘留，可以向實驗廢液里加入適量的硫酸銅溶液或酸性高錳酸鉀溶液。

3.實驗改進的優點

（1）利用銅片的良好導熱性，確保受熱均勻，中間的擋板可有效地防止白磷燃燒濺出而引燃紅磷，保證了實驗的安全有效性。長柄端兩側的氫氧化鈉溶液可以有效地吸收白磷燃燒生成的白煙。氣球具有緩沖氣壓和防白煙進入空氣的作用。

（2）實驗操作時間適宜，條件變量控制較好。將三個實驗合為一體和密閉裝置的設計，實現了實驗設計的一體化、綠色化，增強了實驗的環保性、趣味性、對比性。

（3）V形管的彎曲度約為45°的設計，鐵絲絨和細沙的加入，一定程度上既可以有效地阻止白磷隨水流動，又可以使液態白磷附著在細沙表面，限制白磷的游動，也便于將熱源設置為盛有80℃熱水的燒杯。

二、實驗二：銨態氮肥的檢驗

為了檢驗銨態氮肥，若干版本教科書都設計了類似于滬教版教科書“活動與探究”安排的實驗設計：把少量硫酸銨放在試管中，加入3mL氫氧化鈉溶液，在酒精燈上微熱，把濕潤的紅色石蕊試紙放在試管口，觀察試紙顏色變化[5]。該實驗為敞口設計，氨氣直接散逸至空氣中，有刺鼻的氣味，對班級的空氣環境和師生的健康都會造成一定的影響。為了解決這一難題，筆者設計密閉實驗裝置，同時將該實驗與滬教版教科書中的“兩種無色氣體——氯化氫和氨氣混合產生白煙”實驗和“分子不斷運動”實驗合為一體，最大限度地放大了實驗的效益。既實現了三個實驗完美的結合，又實現了反應產物氨氣的有效去除，可謂一箭三雕。

選用長柄V形硬質玻璃管、10mL注射器、氣球、橡膠塞等組裝密閉裝置，依舊選取硫酸銨和氫氧化鈉溶液作為反應物，酒精燈加熱，實驗結束后，輕輕推動注射器活塞，注入少量濃鹽酸至脫脂棉上，觀察到有白煙產生，且白煙逐漸由長管口向內逐漸蔓延。學生可以在短時間內不僅觀察到氨氣能使紅色石蕊試紙變藍的實驗現象，同時利用加入脫脂棉上的濃鹽酸，有效地完成了氯化氫和氨氣混合產生白煙的實驗和分子不斷運動實驗。

1.實驗儀器和藥品

長柄V形硬質玻璃管、酒精燈、鐵架臺、橡膠塞、10mL注射器、氣球;紅色石蕊試紙、蒸餾水、NH4Cl、濃鹽酸、NaOH溶液等。

2.實驗裝置、操作方法和實驗現象

（1）連接裝置，如圖5所示。推動注射器活塞，氣球鼓起，一段時間不變癟，說明裝置氣密性良好。向長柄V形硬質玻璃管底先加入少量NH4Cl固體，兩端塞上帶導管的塞子。長柄端導管用氣球密封，短柄端塞子上插入裝有NaOH溶液的10mL注射器，長柄V形硬質玻璃管的長柄內上部用不干膠固定一塊約5cm長濕潤的紅色石蕊試紙。

（2）稍用力擠壓注射器活塞注入少量NaOH溶液，用酒精燈預熱長柄V形硬質玻璃管底部，再對準藥品部位微熱，觀察到氣球稍許漲大，濕潤的紅色石蕊試紙向右較快地變成藍色。說明NH4Cl固體與NaOH溶液混合共熱后放出氨氣。

（3）推動長柄端注射器活塞，將少量濃鹽酸推至脫脂棉上，片刻，觀察到有細小的氯化銨固體顆粒分散形成白煙，且逐漸由長管口向內蔓延直至充滿玻璃管，濕潤的石蕊試紙開始向左較快地由藍色變成紅色，并且白煙越來越多。說明氨分子、氯化氫分子都在不斷地運動，兩種無色氣體——氯化氫和氨氣混合產生了NH4Cl白煙[6]。

3.實驗改進的優點

（1）采用密閉裝置進行實驗，將產生的氨氣密封在裝置內，紅色石蕊試紙變色明顯，基本杜絕了有害氣體的排放。氣球具有緩沖氣壓、防氨氣逸出的作用。

（2）實驗試劑用量大大減少，降低了實驗藥品損耗，將滬教版教科書中的“氯化氫和氨氣混合產生白煙的實驗”“分子不斷運動實驗”集成于一體[7]。提高了氨氣的利用率，解決了實驗的污染問題，實現了實驗設計的一體化、集成化、綠色化。

（3）濕潤的紅色石蕊試紙由紅變藍，再由藍變紅，這一變化過程增強了實驗的效果，放大了實驗的效益，活躍了課堂的氣氛，激發了學生的學習熱情，拓展了學生的思維，對于培養學生的實驗安全和環保意識等“社會態度與責任”素養將大有裨益。

化學實驗對培養并發展學生的科學思維、科學品質具有不可替代的作用，實驗創新來自教師孜孜以求的學習態度、競競業業的實踐積累、不斷創新的思維品質、研究實證的科學精神。因此，教師應從學生關鍵能力發展、必備品格形成和正確價值觀念培育的教學取向出發，在遵循科學性、可行性、安全性、人文性等原則的指引下，注重運用科學思維能力和科學探究能力，使得化學創新實驗有更合理的方案、更科學的裝置、更適合的步驟、更有效的證據、更全面的分析推理，獲得更嚴謹的實驗結論，多層面充分發揮實驗在化學教學中的教育功能和教學價值，實現學生實驗觀念、實驗思想乃至化學實驗文化的形成與培育，進而達成培養學生的科學思維、科學方法、科學態度與價值觀等目標。

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2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2018：7，57.

[2] 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（08）：41-43.

[3] 王晶，鄭長龍，主編.義務教育教科書·化學（九年級）（上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012：129-130.

[4] 沈怡文，陳德余，主編.義務教育教科書·化學（九年級）（上冊）[M].北京：科學普及出版社，2012：82-83.

[5][7] 王祖浩，王磊，主編.義務教育教科書·化學（九年級）（上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：58，11.

[6] 胡巢生.例談注射器在初中化學實驗中的使用[J].化學教學，2018（05）：65-67+97.

【責任編輯? ?郭振玲】