用封底V形管進行較高溫度下的對比實驗
2024-01-16 05:36:31徐丹丹李德前周珊珊李為才
化學教學 2023年12期
徐丹丹 李德前 周珊珊 李為才
摘要：借助底部封隔的V形管設計了“探究溫度對微粒運動速率的影響”“驗證可燃物燃燒的條件”“比較金屬活動性強弱”和“比較蘇打與小蘇打的熱穩(wěn)定性”四個較高溫度下的對比實驗。新設計的實驗案例，簡化了操作、強化了對比、提高了實驗的趣味性，有利于發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)，提升化學實驗教學的有效性。
關(guān)鍵詞：耐熱材料；V形玻璃管；底部封隔；對比實驗
文章編號：10056629（2023）12007405
中圖分類號：G633.8
文獻標識碼：B
謝丹敏老師曾利用底部封隔的U形管做對比實驗，教學效果顯著［1］。但由于封隔材料使用了石蠟，所以該裝置只能進行常溫下的化學實驗。另外，由于U形管底部的彎曲結(jié)構(gòu)，致使對其底部進行封隔處理較為麻煩。
受謝丹敏老師的啟發(fā)，我們利用耐熱材料封隔V形管的底部，其主要操作是：
（1）截取適量的生料帶（耐熱溫度約為350℃），搓成球狀（直徑略大于V形管的口徑），再將其塞入V形管底部。
（2）借助細木棍或玻璃棒，將生料帶壓扁、壓實，使V形管底部被完全堵實（見圖1）。
（3）向左、右支管的底部，分別滴入足量的硅膠膠粘劑（耐熱溫度約為400℃），通過傾斜、轉(zhuǎn)動玻璃管，使生料帶表面被膠粘劑完全覆蓋，并使膠層厚度達到4mm左右。
（4）涂膠24h后，膠水達到最大強度，至此儀器就可以正常使用了。
使用耐熱材料封隔V形管底部所形成的改進裝置（見圖1），可以承受400℃左右的溫度，因此可以用它進行較高溫度下的對比實驗。
1 探究溫度對微粒運動速率的影響
現(xiàn)行人教版九年級化學教科書中編排了“品紅在水中擴散”的實驗，但僅是演示了品紅在常溫水中的擴散。后又補充描述“如果使用的是熱水，品紅的擴散會更快一些”［2］。現(xiàn)行滬教版九年級化學教科書中則沒有編排“有色物質(zhì)在水中擴散”的實驗，僅在課后習題中設置了如下問題“試解釋下列現(xiàn)象：將一滴紅墨水滴加到一杯水中，片刻后，整杯水慢慢變紅”［3］。顯然上述教科書中，均沒有安排有色物質(zhì)在冷水、熱水中擴散的對比實驗，這樣的教學設計稍顯枯燥。
我們借助底部封隔的V形管探究溫度對微粒運動速率的影響，凸顯實驗現(xiàn)象的對比，培養(yǎng)了學生對照、比較的實證意識。
1.1 實驗原理
構(gòu)成物質(zhì)的微粒總是在不斷地運動著，溫度越高，微粒運動速率越快。
1.2 實驗用品
底部封隔的V形管（支管口徑約為20mm，每個支管長約150mm，下同），藥匙，鐵架臺；品紅（或紅墨水），20℃冷水，80℃熱水
1.3 實驗裝置
借助底部封隔的V形管設計的實驗裝置，如圖2所示（夾持儀器略）。
1.4 實驗步驟
（1）取一個底部封隔的V形管，將其固定在鐵架臺上。
（2）先向左邊支管里注入30mL 20℃的冷水，再向右邊支管里注入30mL 80℃的熱水；用藥匙將等質(zhì)量的少量品紅同時投入冷水、熱水之中。剛開始，品紅漂浮于水面（因為品紅的密度比水小），隨后逐漸向水中擴散。
（3）在冷水中，品紅緩慢地向水中擴散，經(jīng)過120min左右擴散均勻，整個左支管內(nèi)的冷水完全變?yōu)榧t色，這說明構(gòu)成物質(zhì)的微粒很小、微粒在不斷運動著。在熱水中，品紅則快速擴散，大約3min，整個右支管內(nèi)的熱水全部變?yōu)榧t色，這同樣說明構(gòu)成物質(zhì)的微粒很小、微粒在不斷地運動著。
（4）對比上述實驗現(xiàn)象可知，在一定條件下，溫度越高，微粒運動的速率越快。
（5）實驗結(jié)束，整理實驗用品，指導學生完成實驗報告。
2 驗證可燃物燃燒的條件
現(xiàn)行人教版、滬教版九年級化學教科書中編排的“可燃物燃燒的條件”實驗［4，5］（裝置見圖3），銅片上的白磷是暴露在空氣中燃燒的，對環(huán)境不夠友好，不利于培養(yǎng)學生的環(huán)保理念。
我們借助底部封隔的V形管重新設計實驗裝置，改進了原實驗的不足。
2.1 實驗原理
白磷的著火點是40℃，如果白磷接觸到空氣或氧氣，并且溫度達到著火點，就會劇烈燃燒，有關(guān)反應的化學方程式是4P+5O2點燃2P2O5。五氧化二磷能被氫氧化鈉溶液吸收，有關(guān)反應的化學方程式是P2O5+6NaOH====2Na3PO4+3H2O。
2.2 實驗用品
底部封隔的V形管，雙孔橡皮塞，鑷子，導氣管，小氣球，鐵架臺；白磷，罐裝氧氣，20℃、80℃的自來水（水中溶有少量的氫氧化鈉）
2.3 實驗裝置
借助底部封隔的V形管設計的實驗裝置，如圖4所示（夾持儀器略）。
2.4 實驗步驟
（1）取一個底部封隔的V形管，將其固定在鐵架臺上。
（2）先向左邊的支管里注入20mL溶有氫氧化鈉的20℃冷水，再向右邊的支管里注入20mL溶有氫氧化鈉的80℃熱水。
（3）借助鑷子，將綠豆粒大小的兩塊白磷分別投入冷水、熱水中。隨即將插有導氣管、小氣球的橡皮塞分別塞到左右兩個支管口（確保裝置氣密性良好）；此時，冷水、熱水中的白磷均沒有燃燒。
（4）輕輕打開氧氣罐的旋塞，向左邊支管里緩慢通入氧氣，觀察到冷水中的白磷仍然沒有燃燒。再向右邊支管里緩慢通入氧氣，立即觀察到熱水中的白磷劇烈燃燒，并伴有淡黃色的火焰［6］。
（5）對比上述實驗現(xiàn)象可知，可燃物燃燒需要接觸氧氣并且溫度要達到著火點。
（6）實驗結(jié)束，整理實驗用品，指導學生完成實驗報告。
3 比較金屬活動性的強弱
有化學教師通過比較不同金屬與酸溶液反應的快慢來比較金屬活動性強弱，這是不科學的，因為金屬活動性強弱不是動力學問題，而是熱力學問題。如果比較金屬與酸溶液發(fā)生置換反應時放出熱量的多少，則可以確定金屬活動性的強弱［7］。
我們利用底部封隔的V形管探究比較金屬的活動性強弱，不僅現(xiàn)象明顯，而且結(jié)論可靠。
3.1 實驗原理
金屬鎂、鋁、鋅、鐵分別與鹽酸發(fā)生置換反應的化學方程式是：
Mg+2HCl====MgCl2+H2↑
2Al+6HCl====2AlCl3+3H2↑
Zn+2HCl====ZnCl2+H2↑
Fe+2HCl====FeCl2+H2↑
一定條件下，金屬與酸溶液發(fā)生置換反應時放出的熱量越多，其金屬活動性越強。
3.2 實驗用品
底部封隔的V形管，雙孔橡皮塞，注射器，溫度計，鑷子，鐵架臺；表面潔凈、外形完全相同的鎂片、鋅片、鐵片和鋁片（均過量），1∶4稀鹽酸
3.3 實驗裝置
借助底部封隔的V形管設計的實驗裝置，如圖5所示（夾持儀器略）。
3.4 實驗步驟
（1）取一個底部封隔的V形管，將其固定在鐵架臺上，然后向左、右兩個支管里分別注入約8mL稀鹽酸。
（2）用鑷子夾取長約5cm、寬約4mm的鎂片、鋅片，同時分別投入左、右兩個支管里，立即將插有溫度計、注射器的橡皮塞分別塞到支管口上（確保裝置不漏氣）。
（3）觀察到鎂片表面劇烈冒氣泡、溫度計讀數(shù)快速升高，鋅片表面較快地冒氣泡、溫度計讀數(shù)緩慢升高。反應結(jié)束，金屬鎂片、鋅片均有剩余，并且兩個注射器里收集的氣體一樣多。
（4）再用長約5cm、寬約4mm的鋁片、鐵片，重復實驗步驟（1）（2）（3）。觀察到鋁片表面快速冒氣泡、溫度計讀數(shù)快速升高，鐵片表面緩慢冒氣泡、溫度計讀數(shù)很慢地升高。反應結(jié)束，鋁片、鐵片均有剩余，并且兩個注射器里收集的氣體一樣多。
（5）上述實驗測得的溫度數(shù)據(jù)見表1。
比較表1的實驗數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，幾種金屬分別與相同的稀鹽酸反應時，金屬鎂的溫度變化最大，金屬鐵的溫度變化最小，金屬鋅的溫度變化大于鐵、小于鋁，所以這四種金屬的活動性由弱到強的順序是鐵、鋅、鋁、鎂。
（6）實驗結(jié)束，整理實驗用品，指導學生完成實驗報告。
4 比較蘇打與小蘇打的熱穩(wěn)定性
現(xiàn)行普通高中化學教科書在比較蘇打、小蘇打的熱穩(wěn)定性時，采用先、后加熱蘇打、小蘇打的方法，這樣操作對比性不強。一些化學教師采用套管實驗比較蘇打、小蘇打的熱穩(wěn)定性（裝置如圖6所示），雖然實驗的對比性很強，但裝置組裝起來非常繁瑣［8］，導致很多化學教師放棄了該實驗。
我們借助底部封隔的V形管探究比較蘇打、小蘇打的熱穩(wěn)定性，不僅裝置簡單，而且對比鮮明。
4.1 實驗原理
蘇打受熱難以分解，而小蘇打稍微受熱（100℃以上）就能分解，有關(guān)反應的化學方程式是2NaHCO3△Na2CO3+H2O+CO2↑。
4.2 實驗用品
底部封隔的V形管，藥匙，小氣球，火柴，酒精燈，鐵架臺；蘇打，小蘇打
4.3 實驗裝置
借助底部封隔的V形管設計的實驗裝置，如圖7所示（夾持儀器略）。
4.4 實驗步驟
（1）取一個底部封隔的V形管，用藥匙向左邊的支管里加入1.5g小蘇打，向右邊支管里加入1.5g蘇打，然后將V形管固定在鐵架臺上。
（2）將兩個大小合適的小氣球，分別套接在左、右兩個支管口（確保裝置不漏氣）。
（3）點燃酒精燈，將外焰對準V形管底部的藥品加熱1～2min，很快觀察到左邊支管口上的小氣球緩慢膨脹起來，并且支管的內(nèi)壁出現(xiàn)水霧；右邊支管口上的小氣球僅有輕微的鼓起，支管內(nèi)壁沒有出現(xiàn)水霧。停止加熱，待V形管恢復到室溫，觀察到左邊的小氣球大小不變，右邊的小氣球恢復原狀（說明原先的鼓起是受熱膨脹）。
（4）對比上述實驗現(xiàn)象可知，小蘇打熱穩(wěn)定性差，受熱易分解；蘇打熱穩(wěn)定性強，受熱不易分解。
（5）實驗結(jié)束，整理實驗用品，指導學生完成實驗報告。
5 結(jié)語
除了上述四個創(chuàng)新實驗，本改進裝置還可以用來探究氯酸鉀或過氧化氫分解的催化劑、實驗室制取二氧化碳的藥品，以及比較碳酸氫銨與其他銨鹽的熱穩(wěn)定性等（本文不再贅述）。
需要說明的是，在加熱V形管內(nèi)的藥品時，酒精燈火焰不宜過大，加熱時間也不宜過長，以免溫度過高造成V形管底部的封隔材料變質(zhì)而影響實驗效果。
總之，底部封隔的V形管既能用于演示實驗，也能用于學生實驗。相關(guān)案例不僅裝置簡單、對比鮮明、現(xiàn)象直觀，并且蘊含了創(chuàng)新、激趣、簡約、環(huán)保等育人理念。在實驗改進的過程中，問題的發(fā)現(xiàn)、裝置的設計、探究的過程還可作為培養(yǎng)學生質(zhì)疑精神和實踐能力的有效資源。
參考文獻：
［1］謝丹敏，湯中華. 封閉U型管在對比實驗中的應用［J］. 化學教學，2016，（4）：81～84.
［2］［4］課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心. 義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］. 北京：人民教育出版社，2012：48，129.
［3］［5］中學化學國家課程標準研制組. 義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］. 上海：上海教育出版社，2017：99，73.
［6］李德前，魏海，張羿. 將白磷包裹在鐵絲絨內(nèi)進行水中燃燒實驗［J］. 化學教學，2021，（12）：72～74.
［7］郭燾，李德前. 比較金屬活動性強弱的新方法［J］. 中小學實驗與裝備，2022，（6）：40～42.
［8］徐作培，李德前，周珊珊. 直角試管改進裝置用于幾個化學實驗的嘗試［J］. 化學教學，2023，（2）：65～68.
