對幾個初中化學實驗的新設計

劉信友

摘要：? 借用T型管、單向閥、注射器和干燥管等常用儀器設計木炭吸附二氧化氮氣體及其解吸的實驗以及稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應的拓展實驗，改善了原實驗現象不夠明顯的缺陷，讓實驗更好地服務于教學。新設計的實驗取材方便、操作簡單、安全快速、現象明顯，適合教師課堂演示和學生課外探究實驗。

關鍵詞：? T型管； 單向閥； 注射器； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2024）05-0079-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

將T型管、單向閥和注射器組合成如圖1所示的裝置，這個特殊的結構在注射器拉、推的作用下能使液體或氣體單向流動；可將固體與液體、液體與液體、氣體與液體、氣體與氣體之間的反應設計在密閉的容器中進行，且能控制反應物的量，可完成多種化學實驗。

查閱知網文獻［1，2］，發現教師多處提到單向閥的運用，李德前等設計“氫氣爆炸實驗的一體化設計”，曹桂禎等設計“單向閥和自制氣筒在化學實驗中的應用”，上述實驗改進（防止回火，氣體、液體的單向流動）的案例，對我們的研究有很大的啟發。為了進一步凸顯單向閥在實驗教學中的作用，彰顯化學學科的育人價值，下面結合幾個改進案例，介紹T型管、單向閥、注射器等在初中化學實驗中的應用，供同行們參考。

1? 木炭吸附二氧化氮氣體及其解吸實驗

現行人教版九年義務教育教科書《化學》上冊第六章第一節實驗6-1，在盛有半瓶水的錐形瓶里，加入一滴紅墨水，使水略顯紅色。投入幾塊烘烤過的木炭（或活性炭），輕輕振蕩錐形瓶觀察現象。該實驗中木炭能吸附水中的色素，現象明顯。在教材P112［練習與應用］第6題：如圖2所示，向盛有紅棕色NO2氣體的集氣瓶里投入幾小塊烘烤過的木炭，為什么紅棕色會消失［3］？為了能讓學生清晰觀察到木炭能吸附紅棕色的二氧化氮氣體，我們在開展社團活動時增加了這個實驗活動，取得了較好的效果。

該實驗演示時一般能達到預期效果，但也存在如下不足：

（1） 向裝有二氧化氮氣體的集氣瓶中加木炭顆粒時，集氣瓶中的二氧化氮氣體會從瓶口逸出，造成對室內空氣的污染；

（2） 在搖動集氣瓶時木炭與集氣瓶內壁碰撞會沾上黑色碳粒，從而影響實驗現象的觀察；

（3） 不能觀察到紅棕色二氧化氮氣體被木炭吸附后瓶內壓強的減小。

我們用T型管、注射器和單向閥改進上述實驗，能清晰地觀察到紅棕色的二氧化氮氣體被木炭吸附及其解吸的現象，效果很好。

1.1? 實驗用品

二氧化氮氣體（150mL）1瓶、活性炭小顆粒、廣口瓶（150mL）1個、T型管1個、單向閥（3mm）3個、球形干燥管（20×150mm）1個、乳膠管（20mm）3根、注射器（50mL）2支、酒精燈1盞、單孔硅膠塞（30mm）1個、單孔橡皮塞（0號）1個、20%氫氧化鈉溶液、玻璃棉、導管1根（5cm）

1.2? 實驗裝置

如圖3所示，夾持裝置略。

1.3? 實驗步驟及現象

1.3.1? 實驗步驟

首先取1個球形干燥管（20×15mm），裝入烘干的活性炭小顆粒填實（為防小顆粒炭被吹出，在球形干燥管出口處填少量玻璃棉），干燥管大口端用帶導管的單孔橡皮塞塞緊，再與帶有單向閥的T型管連接，T型管上端連接一根乳膠管（20mm）；其次，將注射器①和注射器②的活塞推到底部，排盡注射器內的空氣，分別與T型管左端和球形干燥管右端乳膠管連接，用150mL的集氣瓶收集一瓶紅棕色的二氧化氮氣體，用帶有單向閥的雙孔硅膠塞塞緊（二氧化氮氣體被抽出后，瓶內壓強減小，外界的空氣沿硅膠塞上的單向閥進入集氣瓶中，有利于二氧化氮氣體持續抽出），雙孔硅膠塞上的導管一端乳膠管（帶彈簧夾K）與T型管的上口連接（彈簧夾的作用：防止連接T型管時集氣瓶中的二氧化氮逸出，造成污染）；最后，打開彈簧夾K，拉①號注射器活塞，從集氣瓶中抽取30mL紅棕色二氧化氮氣體進入①號注射器中，關閉彈簧夾K。再緩慢推動①號注射器活塞，將10mL二氧化氮氣體緩慢推入球形干燥管中的活性炭粒中。

1.3.2? 實驗現象

觀察到②號注射器的活塞向右慢慢地移動，注射器中收集到的氣體比①號注射器中的氣體顏色明顯變淡且氣體體積變小；然后推動②號注射器的活塞，使變淡的氣體再次進入球形干燥管中的活性炭粒中，停留1分鐘后，再緩慢推動①號注射器活塞，將注射器①的二氧化氮氣體（10mL）推入球形干燥管中的活性炭粒中，此時進入②號注射器中的氣體已變為無色；用酒精燈微微烘烤球形干燥管中的活性炭小顆粒，又看到紅棕色的二氧化氮氣體進入②號注射器中，此即為被吸附的紅棕色的二氧化氮氣體被解吸了出來。

1.4? 幾點說明

（1） 裝入球形干燥管中的活性炭小顆粒需現制且要烘干；

（2） 推動注射器活塞的速度不能過快，以免二氧化氮氣體與球形干燥管中的活性炭小顆粒沒有充分接觸，影響吸附效果；

（3） 酒精燈要求微微加熱球形干燥管（以免二氧化氮在150～160℃分解成2NO+O2，O2和灼熱的C會反應生成CO或CO2），且加熱時間不宜過長，以免球形干燥管破裂，使二氧化氮氣體逸出，造成室內空氣污染；

（4） 實驗結束后，用彈簧夾K夾緊硅膠塞上導管一端的乳膠管，用50mL的注射器吸取過量的20%氫氧化鈉溶液，打開彈簧夾K，從導管口向集氣瓶中壓入。氫氧化鈉溶液能有效除去集氣瓶中剩余的二氧化氮氣體，有效處理尾氣和廢液，防止有毒氣體逸出造成環境污染（反應的化學方程式：2NO2+2NaOHNaNO3+NaNO2+H2O）。

2? 稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應實驗的拓展

現行人教版九年義務教育教科書［4］《化學》下冊第十章第二節P60，安排有在氫氧化鈉溶液中滴加稀鹽酸的實驗（見圖4）。

教材實驗設計的理念是借助無色酚酞溶液的變色來判斷稀鹽酸和氫氧化鈉發生了化學反應。為了能讓學生清晰地觀察到稀鹽酸和氫氧化鈉溶液發生反應后有氯化鈉生成，我們將氫氧化鈉水溶液改為氫氧化鈉乙醇溶液，將鹽酸改為氯化氫氣體通入氫氧化鈉乙醇溶液中，可清晰地觀察到有白色固體（NaCl）生成，實驗的可視化效果良好。

2.1? 實驗用品

38%濃鹽酸（100mL）、無水氯化鈣、飽和氫氧化鈉乙醇溶液（5mL）、廣口瓶（150mL）1個、T型管1個、單向閥（3mm）3個、球形干燥管（20×15mm）1個、乳膠管（20mm）3根、注射器（50mL）1支、直角導管1個、試管（20×200mm）1支、硅膠翻口塞（30mm）1個、單孔橡皮塞（0號）1個、導管1根（5cm）

2.2? 實驗裝置

如圖5所示，夾持裝置略。

2.3? 實驗操作步驟及現象

2.3.1? 實驗操作

先將無水氯化鈣裝入球形干燥管（20×15mm）中，塞上帶有導管的單孔橡皮塞，用帶單向閥的T型管與球形干燥管連接；再將T型管的左側連接注射器（活塞推到底部），T型管上端通過單向閥連接裝有50mL38%濃鹽酸的廣口瓶（廣口瓶上瓶塞導管一端的乳膠管用彈簧夾K夾緊，防止氯化氫氣體逸出），實驗裝置組裝完成。

2.3.2? 實驗步驟及現象

打開彈簧夾K，緩慢拉動注射器的活塞，廣口瓶中濃鹽酸揮發出的氯化氫氣體通過單向閥被吸入注射器中（約30mL）。關閉彈簧夾K，打開另一個單向閥，推動注射器的活塞，氯化氫氣體經過單向閥進入裝有無水氯化鈣的球形干燥管中（干燥氯化氫氣體），再經過導管進入盛有5mL飽和氫氧化鈉乙醇溶液的試管中，片刻后即可觀察到飽和無色氫氧化鈉乙醇溶液中出現白色渾濁現象，靜置1分鐘，試管底部出現白色固體物質（氯化鈉）。查資料［5］得：常溫下的乙醇中NaOH（S=17.3g）與HCl（S=41.6g）均是易溶物，而NaCl（S=0.065g）是微溶物，即使在89.6%的乙醇溶液中，NaCl的溶解度也僅是0.43g。可推得實驗原理［6］為：NaOH+HCl乙醇NaCl↓+H2O。

2.4? 幾點說明

（1） 用干燥氯化氫氣體可減少生成物中水的含量，讓更多的氯化鈉以固體呈現出來；

（2） 用注射器抽取廣口瓶中濃鹽酸揮發出的氯化氫氣體時，濃鹽酸底部會有氣泡產生（原因：一定溫度下，壓強減小，氯化氫氣體的溶解度也減小）；

（3） 為了防止裝濃鹽酸廣口瓶瓶塞脫落造成濃鹽酸流出，應采用醫用硅膠翻口塞（網購）代替普通橡皮塞；

（4） 在醫用硅膠翻口塞上接一個單向閥，是為了平衡大氣壓強，能用注射器持續抽取氯化氫氣體。

參考文獻：

［1］李德前， 龔皓， 魏海.氫氣爆炸實驗的一體化設計［J］.化學教學， 2022， （6）： 72～75.

［2］曹桂禎， 鄭順來.單向閥和自制氣筒在化學實驗中的應用［J］.化學教學， 2023， （1）： 62～66.

［3］［4］王晶， 鄭長龍主編．義務教育課程標準實驗教科書· 化學（九年級上、下冊）［M］．北京： 人民教育出版社， 2012： 112， 60.

［5］顧慶超等．化學用表［M］.南京： 江蘇科學技術出版社， 1979： 136～137.

［6］張紅衛．酸堿中和反應實驗的新設計［J］.化學教學， 2022， （2）： 71～72.