利用玻璃儀器組合裝置開展實驗的設計

摘 要： 借助一組可自由聯結的玻璃儀器進行實驗裝置的設計和改進。以乙醇與鈉反應、濃硫酸與銅反應、硝酸與銅反應為例，通過分析實驗的原理和目的、針對實驗中的問題，改進實驗裝置并完成實驗。玻璃儀器多樣化的組合方式靈活實用，操作方便，有助于激發學生興趣、啟迪思維、促進理解、培養能力。

關鍵詞： 玻璃儀器組合； 實驗裝置設計； 實驗改進； 實驗探究

文章編號： 10056629（2024）08007404

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

化學實驗是發展學生科學探究與創新精神的有效路徑［１］。化學實驗的開展，離不開多樣化的化學實驗儀器［２］。目前中學化學實驗室配備的大都是試管、燒杯、滴定管之類的常規儀器，在完成部分中學化學實驗時，還存在組裝較復雜、藥品用量大、反應不可控、用時過長等問題。實驗教學中，教師多以演示為主、視頻為輔的方式呈現教材實驗，學生只是觀看實驗，或依葫蘆畫樣地做實驗，因而走不出實驗定勢思維，打不開實驗創新之門。

創新通常是依托對舊事物進行改造升級，對現有化學儀器的改進、升級和使用是發展學生創新意識的有效抓手。查閱資料，總結目前中學化學實驗儀器的創新主要有三類： 一是對現有儀器進行組合，開發其新功能，實現“一器多用”或“多器一用”的創新效果，如葉永謙［３］等通過組合法對工業制備鹽酸的演示裝置做了新設計，謝莉芳［４］巧用干燥管進行乙炔化學性質的實驗；二是借助注射器、三通閥等醫用設備與常用儀器的組合實現儀器創新，如劉江［５］等用具支試管、一次性醫用輸液器瓶塞穿刺器等組合設計出氣體制備及性質驗證一體化新裝置，魏海［６］等用雙注射器組合裝置完成以銅與硝酸反應的系列實驗；三是針對某特定實驗設計定制的專用的實驗儀器，如周密［７］等用定制N形管和三通閥改進銅與濃硫酸的反應實驗。這些創新與改進實驗雖然一定程度上解決了某些常規實驗出現的諸如“裝置復雜”“現象不明顯”“試劑用量大”“有污染”“倒吸”等問題，但大部分實驗改進與創新的主角仍是教師，學生只是作為旁觀者，缺乏親力親為的體驗感。

鑒于此，本研究著眼于化學實驗儀器的改進，定制了一組方便靈活組裝、適用于學生操作的通用儀器，旨在實驗教學中有益于“做中學，學中做，做中求變，做中求進步”。

2 實驗儀器

利用相切合的標準內磨口、外磨口與具支試管、分液漏斗、膠頭滴管、導管等常用儀器相結合，設計并定制了一組儀器。

2.1 標準雙磨口反應試管

如圖1所示，反應試管外徑20mm，高度150mm或100mm，兩種試管的雙口均為標準內磨口，可與帶外磨口的其他定制儀器及實驗室帶磨口的常規儀器直接聯結組合。

2.2 磨口膠頭滴管、分液漏斗

如圖2所示，把膠頭滴管的中部、分液漏斗的下端外側改成標準外磨口，在實驗中可快速穩定地聯結，其用途也得到進一步的開發和拓展，如膠頭滴管代替尖嘴管點燃氣體等（如圖4），分液漏斗可疊加、干燥管可橫向使用（如圖5、圖6）。

2.3 小導管、末端直角小導管

如圖3所示，小導管總長60～90mm，有直形（兩側均為外磨口）和球形小導管（一側內磨口，另一側外磨口）兩種。直形小導管通常用于磨口轉接、中部可放置試紙或極少量藥品；球形小導管內可放置少量藥品試劑，用于氣體檢驗、干燥和尾氣吸收，也可作為反應儀器直接加熱。通過反復試驗，綜合考慮藥品用量、方便取放試劑、保證放置棉團時氣體通過不堵塞以及美觀等因素，球形導管中間凸起的圓球內徑定制為2.5mm左右。末端直角小導管采用單側內磨口設計，通常在裝置末端用于點燃氣體或通往燒杯、水槽等儀器用于氣體收集或尾氣吸收等。

3 實驗應用

3.1 乙醇與鈉反應

3.1.1 設計裝置

學生分析乙醇與鈉反應原理及教材［８］實驗，選擇150mm雙磨口反應試管、直形小導管、直角小導管或膠頭滴管尖嘴管，組合設計出圖4（a）中幾種裝置。

（a）

（b）

3.1.2 改進裝置

圖4（a）中幾種裝置均能順利完成氣體發生與點燃的實驗，但在檢驗燃燒產物時，學生發現有使澄清石灰水變渾濁的二氧化碳生成，分析得出可能是揮發出來的乙醇燃燒后的干擾。查閱資料［９］后得出可用無水氯化鈣排除乙醇的干擾，于是在點燃前加一個裝有無水氯化鈣的球形小導管，設計的裝置如圖4（b）所示。

3.1.3 實驗步驟

（1） 按圖4（b）連接裝置，裝入試劑。

（2） 傾斜反應管，使金屬鈉落入乙醇中迅速反應，固體表面產生大量的無色氣泡。

（3） 用小試管收集氣體并驗純，然后點燃尖嘴導管處氣體，火焰明亮。

（4） 將干燥的小燒杯罩在火焰上，待燒杯壁出現液滴后，翻轉燒杯，向其中加入少量澄清石灰水，燒杯壁未發現渾濁現象，說明燃燒產物無二氧化碳。

3.2 濃硫酸與銅反應

3.2.1 設計裝置

學生用定制儀器組合設計出濃硫酸與銅的反應裝置圖5（a）。

3.2.2 改進裝置

若按照圖5（a）裝置完成實驗時雖然操作簡單、現

（a）

（b）

象明顯、能防倒吸，但存在無法控制反應、氫氧化鈉棉團吸收尾氣不完全、裝置中剩余的二氧化硫氣體會造成污染、加熱反應后反應管中出現大量黑色固體物質且溶液冷卻后加入水中顯藍色不明顯、缺少二氧化硫還原性的檢驗等問題。

為了解決以上問題，學生查閱資料，反復嘗試對比多種組合，設計的改進裝置如圖5（b）所示。

3.2.3 實驗步驟

（1） 按圖5（b）組裝儀器，檢查氣密性、裝藥品。反應試管內是打磨過的銅絲，上端纏繞在磁力攪拌子上，下端折成螺旋狀，通過磁環控制反應。

（2） 點燃酒精燈1，加熱濃硫酸至表面產生少量白霧，將磁環向下移動，讓銅絲與濃硫酸接觸，半分鐘左右，反應試管內銅與濃硫酸開始劇烈反應，產生大量白霧；兩分鐘左右，浸有品紅的棉團、高錳酸鉀的棉團先后逐漸退色，潤濕的紫色石蕊試液變紅，即驗證了二氧化硫的漂白性、還原性及酸性。

（3） 熄滅酒精燈1，將磁環向上移動，終止反應；反應試管內有灰白色沉淀，溶液呈現灰黑色。點燃酒精燈2，加熱浸有品紅溶液棉團的球形小導管，品紅恢復紅色。

（4） 待溶液冷卻后，取下最上端裝有氫氧化鈉溶液的分液漏斗（便于蒸餾水順利滴下），打開K1，讓分液漏斗內的蒸餾水全部緩慢滴入反應試管，關閉K1，該過程可觀察到反應試管底部灰白色沉淀逐漸溶解，溶液中漂浮著少量黑色小顆粒固體，溶液呈明顯藍色。

（5） 裝上氫氧化鈉溶液的分液漏斗，打開K1、 K2，讓氫氧化鈉溶液緩慢滴入反應試管中吸收剩余的二氧化硫，此時還可看到反應試管內的溶液出現明顯的藍色絮狀沉淀。

3.3 硝酸與銅反應

3.3.1 設計裝置

分析實驗原理，結合教材實驗［10］，學生設計的裝置如圖6（a）所示。

（a）

（b）

3.3.2 改進裝置

學生發現若用圖6（a）完成實驗雖然對比現象明顯，但存在反應不可控、藥品用量大、易倒吸、無法驗證一氧化氮、留在裝置內的有害氣體可能逸出污染環境等問題。基于此，學生再次組合儀器，改進裝置，設計出圖6（b）裝置解決了上述問題。

3.3.3 實驗步驟

（1） 按圖6（b）組裝儀器，檢查氣密性、裝藥品。反應試管內是打磨過的銅絲，上端纏繞在磁力攪拌子上，下端折成螺旋狀，通過條形磁鐵控制反應。

（2） 打開K1，向下移動磁鐵，使銅絲與濃硝酸接觸反應，試管內迅速產生紅棕色的氣體，溶液變成綠色，氣球稍微鼓起。

（3） 移動磁鐵使銅離開硝酸液面3cm左右，反應停止，捏癟氣球，打開K2，讓蒸餾水全部滴入反應試管后立即關閉K2，試管內紅棕色變淺，溶液變成淺藍色。

（4） 移動銅絲與稀硝酸接觸反應，其表面產生無色氣泡，產生的氣體將裝置內紅棕色氣體趕到分液漏斗1和氣球中，反應試管內的紅棕色消失。

（5） 在分液漏斗2上套一個氣球后打開K2，關閉K1，此時反應試管內無色氣體上升進入分液漏斗2中與其中空氣接觸，可觀察到有紅棕色氣體生成。

（6） 通過磁鐵分離反應試管內的銅與硝酸，反應停止，向左90度傾斜裝置，打開K1，擠壓氣球，讓分液漏斗1中的氫氧化鈉溶液進入反應試管吸收裝置內剩余的有害氣體。

4 結語

借助定制實驗儀器組裝反應裝置有以下優點：

（1） 通用性。可以通過儀器組合設計出各類氣體的發生、除雜、收集、尾氣處理等裝置，因此適用于中學階段大部分氣體的探究實驗。

（2） 靈活性。原本實驗中氣體性質的檢驗常用試紙或浸潤某種溶液的棉團按順序擺放在封閉體系中，放置藥品、調整順序等很不方便，而改進儀器在實驗中可以靈活組合，也可隨時拆分，局部調換，非常方便。

（3） 激趣、激思、促創新。

學生用這組改進儀器可進行多種組合，可以設計出多種個性化的實驗裝置，而且裝置小巧美觀、組合方便，隨手就可快速地用實物儀器搭建出想象中的實驗裝置圖來。

參考文獻：

［1］姚毅. 淺談基于實驗教學培養學生的化學核心素養［J］. 化學周刊， 2018， （10）： 112.

［2］顏標峰. 化學實驗儀器中創新設計資源的開發與實踐［J］. 課程視野， 2017， （1）： 43.

［3］葉永謙， 葉燕珠， 張賢金等. 組合法在化學儀器創新中的運用——以工業制備鹽酸演示裝置的設計為例［J］. 化學教育， 2020， （21）： 63～66.

［4］謝莉芳. 巧用干燥管做乙炔化學性質實驗［J］. 實驗教學與儀器， 2023， （8）： 47.

［5］劉江， 洪俊華等. 氣體制備及性質驗證綜合一體化創新設計［J］. 化學教學， 2021， （2）： 62.

［6］魏海， 李德前. “雙注射器組合裝置”的制作與應用——以銅與硝酸反應的系列實驗為例［J］. 化學教學， 2020， （11）： 68～70.

［7］周密， 岑秋琳等. 用N形管和三通閥改進銅與濃硫酸反應實驗［J］. 化學教學， 2023， （10）： 71～73.

［8］［10］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學·必修第二冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 77～78， 15.

［9］趙朝鋒. 鈉與水和鈉與乙醇反應實驗的一體化設計［J］. 技術裝備與實驗教學， 2023， （5）： 24～25.