初中化學對比實驗演示儀的設計與應用

王義堂 張會彬

一、創新實驗儀器目的

化學是一門以實驗為基礎的科學，許多化學基本概念和化學原理都是通過化學實驗得來的。“有比較才有鑒別”，在眾多的實驗方法中，對比實驗可將形象、對比融為一體，不僅能使學生有效地獲取知識，還有助于培養他們的多種能力，所以在教學中應盡量采用這種方法，并且從實驗裝置、操作過程、優化認知過程等方面發揮對比實驗的功能，從而收到良好的教學效果。

為了更好地進行對比實驗，我們設計了“化學對比實驗演示儀”，它既可幫助學生深刻理解和掌握教學內容，又能激發學生學習化學的好奇心和積極性，培養他們的化學思維能力。

“化學對比實驗演示儀”的特點主要有：首先，可在不同條件下同時做多個實驗，適合比較化學反應的快慢或生成物的多少以及顏色的變化等問題；其次，實驗設計簡單，趣味性強，直觀性好；再次，做到了科學性、新穎性、簡捷性、直觀性有機統一，不僅可以幫助學生學好化學知識，培養學生的探究能力，還有助于訓練他們思維的靈活性、發散性和創造性。

二、實驗儀器及藥品

小試管、具支U形管、膠頭滴管、膠皮管、橡皮塞、常見酸堿鹽及溶液、過氧化氫、二氧化錳、固體膠棒、注射器等。

三、實驗裝置圖及說明

(1)取一塊25 cm×50 cm的矩形木板作為底座，上部安裝40 cm×50 cm的木板作為演示板(如圖1所示)。

圖1 底座及演示版

(2)取三片6cm×46cm的白鐵皮，折成1cm×5cm×46cm的L形鐵片，陰影為L形向下折的部分(如圖2所示)。

圖2 L形鐵片

在L形鐵片上部，距離左側邊緣3 cm 的中心部位點一圓點，作為圓心。每隔10 cm點一圓心，共計5個。根據膠頭滴管、試管的大小，依次打孔，作為膠頭滴管支架和試管架。

(3)在演示板上按照距上邊3 cm、20 cm、39 cm的地方畫出3根平行的安裝線，將支架安裝在演示儀正面，圓心務必對齊(如圖3所示)。

圖3 正面安裝圖

(4)翻板制作：取7.5 cm×10 cm的木板10塊，2個一組，釘成直角翻板(如圖4所示)，共制作5組。

圖4 翻板制作

圖5 具支U行管固定裝置

(5)用寬度為1.5 cm的薄鋼片彎成圖5的形狀，作為具支U形管固定裝置。

(6)將具支U形管固定裝置固定在直角翻板背面上(如圖6所示)。

圖6 U形管固定裝置安裝

(7)將5組直角翻板用活頁固定在演示板上，制成活動翻板(如圖7所示)。各個翻板之間用插銷連接，可以根據對比實驗的多少進行組裝連接。圖8為裝置的側視圖。

圖7 對比演示儀背面圖

圖8 裝置側視圖

(8)將試管放入試管架，將膠頭滴管和具支U形管用膠皮管連接，放入規定位置(如圖9所示)。圖10為側面組裝示意圖。

圖9 正面組裝示意圖

圖10 側面組裝示意圖

實驗操作原理：用注射器抽取等量液體試劑，注入具支U形管；試管內放入不同的藥品。實驗時翻動背后的翻板(背后有一活動支撐桿)，不同的液體試劑經膠頭滴管同時注入試管(如圖11所示)，多種對比實驗同時開始。

圖11 實驗演示圖

四、實驗操作

1.驗證過氧化氫制取氧氣實驗中二氧化錳的催化作用

(1)用固體膠棒黏合二氧化錳成二氧化錳催化球，稱重并記錄。自左向右的5支試管依次編號為1，2，3，4，5。前4支試管分別裝入固體膠棒、二氧化錳、二氧化錳催化球、二氧化錳。

(2)背后的具支U形管自左向右分別裝入過氧化氫溶液、過氧化氫溶液、過氧化氫溶液、濃鹽酸(少量)。

(3)翻動翻板，不同的液體試劑經膠頭滴管同時注入試管，多種對比實驗同時開始。反應情況見表1。

表1 試管1～4的反應現象

(4)反應完畢后，將試管3中的二氧化錳催化球取出，洗凈干燥后稱重，發現質量沒有減少；再將其放入試管5內，加入少量濃鹽酸，有少量黃綠色氣體生成，證明是氯氣。

結論：二氧化錳在過氧化氫制取氧氣的化學反應里改變了過氧化氫的化學反應速率，而本身的質量和化學性質在化學反應前后都沒有發生改變，所以二氧化錳是過氧化氫制取氧氣的催化劑。

2.驗證酸的化學性質

(1)背后的具支U形管內分別裝入相同質量、相同質量分數的稀硫酸。

(2)自左向右的5支試管依序編號為1，2，3，4，5，分別裝入紫色石蕊試液、鋅粒、黑色氧化銅固體、氫氧化鋇溶液、氯化鋇溶液。

(3)翻動翻板，液體試劑經膠頭滴管同時注入試管，多種實驗同時開始。反應情況見表2。

表2 試管1～5的反應現象及結論

3.驗證金屬的活動性順序

(1)背后的具支U形管內分別裝入相同質量、相同質量分數的稀鹽酸。

(2)自左向右的5支試管依次編號為1，2，3，4，5，分別裝入鎂、鋁、鋅、鐵、銅5種金屬。

(3)翻動背后的翻板，液體試劑經膠頭滴管同時注入試管，多種對比實驗同時開始。反應情況見表3。

表3 試管1～5的反應現象

結論：5種金屬的活動性順序由強到弱依次為：鎂、鋁、鋅、鐵、銅。

總之，凡是液體與固體、液體與液體之間進行的對比實驗，本儀器都可以進行。由于涉及的對比實驗太多，在此不再贅述。

五、創新點及意義

(1)優化了對比實驗的操作過程，多種對比實驗可以同步進行。(2)由于多種對比實驗可以定量、同步進行，有利于學生在定性觀察的基礎上，進一步依據數據對反應進行深入思考和研究，培養學生思維的深刻性和敏捷性。(3)儀器制作簡單，操作方便，實驗效果明顯，易于學生觀察。(4)通過設計對比實驗方案和進行實驗探究，培養學生的探究能力。(5)利用對比實驗，對影響物理事物的內外因素一一進行探究，比較并加以確定，培養學生總結規律的能力。